Skip to main content
amixon GmbHamixon GmbH

Диффузия и легирование наноструктурных материалов

Гомогенизация за счет механического изменения высоты тона

 

Эта статья в блоге посвящена тому, как с помощью смесителя можно изменять порошкообразные материалы путем диффузии. Порошки могут быть сухими, влажными или суспензионными. Технологическое оборудование amixon® рассчитано на работу при высоких давлениях и температурах. Это благоприятствует диффузии.

В динамически работающих смесительных машинах гомогенизация веществ происходит за счет их протекания и сдвига через смесительные инструменты. Задачи смешивания могут иметь различную степень сложности в зависимости от типа и текучести смешиваемых веществ. Перемешивание нанодисперсных сыпучих материалов без застойных зон представляет собой сложную задачу, поскольку их реологические свойства аналогичны свойствам липких влажных материалов.

Разница в концентрации компенсируется за счет диффузии

Хотя газы в закрытом сосуде кажутся покоящимися, молекулы газа совершают минимальные зигзагообразные движения относительно друг друга и возбуждают молекулы газа, находящиеся рядом с ними. Сила зигзагообразных движений и импульсного обмена зависит от преобладающей температуры. Эти микродвижения молекул прекращаются только при охлаждении газа до абсолютного нуля, т.е. до минус 273,15 °C..

Если в емкости находятся газы разной плотности или температуры, то гомогенизация происходит автоматически. Различные газы диффундируют друг в друга. Это объясняется высокой эффективностью диффузии газа. Диффузия - это перенос массы. Он компенсирует такие различия в концентрации, как плотность, температура и давление.

Жидкости разной плотности также смешиваются автоматически за счет диффузии, но этот процесс гомогенизации занимает гораздо больше времени, чем в случае с газами.

Еще больше времени требуется, если твердые частицы диффундируют друг в друга.

Скорость диффузии

Адольф Фик, немецкий физиолог (1829-1921 гг.), описал диффузию веществ через материал двумя формулами. Они утверждают, что диффузионный ток пропорционален разности концентраций, но противоположен направлению градиента концентрации.

В технической литературе для обозначения плотности диффузионного тока часто используется буква J. В представлении, соответствующем СИ, плотность диффузионного тока измеряется в (кг/(м²*с)). Но также распространено представление "моль на квадратный метр в секунду" (моль/(м²*с)).

(1)       J = -D * (ΔC/Δx)    

 

tаким образом

J: диффузионный поток (масса или молекулы на единицу площади и времени)

D: коэффициент диффузии вещества в материале (м²/с)

ΔC: разность концентраций вещества на расстоянии ΔC/Δx:   Концентрационный градиент

 

Второй закон учитывает, что и коэффициент диффузии, и градиент концентрации изменяются со временем из-за пространственного распределения концентрации.

(2)       ∂C/∂t = D * ∇²C

tаким образом

∂C/∂t: изменение концентрации с течением времени

∇²c: оператор Лапласадляпространственного измененияконцентрации

 

 

Также может быть рассчитан коэффициент диффузии D.

D = D0 * e (-Q/(R * T))

tаким образом

D0: Диффузионная постоянная [м²/с] - константа, зависящая от конкретного материала

Q: Энергия активации [кг *  м2/с-2]

R: общая газовая постоянная [Дж/(кг*К)].

T: Температура [K]

 

Очень медленный перенос массы при диффузии в твердом теле: Коэффициент диффузии имеет значение примерно 10-5м2/с для газов, 10-10м2/с для жидкостей и 10-20м2/с для твердых тел.

Эффективные формы диффузии в технической керамике и порошковой металлургии

Диффузия играет важную роль в порошковой металлургии при прессовании инородных веществ в мелкодисперсном виде в фасонное тело. В этом случае говорят о "механическом сплаве".

Так называемая посторонняя диффузия происходит на границах фаз, границах зерен и поверхностях микроструктуры. Атомные группы из областей с более высоким потенциалом медленно мигрируют в области с более низким потенциалом. Эти процессы протекают тем интенсивнее, чем меньше структурные частицы, участвующие в них, и чем сильнее они прижаты друг к другу.

Диффузия может быть подходящим методом легирования высокоэффективных материалов путем внедрения чужеродных атомов в нарушенные структуры решетки. Особенно сильно диффузия проявляется при встрече градиентов концентрации в виде наноразмерных порошков. Это особенно характерно для границ фаз и зерен.  

 

 

Диффузия в этом случае особенно сильна,

  1. если товар присутствует в виде нанодисперсии.

  2. при наличии как можно большего градиента концентрации.

  3. при высоких температурах процесса.

  4. когда частицы/частицы с высокой концентрацией встречаются с частицами/частицами с низкой концентрацией как можно чаще.

  5. когда частицы скользят вплотную друг к другу - без окружения газообразной фазой.

Внешняя диффузия: A) Фазовая пограничная диффузия, B) Зерновая пограничная диффузия, C) Поверхностная диффузия, D) атомы

Ускоренная диффузия в реакторе amixon®

к 1)
Процесс смешивания в реакторе amixon® всегда свободен от застойных зон и эффективен - независимо от скорости вращения перемешивающего инструмента. Свойства потока смешиваемых материалов - сухой, влажный, мокрый или взвешенный - не имеют значения. Кроме того, точность смешивания не зависит от уровня заполнения.

к 2)
В реакторе amixon® компоненты могут находиться в любом агрегатном состоянии для диффузии друг в друга: сухом, жидком или газообразном.

к 3)
Реакторы amixon® могут следовать заранее заданным кривым нагрева/охлаждения с точностью до нескольких десятых долей Кельвина. До 350 °C. Современные дальнейшие разработки amixon® нацелены даже на температуру свыше 600°C.

к 4)
Беззазорное перемешивание обеспечивает постоянный и случайный контакт частиц/жидкостей или газов друг с другом. Испытательный реактор amixon® работает при избыточном давлении до 25 бар. (Технологические установки amixon® соответствуют законодательным требованиям TA Luft. Они технически герметичны - даже при высоких температурах и давлениях).

к 5)
Реакция "твердое тело - твердое тело" / диффузия: В аппарате amixon® крутой градиент концентрации может быть создан путем применения высокого вакуума. В однофазных смесях (без газовой фазы) твердые частицы плотно прилегают друг к другу - даже при высоких температурах.

Пожалуйста, приходите к нам со своими смешанными товарами. Мы приглашаем Вас попробовать.

Миксер Gyraton® для гомогенизации больших партий.

 

Высокоэффективные материалы обычно перерабатываются небольшими партиями. Если взять, например, производство аккумуляторов, ветряных турбин, компонентов для передачи энергии, коммуникационных технологий или установок для опреснения морской воды, то эти материалы требуются во все больших количествах. Однако эти большие массы материала должны быть однородными.

Именно здесь компания amixon® может внести ценный вклад. Смесители Gyraton® могут гомогенизировать большие объемы сыпучих материалов (70 м³) в партиях. Однако этот же смеситель Gyraton® может работать и в непрерывном режиме. В любом случае колебания качества могут быть нивелированы.

Смесители Gyraton® смешивают без застойных зон, однородно и очень мягко - независимо от свойств сыпучего материала. Мощность привода смесителя Gyraton® очень мала. Продукты могут быть нанодисперсными, агломерированными, сухими, влажными или мокрыми.

Back

© Copyright by amixon GmbH