6. 확 산 제1절 확산이란? 제2절 확산 메카니즘 제3절 정상 상태 확산 제4절 비정상 상태 확산 제5절 확산에 영향을 주는 인자 - 1 - ◈ 6.1 서론 ․확산의 구동력은 농도구배이다. 우아한 표현 ▶ chemical potential difference ․구리와 니켈의 예로 설명 : 구리와 니켈을 접합한 후 높은 온도에서 장기간 가열하 였다가 상온까지 냉각하였다. 한 금속의 원자가 다른 금속으로 확산하는 이 같은 과정을 상호확산 또는 불순물 확산이라고 부르고 있다. ◈ 6.2 확산 메카니즘 ․원자의 관점에서 보면 확산은 격자 자리에서 격자 자리로 원자의 단계적 이동을 의미한다. 고체 재료에서 원자가 이동을 하기 위해서는 다음 두 조건이 만족되어야 한다. [1] 비어있는 인접 원자가 있어야 한다. [2] 원자는 이웃 원자들과 결합을 끓고 이 동하는 동안 일부 격자의 일그러짐을 극복하는데 충분한 에너지를 가져야 한다. ● 공공확산 [확산 속도 느림] ․상당한 농도의 공공이 고온의 금속에 있을 수 있는데, 확산 원자와 공공이 위치를 교환하기 때문에 한 방향으로의 원자확산은 그 반대 방향으로의 공공이동에 상응 한다. ● 침입형 확산 [확산 속도 빠름] ․침입형 위치를 이용한 확산이며, 수소, 탄소, 질소등 작은 원자에서 발견됨 - 3 - ◈ 6.3 정상 상태 확산 - 확산 말기 ․확산은 시간에 의존하는 과정이며, 확산선속(diffusion flux)은 단위 시간당 고체의 단위면적에 수직으로 확산 통과되는 물질 M으로 정리한다. (kg/m2s or atoms/m2 s) - 4 - ․만약 확산선속이 시간에 따라 변하지 않는다면 정상상태이다. 예를들면 금속판의 양면에 확산물질의 농도가 일정하게 유지되고 있을 때 그 판을 통과하는 기체의 확산이다. 특정지점의 농도기울기(구동력)는 다음과 같고 정상상태에서는 선형으로 표시될 수 있다. ․물질에 따라 확산선속이 다르므로 확산계수를 도입한다. 단위는 m /s 음의 부호는 2 확산 방향이 높은 농도에서 낮은 농도, 즉 농도 기울기가 낮아지는 방향으로 진행 되고 있음을 뜻한다. 이 식을 Fick's first law라고 부른다. - 5 - ◈ 6.4 비정상 상태 확산 - 확산초기 ․고체의 어떤 특징 위치에서 확산선속과 농도 기울기가 시간에 따라 변하며, 결과적 으로 확산물질의 순축적 또는 순소모가 수반된다. ․비정상 상태에서는 Fick's second law로 알려진 편미분 방정식이 사용된다. ․확산 풀이시 중요 가정 ․욜씸히 풀면 ․합금에서 용질의 특정 농도 C1을 얻고자 한다면 식은 다음과 같다. - 6 - 오른쪽 항은 일정하며 결과적으로 다음과 같다. - 7 - - 8 - - 9 - - 10 - ◈ 6.5 확산에 영향을 주는 인자 ● 확산물질 ․자기확산(self diffusion coefficient: Do), 트레이서 확산(D*), 화학확산계수(일반적인 상호확산계수 Dchem)의 의미를 정확히 이해가 필요함 ․자기확산은 일반적으로 공공 메카니즘에 의해서 계산되며, 도 가능하다. ● 온도 ․온도는 확산계수와 확산속도에 가장 중요한 영향을 미친다. - 11 - 화학확산계수는 침입형 - 12 - - 13 - - 14 -