Диффузия в твердом теле

Диффузия твердых тел описывает движение атомов, ионов или электронов внутри твердого тела. По сравнению с диффузией газов или жидкостей она чрезвычайно медленная - это самая медленная форма переноса массы на атомном уровне. Тем не менее, она играет решающую роль во многих промышленных и технологических процессах.

Твердая диффузия используется, например, в порошковой металлургии или инженерной керамике. Здесь мелкодисперсные инородные материалы - металлы, оксиды или карбиды - уплотняются под высоким давлением, а затем спекаются. Во время спекания частицы проникают в соседние частицы по границам зерен или через кристаллическую решетку. В результате получаются плотные, твердые композитные материалы с индивидуальными свойствами.

Другой пример технического использования - производство полупроводниковых компонентов. В микроэлектронике легирующие элементы (например, бор, фосфор) избирательно вводятся в кристаллы кремния методом твердофазной диффузии для получения определенных электрических свойств.

Прецизионные миксеры amixon обеспечивают идеальное равномерное распределение. Они смешивают без износа.

Однако диффузия в твердом теле не только полезный эффект, но и может привести к проблемам. Одним из известных примеров является явление водородного охрупчивания: чистый водород может диффундировать в металлы, такие как сталь или титан, в течение длительного периода времени. Это приводит к структурным изменениям в микроструктуре материала, что может привести к охрупчиванию или разрушению материала. Эта проблема особенно актуальна для трубопроводов, резервуаров высокого давления, клапанов и компонентов водородных технологий.

Другие примеры твердотельной диффузии:

• Защита от коррозии и термическая диффузия: Для покрытия сталей используются диффузионные элементы, такие как алюминий, хром или цинк.
• Диффузионное соединение: две металлические поверхности соединяются при температуре и давлении без плавления - соединение образуется исключительно за счет обмена атомами.
• Литий-ионные аккумуляторы: В процессе зарядки и разрядки ионы лития диффундируют через твердую электродную структуру.
• Окрашивание стекла или керамики: ионы (например, кобальт, медь, железо) диффундируют в твердую матрицу в процессе обжига и создают цветовые оттенки.

Диффузия в твердом теле может контролироваться термически (температурой) или химически (градиентами концентрации). Обычно она необратима и сильно зависит от кристаллической структуры, сил связывания и температуры.