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纳米结构材料的扩散和掺杂

机械产生的位移能够实现均质化

 

这篇文章探讨了搅拌器如何通过扩散改变粉状材料的问题。这些粉末可以是干燥的、潮湿的或悬浮的。amixon® 工艺设备专为高压和高温而设计,从而促进扩散。

在动态工作的混合机中,物质通过搅拌工具的流动和剪切实现均质化。混合任务的难度因混合物质的类型和流动性而不同。无死角地混合纳米分散的散装物料是具有挑战性的,因为其流变特性类似于粘性的湿物料。

扩散会平衡浓度差异。

虽然气体在一个封闭的容器中看似静止,但气体分子之间会进行微小的锯齿状运动,并激发其邻近的气体分子。这种锯齿状运动和动量交换的强度取决于现有的温度。这些分子的微观运动只有在气体被冷却到绝对零度,即零下273.15摄氏度时才会停止。

 

当气体具有不同的密度或温度,并且被置于同一个容器内时,它们会自发地实现均匀分布。气体分子之间会进行相互扩散,这一过程得益于气体扩散的高效率。扩散本质上是一种质量传递现象,它有助于平衡密度、温度和压力等浓度差异。

对于液体而言,不同密度的液体也会通过扩散作用自发地混合,但这一均匀化过程相较于气体来说要缓慢得多。

至于固体,当它们相互扩散时,所需的时间会更加漫长。

扩散速度

阿道夫·菲克,一位德国生理学家(1829-1921),用两个公式描述了物质材料的扩散。他们指出,扩散流量与浓度差成正比,但与浓度梯度的方向相反。

 

在专业文献中,扩散流密度通常用字母J表示。在符合国际单位制的表示中,扩散流密度以(kg/(m²*s))为单位测量。但“每平方米每秒摩尔数”(mol/(m²*s))的表示也很常见。

(1)       J = -D * (ΔC/Δx)    

 

其中

J:   扩散流(每单位面积和时间的质量或分子数)

D:   物质在材料中的扩散系数(m²/s)

ΔC:   物质的浓度差 ΔC/Δx:   浓度梯度

 

第二定律考虑到,由于浓度的空间分布,扩散系数和浓度梯度都会随时间变化。

(2)       ∂C/∂t = D * ∇²C

其中

∂C/∂t:   浓度的时间变化

∇²c:   浓度的空间变化的拉普拉斯算子

 

扩散系数D也可以计算出来。

D = D0 * e (-Q/(R * T))

其中

D0:  扩散常数 [m²/s] 是一种材料特定的常数

Q:   活化能 [kg * m2/s-2]

R:   通用气体常数 [J/(kg * K)]

T:   温度 [K]

 

固体扩散过程中的传质速度非常缓慢:气体的扩散系数大约为10-5 m2/s,液体为10-10 m2/s,固体为10-20  m2/s。

技术陶瓷和粉末冶金中的高效扩散形式

扩散在粉末冶金中起着重要作用,当异质物质以细分散形式被压制成型时,这种情况下称为“机械合金”。

 

在相界、晶界和组织表面发生所谓的异质扩散。原子团从高势能区域缓慢迁移到低势能区域。参与的组织颗粒越小,彼此压得越紧密,这些过程就越强烈。

扩散可以通过将异质原子引入受扰的晶格结构中,成为高性能材料掺杂的合适方法。当浓度梯度以纳米级粉末形式相遇时,扩散特别强烈。尤其是在相界和晶界处情况尤为明显。

 

特别显著的扩散现象发生在:

  1. 物质以纳米细分散形式存在时。

  2. 存在尽可能大的浓度梯度时。

  3. 工艺温度高时。

  4. 高浓度的颗粒/粒子尽可能频繁地与低浓度的颗粒/粒子相遇时。

  5. 颗粒紧密相互滑动而不被气相包围时。

纳米级粉末中的加速扩散过程。

纳米级粉末中的加速扩散过程。大的比表面积具有大量的晶界和相界。

在amixon®反应器中加速扩散

1) 在amixon®反应器中,混合过程始终无死角且高效进行——与搅拌工具的转速无关。混合物的流动特性——干燥、潮湿、湿润或悬浮——都无关紧要。此外,精密混合与填充度无关。

 

2) 在amixon®反应器中,组件可以以任何聚集状态存在,以相互扩散:干燥、液体或气体。

3) amixon®反应器可以精确地按照预定的加热/冷却曲线运行,精度达到几十分之一开尔文。温度最高可达350°C。amixon®的最新研发甚至瞄准了超过600°C的目标。

4) 无死角的混合过程确保了颗粒/液体或气体不断且随机地相互接触。一个amixon®合成反应器可以在高达25巴的超压下工作。(amixon®工艺设备符合TA Luft的法律要求。它们在高温和高压下也能技术性密封)。

5) 固体-固体反应/扩散:在amixon®设备中,通过施加高真空可以产生陡峭的浓度梯度。在单相物质混合物(无气相)中,固体颗粒紧密摩擦——即使在高温下也是如此。

欢迎您携带您的混合物莅临本实验室,我们非常期待与您合作测试。

Gyraton® 混合机用于大批量的均质化。

高性能材料通常以小批量加工。例如,考虑到电池、风力发电机、能源传输或通信技术组件或海水淡化设备的制造,这些材料的需求量越来越大。然而,这些大量的材料必须是均匀的。

 

在这方面,amixon® 可以做出宝贵的贡献。Gyraton® 混合机可以批量均匀化处理大宗散装物料(70 m³)。同样的 Gyraton® 混合机也可以连续混合。在任何情况下,都可以平衡质量波动。

Gyraton® 混合机无死角、均匀且极其温和地混合——无论散装物料的特性如何。Gyraton® 混合机的驱动功率非常低。产品可以是纳米分散的、团聚的、干燥的、潮湿的或湿润的。

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