固態擴散

固體擴散描述固體中原子、離子或電子的移動。 與氣體或液體擴散相比，它的速度極為緩慢 - 這是原子層級最緩慢的質量傳輸形式。 然而，它在許多工業和技術過程中扮演著決定性的角色。

固體擴散特別用於粉末冶金或工程陶瓷等領域。 在此，微細分散的外來材料 - 金屬、氧化物或碳化物 - 在高壓下壓實，然後燒結。 在燒結過程中，顆粒會在晶界或透過晶格穿透鄰近的顆粒。 這就形成了具有定制特性的致密固體複合材料。

技術利用的另一個例子是半導體元件的製造。 在微電子中，摻雜物（如硼、磷）是透過固態擴散特別引入矽晶體中，以產生特定的電氣特性。

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然而，固體擴散不僅是一種有用的效應，也可能導致問題。 一個著名的例子就是氫脆現象：純氫可以長時間擴散到鋼或鈦等金屬中。 這會導致材料微觀結構的變化，進而造成脆化或材料失效。 這個問題與管道、高壓罐、閥門和氫技術元件特別相關。

固態擴散的進一步範例：

• 防腐與熱擴散：鋁、鉻或鋅等擴散元素可用於鋼材的塗層。
• 擴散接合：兩個金屬表面在溫度和壓力下接合在一起而不會熔化 - 接合點僅由原子交換產生。
• 鋰離子電池： 在充放電過程中，鋰離子會透過固態電極結構擴散。
• 玻璃或陶瓷著色：在燒製過程中，離子（如鈷、銅、鐵）會擴散到固體基礎中，形成色調。

固體擴散可由熱能（溫度）或化學（濃度梯度）控制。 它通常是不可逆的，並在很大程度上取決於晶體結構、結合力和溫度。