擴散係數(diffusion coefficient)
如果擴散是原子在固體中游走,擴散係數 D 就是那個說明它們游走本事有多好的單一數字。D 大代表原子動得順,燒成很快就完成;D 極小代表它們幾乎凍結在原地,就算在高溫下擺上好幾天也成就不了什麼。它是某物種在某特定材料中的「機動力評分」,而幾乎每一個實際的擴散問題,都歸結到知道它的數值。
D 的單位是面積除以時間——平方公尺每秒(m^2/s)——這正好是餵給 sqrt(D times t) 那條「原子走多遠」法則所需要的。它的大小由微觀事件決定:原子多常嘗試跳躍、每次跳多遠、以及多少比例的嘗試成功。粗略地說,D 大約是(跳躍距離)^2 乘以(跳躍頻率),所以任何讓跳躍更長或更頻繁的因素都會抬高 D。典型數值橫跨一個極大的範圍:熱氧化物中一個快速的間隙原子,D 可能接近 10^-10 m^2/s,而接近室溫的一個遲鈍置換型陽離子,D 可能低於 10^-25 m^2/s——相差十五個數量級。正因為 D 對溫度的依賴如此劇烈,不附上溫度就報一個擴散係數是毫無意義的。
在陶瓷裡你很少只面對一個 D。每個物種各有一個係數(氧和陽離子的擴散速率天差地遠),每條路徑各有一個(晶格、晶界、表面),而某成分對量到的「化學」或互擴散係數,也可能和單一標記原子的「示蹤」係數不同。實際的回報很直接:把 D 代入擴散方程,就能告訴陶瓷工作者一個零件要摻雜、要反應、或要緻密化,得燒多熱、燒多久。溫度選得太低,D 小到過程永遠做不完;這正是為什麼燒成溫度那麼高。
在 1600 度 C 的氧化鋁中,氧的擴散係數遠小於鋁的,所以氧是那個緩慢、限速的移動者;知道它的 D,工程師就能估出某個受擴散控制的步驟在該溫度下需要數小時,而非數分鐘。
D(單位 m^2/s)評定某物種有多容易移動:它透過 sqrt(D times t) 決定原子在一次燒成中走多遠。
世上沒有一個材料「那個」擴散係數。D 專屬於某物種、某路徑、某溫度,甚至某缺陷化學(你在哪種氧壓或摻雜量下燒成)。永遠要問「誰的 D、沿哪條路、在什麼溫度」。