Dyfuzja w stanie stałym

Dyfuzja w ciele stałym opisuje ruch atomów, jonów lub elektronów w ciele stałym. W porównaniu do dyfuzji w gazie lub cieczy, jest ona niezwykle powolna - jest to najwolniejsza forma transportu masy na poziomie atomowym. Niemniej jednak odgrywa ona decydującą rolę w wielu procesach przemysłowych i technologicznych.

Dyfuzja w stanie stałym jest wykorzystywana na przykład w metalurgii proszków lub ceramice inżynieryjnej. W tym przypadku drobno zdyspergowane materiały obce - metale, tlenki lub węgliki - są zagęszczane pod wysokim ciśnieniem, a następnie spiekane. Podczas spiekania cząstki przenikają do sąsiednich cząstek na granicach ziaren lub przez sieć krystaliczną. W ten sposób powstają gęste, stałe materiały kompozytowe o niestandardowych właściwościach.

Innym przykładem technicznego wykorzystania jest produkcja komponentów półprzewodnikowych. W mikroelektronice domieszki (np. bor, fosfor) są selektywnie wprowadzane do kryształów krzemu za pomocą dyfuzji w stanie stałym w celu wygenerowania określonych właściwości elektrycznych.

Precyzyjne mieszalniki amixon zapewniają idealnie równomierną dystrybucję. Mieszają bez zużycia.

Jednak dyfuzja w ciałach stałych jest nie tylko użytecznym efektem, ale może również prowadzić do problemów. Jednym z dobrze znanych przykładów jest zjawisko kruchości wodorowej: czysty wodór może dyfundować do metali takich jak stal lub tytan przez długi okres czasu. Prowadzi to do zmian strukturalnych w mikrostrukturze materiału, co może skutkować kruchością lub uszkodzeniem materiału. Problem ten jest szczególnie istotny w przypadku rurociągów, zbiorników wysokociśnieniowych, zaworów i elementów technologii wodorowej.

Dalsze przykłady dyfuzji w ciele stałym:

• Ochrona przed korozją i dyfuzja termiczna: Elementy dyfuzyjne, takie jak aluminium, chrom lub cynk, są stosowane do powlekania stali.
• Wiązanie dyfuzyjne: Dwie powierzchnie metaliczne są łączone ze sobą pod wpływem temperatury i ciśnienia bez topienia - połączenie powstaje wyłącznie w wyniku wymiany atomowej.
• Akumulatory litowo-jonowe: Podczas procesu ładowania i rozładowywania jony litu dyfundują przez strukturę elektrody stałej.
• Barwienie szkła lub ceramiki: Jony (np. kobaltu, miedzi, żelaza) dyfundują do stałej matrycy podczas procesu wypalania i tworzą odcienie kolorów.

Dyfuzja w ciałach stałych może być kontrolowana termicznie (przez temperaturę) lub chemicznie (przez gradienty stężeń). Jest ona zazwyczaj nieodwracalna i zależy w dużej mierze od struktury krystalicznej, sił wiążących i temperatury.