پدیده انتشار: تفاوت میان نسخه‌ها
محتوای حذف‌شده محتوای افزوده‌شده
جزبدون خلاصۀ ویرایش |
اضافه شدن بخش نفوذ در جامدات،مکانیزم های نفوذ،عوامل موثر بر نفوذ،قوانین فیک برچسب‌ها: برخی خطوط با فاصله آغاز شده‌اند افزودن پیوند بیرونی به جای ویکی‌پیوند ویرایشگر دیداری |
||
خط ۱:
[[پرونده:Diffusion.svg|thumb|پدیده پخش مولکولی.]]'''نفوذ''' یا '''پخش مولکولی''' یا '''واپخش''' یا دیفیوژن {{انگلیسی|Diffusion}} به معنی جابجایی جرم در اثر انتقال اتم هاست یا به قولی دیگر عبارت است از پدیده جابجایی ماده در انتقال اتمی.<ref name=":0" />
هم چنین می توان گفت پدیده‌ای است که پخش ناشی از حرکت اتفاقی مولکولها از غلظت بیشتر به غلظتهای پایین را توصیف میکند. همچنین این پدیده در جانداران در تبادل مواد و املاح، بین سلول‌ها و خون در گردش نقش اساسی دارد.
به طور کلی دو نوع نفوذ وجود دارد.نفوذ در سیالات(مایعات و گاز ها) که بر اساس حرکت تصادفی براونین اتفاق می افتد و نفوذ در جامدات که بر اساس اتفاقات دیگری اتفاق می افتد.<ref name=":0" />
حرکت براونین حرکت تصادفی ذرات متعلق به یک سیال(یک گاز یا یک مایع) از برخورد سریع اتم ها و مولکول هایشان در سیال گفته شده حاصل می شود.<ref name=":0">Material Science and Engineering, William D. Callister, JR and David G. Rethwisch, 9th Edition, Chapter 5, Page 140,141,English</ref>
کلیهٔ [[مولکول]]ها و [[یون]]های موجود در مایعات [[بدن]] در حال حرکت دائم هستند و هر ذره به راه جداگانهٔ خود می‌رود. وقتی یک مولکول به مولکول دیگری نزدیک میشود، نیروهای الکتروستاتیکی و بین هسته‌ای مولکول اول مولکول دوم را دفع میکند و مقداری از انرژی حرکتی خود را به مولکول دوم می‌دهد که باعث میشود مولکول دوم مقداری [[انرژی جنبشی]] بدست آورد درحایکه مولکول اول آهسته‌تر و در جهتی متفاوت با مسیر اول یه حرکت میکند. یک مولکول موجود در محلول در هر ثانیه میلیون‌ها بار این عمل را انجام می‌دهد. این حرکت مداوم را '''دیفوزیون''' یا ''انتشار'' می‌گویند.<ref>{{پک|پروفسور آرتور گایتون|۱۹۸۶|ک=فیزیولوژی پزشکی، جلد اول|ص= 213 تا ۲۲۲}}</ref>
== نفوذ در جامدات ==
نفوذ در جامدات بر اساس حرکات اتم های عناصر در یکدیگر اتفاق می افتد. در ابعاد اتمی، نفوذ تشبیهی به مهاجرت و جابجایی اتمها از مکانی در شبکه بلور به مکانی دیگر است. این حرکت دائماً در حال انجام است.<ref name=":0">Material Science and Engineering, William D. Callister, JR and David G. Rethwisch, 9th Edition, Chapter 5, Page 140,141,English</ref>
مانند برخی از مسائل فیزیکی مانند تبخیر سطحی یا جنبش مولکولی، کسری از اتم ها قادر به نفوذ می باشند که البته با افزایش دما که منجر به افزایش انرژی جنبشی می شود و افزایش فشار این کسر بزرگتر می شود.
به عنوان مثال اگر دو قطعه مسی و نیکلی(نیکل و مس کاملا در یکدیگر قابلیت انحلال دارند و حدی برای قابلیت انحلال قائل نیستیم) کاملاً در تماس با یکدیگر قرار گیرند، در لحظه ی اول طبق نمودار تا قبل از فصل مشترک غلطت غلظت مس 100% و غلظت نیکل 0 % است.اگر زمان به اندازه کافی به این دو قطعه بدهیم و مدت کافی حرارت داده و سپس خنک کنبم، بعد از مدت خاصی در فصل مشترک، نفوذ اتفاق می افتد.در نمودار غلظت نیز غلظت، ناگهانی تغییر نمی کند و مقداری از نیکل در قطعه مس نفوذ کرده است و بالعکس. در دو انتهای میله مس و نیکل خالص و در منطقه وسط آلیاژی از هر دو میباشد.<ref name=":0">Material Science and Engineering, William D. Callister, JR and David G. Rethwisch, 9th Edition, Chapter 5, Page 142,English</ref>
====== '''کاربرد :[[جوشکاری نفوذی]]''' ======
[[پرونده:Output wR3TGn.gif|بندانگشتی|فرآیند جوشکاری نفوذی در ابعاد میکروسکوپی]]
مثلا در شکل روبرو یک قطعه ای ساخته شده از مس و فولاد ضد زنگ که در دما و فشار بالا قرار می گیرد.سطح دو ماده کاملا تمیز و آینه ای شده است و رو بروی هم قرار داده شده است و در هم نفوذ پیدا کرده اند و در واقع جوش خورده اند.
در شکل روبرو فرآیند نفوذ در ابعاد میکروسکوپی نمایش داده شده است.
[[پرونده:Diffusion welding animation.gif|بندانگشتی|فرآیند جوشکاری نفوذی در ابعاد میکروسکوپی]]
حرکت اتم ها با دینامیک مولکولی نیز قابل شبیه سازی است.
با فرآیند نفوذ می توان مواد نا همگن را به مواد همگن تبدیل کرد.
جهت فعال کردن مکانیزم های نفوذ باید دما بالاتر از حد معینی باشد تا بر موانع انرژی غلبه شود.
=== مکانیزم های نفوذ ===
==== مکانیزم جای خالی(Vacancy) ====
در این مکانیزم یک اتم قصد دارد از فاصله ی تعادلی خود خارج شده و در جای دیگری بنشیند. بنابراین باید از یک سد انرژی عبور کند. زیرا در حین جابجایی اتم اندازه ی آن اتم از دیگر اتم ها تغییر می کند و دیگر آن اندازه ی تعادلی سابق نیست. نیروهایی از طرف دیگر اتم ها به آن وارد می شود. نرخ این جانشینی ها به تعداد جای خالی ها و انرژی مورد نیاز برای جابجایی وابسته است که تعداد این جای خالی ها به دما بستگی دارد. هرچه دما بالاتر برود، چگالی های این جای خالی ها بیشتر می شود.<ref name=":0">Material Science and Engineering, William D. Callister, JR and David G. Rethwisch, 9th Edition, Chapter 5, Page 142,English</ref>
یک اتم جانشین در بلور معمولاً پیرامون موقعیتی خاص نوسان می کند و توسط اتم های همسایه که در موقعیت های همانندی قرار گرفته اند،در بر گرفته شده است. میانگین انرژی ارتعاشی هر اتم نزدیک به 3kT است که متناسب با دمای مطلق افزایش می یابد.از آنجا که فرکانس متوسط ارتعاش تقریباً مقداری ثابت است، انرژی ارتعاشی ی=با افزایش دامنه، افزایش می یابد.حرمت یک ام جانشین را معمولاٍ اتم های همسایه آن محدود میکندو اتم نمیتواند به موقعیت های دیگری حرکت کند. به هر حال اگر یکی از موقعیت های اتمی مجاور هالی باشدد، امکان پرش بر اثر یک نوسان بسیار شدید به محل خالی وجود دارد.
برای فعال کردن این نوع مکانیزم دو نوع عنصر باید ویژگی هایی داشته باشند. مانند: باید سایز هایشان با هم قابل مقایسه باشد.
[[پرونده:Vacancy diffusion.gif|بندانگشتی|مکانیزم جای خالی]]
یکی از مدل های این مکانیزم، "نفوذ خودی" یا "نفوذ در خود"(Self-Diffusion) است.به این معنی که اتم های خود ماده در همان ماده جابجا می شوند.با افزایش و کاهش دما، این اتم ها قابلیت جابجایی دارند.عامل انجام این اتم ها در اینگونه حرکات، جای خالی ها (Vacancy) هستند.
از منظر ماکروسکوپی، قابلیت تشخیص نفوذ با تغییر غلظت وجود دارد.
==== مکانیزم بین نشینی'''(Interstitial)''' ====
این نوع مکانیزم بیشتر در حالتی رخ می دهد که یکی از عناصر اتم های کوچکتری نسبت به دیگر عنصر داشته باشد.بنابراین لازم نیست که اتمی که می خواهد نفوذ کند، تک تک جای خالی ها را بپیماید تا به نقطه ای دیگر در بلور برسد، بلکه با حرکت از بین اتم های بزرگتر در بلور جابجا می شود.<ref name=":0">Material Science and Engineering, William D. Callister, JR and David G. Rethwisch, 9th Edition, Chapter 5, Page 143,English</ref>
[[پرونده:Surface diffusion hopping.gif|بندانگشتی|مکانیزم بین نشینی]]
بنابراین سرعت نفوذ در این مکانیزم بیشتر است چون برای مثال برای پیمودن فاصله ای معین، در مکانیزم جای خالی باید تک تک جای خالی ها پیموده شود و به ازای هر جای خالی، باید اتم نفوذ کننده از سد های انرژی بگذرد ولی در مکانیزم بین نشینی،با حرکت اتم نفوذ ننده از بین اتم های دیگر، این فرایند سریع تر اتفاق می افتد.<ref name=":0">Material Science and Engineering, William D. Callister, JR and David G. Rethwisch, 9th Edition, Chapter 5, Page 143,English</ref>
موقعیت های بین نشینی در شبکه FCC وسط لبه ها یا اضلاع مکعب یا در وسط واحد شبکه واقع شده است.این محل ها به موقعیت های ''8 وجهی'' شناخته می شوند.زیرا در پیرامون هر محل یا موقعیت، شش اتم وجود دارد که یک 8 وجهی را به وجود می آورد. در شبکه BCC اتم های بین نشینی در فضا های 8 وجهی قرار می گیرند که محل آنها در وسط لبه ها یا وسط وجوه مکعب است.
مثال برای این نوع مکانیزم، نفوذ کربن در آهن است.
===== کابرد =====
====== سخت کاری سطحی(Case Hardening) ======
[[پرونده:Flame hardened sprocket.jpg|بندانگشتی|برشی مقطعی از داخل قطعه ی سختی کاری سطحی شده]]
در فرآیند سخت کاری سطحی، روی سطح قطعات مختلف فلزی(معمولاً استیل) با با نفوذ کربن سخت می کنند در حالی که مغز قطعه، همان ماده ی اولیه است و سخت نشده است و نرم است.در شکل روبرو یک چرخ دنده را نشان می ده که برش مقطعی خورده است و همان طور که مشاهده می شود، سطح خارجی و نزدیک آن سخت کاری شده است.<ref>https://en.wikipedia.org/wiki/Diffusion_welding</ref>هم چنین شفت های آهنی را از این طریق، سخت کاری می کنند.در زمان های قدیم نیز از این روش استغاده می شده است. بدین صورت که با قرار دادن شمشیر گداخته در ذغال و حرارت دادن آنها، کربن را در شمشیر نفوذ می دادند. شعله ای که ایجاد می شده، شعله ی احیایی بوده است.
[[پرونده:GearDiagram.jpg|بندانگشتی|بخش های نزدیک سطح که تیره تر هستند، سختی کاری سحطی شده اند و سخت شده اند ولی مرکز آن نرم است و کربن به آن نفوذ نکرده است.]]
هرچه دما و زمان بیشتر باشد، کربن بیشتر نفوذ می کند و غلظت آن بالاتر می رود.کربن نفوذ داده شده باعث افزایش سختی می شود و قطعه ترد می شود و شکل پذیری آن پایین می آید. برای انجام این فرآیند، یک محیط شیمیایی آماده می شود تا کربن تا درصد خاصی، در آهن نفوذ کند.
====== چیپ های الکترونیکی ======
برای ساخت چیپ های الکترونیکی، ترانزیستور های n و p را کنار یکدیگر قرار می دهند. و ترانزیستور های n و p با نفوذ دادن یک اتمی که نسبت به اتم پایه، یک الکترون کمتر یا بیشتر دارد، تولید می شود.
برای مثال برای تولید ترانزیستور n، اتم فسفر را روی سطح سیلیکون می نشانند و با اعمال حرارت و دمای کافی، اتم فسفر به لایه های سیلیکون نفوذ می کند.
====== TSVs ======
IC های جدید به جای اینکه یک طبقه ساخته شوند، چند طبقه و چند لایه ساخته می شوند و این لایه ها با پل هایی از جنس مس به هم متصل شده اند. وقتی این آی سی ها در حال استفاده هستند، وقتی دمای آنها بالا می رود، مس در لایه های سیلیکونی نفوذ می کند و باعث میشود که ساختار هر لایه به هم بریزد و آن مدار از بین می رود. برای جلوگیری از این نفوذ نا خواسته، یک پوششی نازک روی مس می نشانند که نقش مانع و سد را دارد و ضریب نفوذ این سد فوق العاده پایین است و اجازه نمی دهد که مس به لایه های سیلیکونی نفوذ کند.
==== مکانیزم میان نهاده ای (Interstitialcy and Crowdion Mechanisms) ====
دانستیم که اتم هایی که در ماده ای دیگر حل می شوند، بسیار کوچک تر از اتم های میزبان هستند. اما اگر اتمی نسبتاً بزرگ رد موقعیتهای بین نشینی قرار گیرد چه اتفاقی می افتد؟<ref>Diffusion In Solids,Paul Shewmon, 2nd Edition,Chapter 2, Page 55,56</ref>
اگر این اتم بخواهد از یک موقعیت بین نشینی به یک موقعیت بین نشینی دیگر در همسایگی اش پرش کند، اعوجاج و تنش بسیار بزرگی ایجاد خواهد شد.پرشی که به ایجاد اعوجاج شدید منجر شود به ندرت اتفاق می افتد.<ref>Diffusion In Solids,Paul Shewmon, 2nd Edition,Chapter 2, Page 55,56</ref>
[[پرونده:Atomic exchange diffusion.gif|بندانگشتی|مکانیزم میان نهاده ای]]
مکانیزم میان نهاده ای زمانی فعال می شود که اتمی که در موقعیت بین نشینی قرار گرفته است،نزدیک ترین اتمی را که در شبکه ی بلور قرار گرفته است را به سمت یک موقعیت بین نشینی هل دهد و خودش جای آن را بگیرد.اعوجاج ایجاد شده در این مکانیزم بسیار اندک است به همین دلیل نسبتاً به آسانی اتفاق می افتد.<ref>Diffusion In Solids,Paul Shewmon, 2nd Edition,Chapter 2, Page 55,56</ref>
مکانیزم کرودیون زمانی فعال می شود که اتمی در صفحات و جهات چگال (close-packed) قرار گرفته باشد.بدین سان اتم های زیادی از مکان تعادلی خود خارج می شوند. این آرایش شبیه یک نابجایی لبه است که میتواند در راستای یک خط پخش شود یا حرکت کند. اما فقط در یک جهت می تواند حرکت کند و انرژی آن نیز بسیار اندک است.<ref>Diffusion In Solids,Paul Shewmon, 2nd Edition,Chapter 2, Page 55,56</ref>
=== [[قانون نفوذ فیک|قوانین فیک]] ===
==== قانون اول فیک ====
نفوذ یک فرآیند وابسطه به زمان است که در ابعاد ماکروسکوپی، مقدار ماده ی جابجا شده در دیگر ماده است.معمولاً لازم است که نرخ امجام شدن نفوذ را بدانیم. این نرخ غالباً به عنوان شار شناخته می شود که عبارت است از مقدار جرمی(یا مول) که نفوذ میکند بر واحد سطح در زمان. واحد شار مول بر سانتی متر مربع ثانیه یا کیلوگرم بر متر مربع ثانیه است. <ref name=":0">Material Science and Engineering, William D. Callister, JR and David G. Rethwisch, 9th Edition, Chapter 5, Page 143,English</ref>
A سطح مقطع و t زمان است.
برای این منظور یک غشا می سازیم و در یک سمت یک غلظت و در سمت دیگر،غلظتی دیگر قرار می دهیم و در واحد سطح، جرمی که عبور کرده است را بر واحد زمان اندازه میگیریم و شیب آن همان شاری است که اتم ها عبور کرده اند و نفوذ کرده اند.
روابط ریاضی برای ''نفوذ یکنواخت(steady-status diffusion) در یک جهت'' نسبتاً ساده است. بدین معنی که مقدار غلظت در دو محیط تغییر نکند.قانون اول فیک بیان ریاضی این پدیده است که بیان می کند شار وابسته است به شیب غلظت.شیب غلطت، dC بر dx است.
علامت منفی به این معنی است که نفوذ از سمت با غلظت بیشتر به سمت با غلظت کمتر است. اگر نرخ تغییرات غلظت خطی باشد<ref name=":0">Material Science and Engineering, William D. Callister, JR and David G. Rethwisch, 9th Edition, Chapter 5, Page 143,English</ref>
داریم:
در این رابطه زمان نادیده گرفته شده است.این بدان معنی خواهد بود که اگر دو غلظت متفاوت در کنار یکدیگر اگر یک دقیقه یا یک سال باشند، شار یکسان خواهد بود که در اکثر موارد صحیح نیست.
D ''[[ضریب نفوذ]]'' است و واحد آن متر مربع بر ثانیه است. ضریب نفوذ برای مواد متخلف اندازه گیری شده است.
==== قانون دوم فیک ====
اکثر فرآیند های عملی نفوذ، یکنواخت نیستند. یعنی شار نفوذ و شیب غلظت در نقاط مختلف با زمان و با تجمع یا تقلیل نتایج گونه ی نفوذی تغییر می کند(Non-steady status هستند).<ref name=":0">Material Science and Engineering, William D. Callister, JR and David G. Rethwisch, 9th Edition, Chapter 5, Page 144,English</ref>
قانون دوم فیک برابر است با
طبق این قانون در لطظه ی اول نمودار غلظت-مکان، مانند قانون اول یک خط است و با گذشت زمان این خط خمیده می شود و شیب آن و میزان تقعر آن تغییر می کند.<ref name=":0">Material Science and Engineering, William D. Callister, JR and David G. Rethwisch, 9th Edition, Chapter 5, Page 144,English</ref>
یکی از محلول های تقرییبا مهم یک جامد نیمه نامتناهی است که غلظت سطح در آن ثابت نگه داشته شده است.به عنوان مثال یک میله داریم که تعدادی اتم قبلاً در آن نقوذ داده شده اند و به طور همگن نیز پخش شده اند.یعنی در لحظه ی t=0 غلظت اولیه ی در تمام میله وجود دارد و غلظت خارجی رو ی سطح نیز می باشد.
با گذر زمان در نقطه ی x=0، غلظت برابر با خواهد بود ولی در دیگر نقاط تغییر خواهد کرد. برای بقیه نقاط می توان از روابط زیر استفاده کرد:
تابع (erf(z تابع خطا است.
=== عوامل موثر بر نفوذ ===
==== گونه ی نفوذی ====
بزرگی ضریب نفوذ نشاندهنده نرخ نفوذ اتم هاست.عنصر نفوذی و عنصر میزبان، بر ضریب نفوذ اثر می گذارند.به عنوان مثال تفاوت زیادی میان ضریب نفوذ نفوذ خود در خود آهن و بین نشینی کربن در آهن وجود دارد.این تفاوت هم چنین اختلاف بین نرخ نفوذ با مکانیزم های بین نشینی و جای خالی را ایجاد می کند، همانطور که قبلاً توضیح داده شده بود. قابل ذکر است که نفوذ خود در خود از مکانیزم جای خالی و نفوذ کربن درآهن از مکانیزم بین نشینی استفاده می کند.<ref name=":0">Material Science and Engineering, William D. Callister, JR and David G. Rethwisch, 9th Edition, Chapter 5, Page 149,English</ref>
==== دما ====
دما تاثیر بسیاری روی ضرایب و نرخ نفوذ دارد. به عنوان مثال نرخ نفوذ نفوذ خود در خود آهن در آهن آلفا با افزایش دما از 500 درجه سانتی گراد به 900 درجه سانتی گراد، تقریباً 6 برابر می شود.<ref name=":0">Material Science and Engineering, William D. Callister, JR and David G. Rethwisch, 9th Edition, Chapter 5, Page 149,English</ref>
دما بر ضریب نفوذ تاثیر می گذارد:
D ضریب نفوذ پایه ی مستقل از دماست.
Qv انرژی فعالسازی نفوذ است.
Rثابت جهانی گازهاست.
Tدمای مطلق است.
از معادله ی دوم نتیجه می شود که ضریب نفوذ متغییری خطی از دماست.
از نمودار مقابل می توان نتیجه گرفت که ضریب نفوذ بین نشینی بیشتر از ضریب نفوذ جانشینی یا خود در خود است.
== قانون پخش مولکولی گراهام ==
سطر ۱۶ ⟵ ۱۴۹:
دیفوزیون تسهیل شده{{انگلیسی|Facilitated}} به واسطهٔ مادهٔ حامل نیز نامیده میشود. زیرا ماده‌ای که به این روش انتقال می‌یابد معمولاً نمیتواند بدون اینکه یک [[پروتئین]] حامل اختصاصی به آن کمک کند از غشا بگذرد یعنی حامل دیفوزیون آن ماده را به طرف دیگر غشا تسهیل میکند.
== جستارهای وابسته ==
* [[خودپخشی]]
سطر ۲۶ ⟵ ۱۵۶:
* [[اثر کرکندال]]
==
{{پانویس}}
==منابع==
{{چپ‌چین}}
*Diffusion In Solids,Paul Shewmon, 2nd Edition
*Material Science and Engineering, William D. Callister, JR and David G. Rethwisch, Englisch, 2014
*https://en.wikipedia.org/wiki/Diffusion_welding
*https://en.wikipedia.org/wiki/Diffusion
*https://en.wikipedia.org/wiki/Surface_diffusion
*http://research.iaun.ac.ir
*http://iran-mavad.com/%D9%BE%D8%AF%DB%8C%D8%AF%D9%87-%D9%86%D9%81%D9%88%D8%B0-diffusion.html
* Porter, D.A. , Easterling, K.E. , ''Phase Transformations in Metals and alloys'', CRC Press- 1992
{{پایان چپ‌چین}}
| |||