擴散與固態反應
晶格擴散(lattice diffusion)
晶格擴散是原子穿過晶體內部而移動——在一顆晶粒井然有序的體內,遠離任何晶界或表面,一個位置跳到一個位置。它是擴散的「主幹道」:每本教科書最先畫的那條路、阿瑞尼士擴散係數通常描述的那條、也是拿來和較快的捷徑路徑比較的基準。當人們說「氧在氧化鋁中的擴散係數」時,他們幾乎總是指晶格的那個值。
在晶體內部,一個原子被鄰居以規則圖樣完全包圍,所以要移動就得靠隔壁的一個空位(空位機制)或一個空的間隙(間隙機制)——這是原子機制最純粹的形式。因為體晶格緻密而井然有序,一次跳躍的活化能很高,所以晶格擴散是三條路徑中最慢的一條,卻也是空間最大的一條:它發生在每顆晶粒的整個體積裡,而不只是薄薄的界面上。它的速率遵循阿瑞尼士定律且 Q 很大,這就是為什麼晶格擴散在低溫下可以忽略,只有把陶瓷燒得真正夠熱時才變得重要。
晶格擴散是否主導,取決於它和短路路徑的競爭。在高溫下,指數已經把體 D 撐大,晶格擴散單憑它擁有整顆晶粒的體積就承載了大部分通量。在較低溫,它的高 Q 讓它比低 Q 的晶界與表面路徑更快地關閉,於是那些捷徑接手。這個交叉——熱時受晶格控制,冷時受晶界或表面控制——正是阿瑞尼士圖上常見的那道轉折,也是預測陶瓷在整個燒成範圍內如何緻密化與反應的核心。
在一塊粗晶、高純度、燒到接近 1600 度 C 的氧化鋁中,大部分陽離子傳輸經由晶格擴散穿過晶粒內部;一旦降溫或細化晶粒,具有較低活化能的晶界擴散就取而代之領先。
晶格(體)擴散是原子在晶體內部跳動——最慢的路徑,卻擁有整顆晶粒的體積,並在高溫下主導。
晶格擴散的活化能高於晶界與表面路徑,所以只有在陶瓷夠熱且晶粒粗大時,它才是主導路徑。在中溫下的細晶陶瓷中,通常是晶界勝出。
又稱
另見