Массоперенос в твердых телах

Профессор  И.Е. Габис

 

Адсорбция и десорбция: процессы и уравнения кинетики, методы исследования

Адсорбированное состояние, физическая адсорбция и хемосорбция, физические причины адсорбции, положение адсорбата на поверхности. Примеры: металлы, простые и сложные газы. Адсорбция как процесс переноса из газовой фазы на поверхность твердого тела, десорбция, как обратный процесс. Взаимодействие молекул, атомов и ионов с поверхностью твердого тела. Вероятность адсорбции, коэффициент прилипания. Методы исследования адсорбции. Термодесорбционная спектроскопия, эксперимент, математика адсорбции и десорбции, методы определения кинетики и энергетики адсорбционно-десорбционных процессов, примеры. Другие методы: дифракция медленных электронов, молекулярные пучки, времяпролетный анализ и проч. «Нормальные» величины предэкспоненциальных множителей констант скоростей адсорбции и десорбции по теории переходного состояния.

 

Растворение и выход из раствора на поверхность.

Механизмы растворения, растворы внедрения и замещения. Скорости реакций, зависимость от степени покрытия. Равновесие раствор-адсорбент, изостеры сегрегации, определение теплоты сегрегации. Примеры: углерод, кислород.

Диффузия: механизмы и кинетика

Основные понятия, межузельный и вакансионный, транскристаллический и зернограничный механизмы диффузии. Движущие силы диффузии в гомогенной среде. Уравнение Онзагера, примеры диффузии водорода под воздействием градиента концентрации, механического напряжения и разности температур. Уравнения Фика, математика диффузии. «Нормальные» величины предэкспоненциального множителя коэффициента диффузии. Механизмы диффузии в металлах, полупроводниках и диэлектриках. Природа активационных барьеров для диффузионных перескоков, взаимодействие диффузанта с электронной подсистемой и упругая релаксация решетки. Изменение параметров решетки при внедрении диффузата. Влияние диффузанта на массоперенос: тип решетки, вид химической связи, электронная конфигурация. Методы исследования диффузии: радиографии, внутреннего трения, послойного травления и проч. - описание экспериментов. Метод проницаемости: эксперимент и определение коэффициента диффузии в классическом диффузанте.

 

Краевые задачи диффузионного массопереноса

Диффузия в дефектных средах. Различные модели диффузионного переноса: диффузия, сопровождаемая химической реакцией, обратимым захватом, по параллельным каналам. Граничные задачи. Форма кинетических кривых. Физические представления о процессах и явлениях, сопровождающих диффузию, типы ловушек и каналов переноса (вакансии, дислокации, примеси, собственные междоузельные атомы, границы зерен). Динамические граничные условия.

Взаимное влияние различных стадий массопереноса

Интегральный массоперенос, параллельные и последовательные процессы, понятие лимитирующего процесса. Влияние скорости адсорбции на проникновение водорода, определение коэффициента прилипания из экспериментов по проникновению.

 

Метод концентрационных импульсов и другие методы параметрической идентификации моделей

Метод концентрационных волн. Первые применения, амплитудночастотные и фазочастотные характеристики. Решение для классической диффузии, предельные случаи больших и малых частот, амплитудная и фазовая характеристики. Диффузия с обратимым захватом, уменьшение влияния роли ловушек при увеличении частоты. Метод концентрационных импульсов. Эксперимент, банк моделей, дискриминация моделей и определение констант скоростей процессов переноса.

 

Гидриды металлов, основные понятия, типы химической связи

Понятие о гидридах металлов, фаза раствора и гидрида, равновесие фаз, фазовая диаграмма, изотермы сорбции и десорбции. Гидриды с металлическим и ионно-ковалентным типом связи, примеры.

 

Кинетика поглощения и выделения водорода гидридами металлов

Процессы на границе раздела фаз раствора и гидрида, уравнение типа Стефана для движущейся границы, общая краевая задача. Анализ влияния на скорость сорбции-десорбции водорода гидридами металлов следующих факторов: типа химической связи, скорости адсорбции и десорбции, диффузии, формирования и разложения гидрида, образования зародышей новой фазы. Случай «быстрой» диффузии, вырожденные задачи.

 

Список обязательной литературы

1. Трепнелл Б. Хемосорбция./М.,И.Л.,1958.- 327с.

2. Зенгуил Э. Физика поверхности: Пер. с англ./ М.:Мир, 1990. - 535с.

3.  Фаст Дж.Д. Взаимодействие металлов с газами. т. 2 /М., Металлургия, 1975.- 352 с.

4.  Водород в металлах. Т.1./Под ред. Г.Алефельда и И.Фелькля. М., Мир, 1981.- 506с.

5. Взаимодействие водорода с металлами. /Под ред. А. П. Захарова, М.: Наука, 1987. - 296с.

 

Список дополнительной литературы

1.  Фромм Е., Гербгхардт Е. Газы и углерод в металлах. /М., Металлургия, 1980.- 712с.

2. Жданов В.П., Павличек Я., Кнор З. //"Нормальные" предэкспоненциальные факторы для элементарных физико-химических процессов на поверхности. Поверхность, 1987, вып.12, с.26-30.