고체의 확산

확산은 물체가 물체를 통하여 이동하는 기구로 정의할 수 있습니다. 기체, 액체 및 고체 내의 원자들은 일정한 운동을 하며 주기적으로 이동합니다. 기체에서의 원자 이동은 상대적으로 빠르며, 요리 냄새나 연기 입자가 급속하게 이동하는 것에서 알 수 있는 바와 같습니다. 액체 내의 원자 이동을 일반적으로 기체보다 느리며, 물에서 염료의 이동이 그 증거입니다. 고체에서 원자 이동을 평형 위치로 결합되어 있기 때문에 제한적입니다. 그러나 고체에서 열진동이 일어나면 몇몇 원자는 이동할 수 있게 됩니다. 금속과 합금에서 원자의 확산이 특히 중요한데, 이는 대부분 고상 반응이 원자 운동을 포함하기 때문입니다. 고상 반응의 예로는 고용체로부터 2차상의 석출 및 냉간 가공된 금속의 재결정에서 핵생성과 새로운 결정의 성장이 있습니다. 결정격자에서 원자 확산의 주된 기구는 공공 혹은 치환형 기구, 그리고 침입형 기구 2가지가 있습니다. 만일 원자가 열 진동에 의해 충분한 활성화 에너지가 존재하고 원자가 이동하여 들어갈 수 있도록 격자에 공공 또는 다른 결정결함이 있다면 원자는 결정격자 내에서 한 원자 자리로부터 다른 원자 자리로 움직일 수 있습니다. 금속과 합금에서 공공은 평형결함이므로 항상 몇몇의 원자는 치환형 확산이 일어날 수 있습니다. 금속의 온도가 증가할수록 더 많은 공공이 존재하고 많은 열 에너지가 사용되어 반응속도는 고온일수록 더욱 빨라지게 됩니다. 공공 확산은 공공 옆에 있는 원자가 충분한 활성화 에너지를 가질 때, 이 원자가 공공 자리로 이동할 수 있어서 격자 내 원자의 자기확산에 기여합니다. 자기확산의 활성화 에너지는 공공을 형성하기 위한 활성화 에너지와 공공을 움직이기 위한 활성화 에너지의 합과 같습니다. 일반적으로 금속의 융점이 증가함에 따라 활성화 에너지 또한 증가합니다. 이러한 원인은 보다 높은 융점을 가진 금속은 원자 간에 보다 더 강한 결합 에너지를 가지는 경향이 있기 때문입니다. 자기확산 혹은 치환형 고상 확상 동안에 원자는 원자 간의 원래 결함을 끊고 새로운 결합으로 교체되어야 합니다. 이러한 과정은 공공이 존재하면 촉진되며, 이에 따라 더욱 낮은 활성화 에너지에서 일어날 수 있습니다. 합금에서 이러한 과정이 일어나게 하기 위해서는 한 종류의 원자가 다른 종류의 원자에 고용도가 있어야 합니다. 따라서 이 과정은 고용도 법칙에 의존합니다. 확산은 또한 고용체에서 공공 기구에 의해 일어날 수 있습니다. 원자 간의 원자 크기 차이와 결합 에너지 차이는 확산속도에 영향을 미칩니다. 결정격자 내의 원자의 침입형 확산은 원자가 기지 결정격자에서 어떤 원자도 영구적인 변위 없이 한 침입형 자리로부터 다른 이웃한 침입형 자리로 움직일 때 일어납니다. 침입형 기구가 작동되기 위해서는 확산원자의 크기가 기지 원자에 비해서 상대적으로 작아야 합니다. 수소, 산소, 질소 및 단소와 같이 작은 원자들은 몇몇 금속 결정격자에서 침입형으로 확산할 수 있습니다. 계에서 시간에 따라 용질 원자 농도가 변하지 않는 확산조건을 정상상태 조건이라 합니다. 이러한 유형의 확산은 반응하지 않는 기체가 금속 호일을 통하여 확산할 때 일어납니다. 예를 들어, 수소 기체가 팔라듐 호일을 통하여 확산될 때 수소 기체가 한쪽은 고압이고 다른 쪽이 저압일 경우에 정상상태 확산조건이 적용됩니다. 이러한 정상상태 확산조건은 Fick의 확산 제1법칙으로 정의됩니다. 확산계에서 용질과 용매 원자 사이에 화학적 상호반응이 일어나지 않는다면, 농도차가 발생하기 때문에 보다 높은 농도로부터 보다 낮은 농도로의 원자 순흐름이 일어날 것입니다. 이러한 형태의 계에서 원자의 유속은 확산도 또는 확산계수와 농도에 의해 정의될 수 있습니다. 여기서 확산계수값은 다음과 같은 변수에 의존합니다. 먼저 확산 기구의 종류, 즉 확산이 침입형인지 치환형인지에 따라 확산계수에 영향을 미칠 것입니다. 작은 원자는 더 큰 용매원자의 결정격자에서 침입형으로 확산할 수 있습니다. 다음으로 확산이 일어나는 온도는 확산계수값에 크게 영향을 미칩니다. 온도가 증가함에 따라 확산계수는 증가합니다. 다음으로 용매 격자의 결정구조 종류가 중요합니다. BCC 결정구조를 가진 고체의 확산계수는 FCC 결정구조를 가진 고체의 확산계수 보다 훨씬 큽니다. FCC 결정구조는 BCC 결정구조에 비해 원자 충진율이 크기 때문에 원자 사이의 원자 간 공간은 FCC 결정구조에서보다 BCC의 결정구조에서 더 넓습니다. 따라서 FCC 결정구조에서보다 BCC 결정구조에서 원자의 확산이 쉽게 일어날 수 있습니다. 또한, 고체 상태 확산 영역에 존재하는 결정결함의 종류도 중요합니다. 보다 개반된 구조가 되면 원자의 확산이 보다 빠르게 됩니다. 예를 들어, 금속과 세라믹스에서 결정립 기지에서보다 결정립계를 통한 확산이 좀 더 빠르게 일어납니다. 과잉 공공은 금속과 합금에서 확산 속도를 증가시킬 것입니다. 마지막으로 확산 화학종의 농도 또한 중요합니다. 확산하는 용질원자의 농도가 높을수록 확산 계수에 영향을 줄 것입니다. 앞서 말한 정상 상태 확산과 다르게 대부분의 경우 재료 내의 임의의 점에서 용질 원자 농도가 시간에 따라 변하는 비정상 상태 확산이 일어납니다. 예를 들어 표면을 강하게 하기 위해 강 캠축 표면 속으로 탄소가 확산해 들어간다면, 표면 하의 임의의 점에서 탄소 농도는 확산공정이 진행됨에 따라 시간과 같이 변할 것입니다. 확산계수가 시간에 무관한 비정상 상태 확산의 경우 Fick의 확산 제2법칙이 적용됩니다. 이 법칙은 조성의 변화속도가 확산계수에 농도 기울기의 변화속도를 곱한 것과 같음을 나타냅니다. 확산 시간이 증가함에 따라 임의의 점에서 용질 원자의 농도 또한 증가할 것입니다.