2.10 气体在固体中的扩散
固体中所溶解的气体,可以由浓度大的区域向浓度小的区域迁移,这种迁移现象与气体扩散现象相似,称为气体在固体中的扩散。扩散时所产生的气体流量正比于给定方向的气体浓度梯度。流量的大小可以由菲克定律来确定,即
(2-67)
式中 q——以气体分子或原子个数表示的气体流量,(cm2·s)-1;
D——扩散系数,cm2/s;
——以气体分子或原子个数表示的浓度梯度,(cm3/cm)-1;
负号——流量方向与浓度梯度方向相反。
扩散系数是温度的指数函数,即
(2-68)
式中 ED——扩散活化能,kcal/mol;
R——普适气体常数,kcal/(mol·K);
Ts——固体温度,K;
D0——系数,其值为Ts趋向无穷时的扩散系数。
扩散活化能ED和系数D0一般均为常数,与气体和固体的性质有关。ED值以气体粒子克服进到材料中的阻力所需要的能量来表示。在一定的温度下,这个能值越小,扩散越激烈。例如,氢在玻璃中的扩散活化能ED比氦大两倍,而氮和氧比氦大六倍。由此可见,氦比氢容易扩散,氢又较氮和氧容易扩散。因而,在玻璃超高真空系统中,最终压力中的氢和氦的分压较高。氢在铁、镍中的扩散比在不锈钢中好,氧在铁中的扩散比氢差。为防止氢的渗漏,金属超高真空系统均利用不锈钢制造。
图2-12给出了气体在金属和玻璃中的扩散系数与温度的关系。氢在金属中的扩散比其他双原子气体好,特别值得提出的是氢在钯中的扩散很有趣,在第一温度下,扩散相当强烈。可以利用这种特性制成氢-钯检漏器。
图2-12 扩散系数与温度的关系
气体在金属中:1—H2→W;2—H2→Mo;3—H2→Pd;4—H2→Ni;5—H2→Cu;6—O2→Ni;7—N2→Fe;8—O2→Ti;9—H2→Fe;10—O2→Cu
气体在玻璃中:11—H2→SiO2;12—H2→玻璃12;13—H2→玻璃13;14—H2→玻璃14;15—H2→玻璃15;16—H2→玻璃16;17—H2→玻璃17
表2-21给出了氮在熔融石英(100%SiO2)中扩散时的ED和D0值。
表2-21 氮在熔融石英中扩散的ED和D0值
注:1cal=4.2J。
表2-22为气体在玻璃中扩散时的ED值。
表2-22 气体在玻璃中扩散的ED值(室温下)
表2-23为气体在金属中扩散时的ED和D0值。
表2-23 气体在金属中扩散的ED和D0值