D0I:10.13374/j.issn1001053x.2001.05.007 第23卷第5期 北京科技大学学报 Vol.23 No.5 2001年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2001 氧和铝在氧化铝中的自扩散参数评估 罗世永张家芸 北京科技大学冶金学院，北京100083 摘要评估了氧和铝在A1,O中的自扩散参数，分析了其扩散机理.得出：(1)在1770-2100K 温度范围内，氧分压不超过1.0×10Pa时，杂质总含量为30×10~500×10-，Mg,Ti含量低于30× 10的未掺杂AO,单晶中，氧的自扩散系数与温度的关系式，氧分压和扩散方向对该扩散系数 值影响不明显.(2)在1943-2178K范围，多晶Al0,中铝的自扩散系数在105到10“ms之间， 扩散活化能为477 kJ/mol..(3)单晶A1,0中主要杂质为TiO,和Mg0,趁Ti将降低氧的自扩散系 数，增加铝的自扩散系数；掺Mg使氧的自扩散系数略有增加；其他杂质对氧和铝在A1,O,中的 扩散系数影响不大.(4)氧和铝均通过空位扩散. 关键词自扩散：参数评估：氧化铝单晶 分类号TB39 本工作是开发的智能化冶金材料动力学数 各样品的杂质含量在30×10-500×10-6之 据库系统中固/固反应动力学预测子系统的基 间，可以看出杂质含量在该范围内变化对扩散 础工作之一. 活化能和自扩散系数影响不大.Catlow等计算 A1,O,陶瓷是一种应用最广泛的氧化物陶瓷 得到多种金属氧化物在Al,O,中的溶解热均为 材料之一.有关氧在AlO单晶、多晶中自扩散、 很大的正值，即使高温下能溶解的杂质其量也 晶界扩散、表面扩散和缺陷扩散的文献很多.本 很小.+2价和+4价杂质离子中溶解所需能量最 文着重分析评估了氧在A1O,单晶中的自扩散 低者分别为Mg和Ti.这可能是AlO,中为什 参数，结合理论计算结果分析了相关扩散机理 么杂质主要是Mg0和TiO2的原因. 和杂质对扩散的影响 Haneda和Monty得到的参30×10~和l30x 10-(摩尔分数)的样品具有相同的扩散系数.Re 1在未掺杂单晶中氧的自扩散 ddy和Cooper在掺Mg摩尔分数为30×10-的 -16 未掺杂是指在单晶制备过程中未外部添 i 加杂质离子.图1为未掺杂单晶A1O,中氧的自 6 -18 扩散系数相关结果刀相应的Arrehenius图，除 5 、10 直线8以外，自扩散系数相差仅2个数量级. 图I中直线6为Reed和Wuensch用离子 -20 3 9 9 探针测定的结果.图1中直线8是Reddy和Co 11 oper用质子活化方法测定同一Al,O,单晶中氧 -22 的自扩散系数所得的值.其中样品的杂质含量 很低，为22×10（质量分数），得到的自扩散系数 -24 相差4个数量级.差异可能源于使用方法不同. 45 50 55 66 65 两者活化能相近，但比由其他杂质含量高的样 (1/T)/x10K-' 品所得活化能大得多 图1未撸杂A山O单晶中氧自扩散的Arrehenius图. 直线18由文献2~刀提供，直线911为计算所得 收稿日期200102-27罗世水男，33岁，博士生 Fig.1 Arrechenius plot for the self-diffusion in undoped *国家自然科学基金资助课题CNo.59774023) AlO,single crystal2 第 卷 第 期 3 5 2 0 0 年 月 1 1 北 京 科 技 大 学 学 报 J a u r o o l o U f n i v e s r y t i o f s 让 c . e c a n 介 d c h . o l o g y B e j 运 i g b V l . N 2 3 0 . 5 2 O 00 1 C L 氧和铝在氧化铝 中的 自扩散参数评估 罗世永 张 家芸 北京科技大学冶金学院 , 北京 10 0 83 摘 要 评估 了氧和 铝在 1A 刃 , 中 的 自扩散参数 , 分析了其 扩 散机理 . 得 出 : (1 )在 17 卜Z l o K 温度 范 围内 , 氧分压不超过 1 . 0x l0 , aP 时 ,杂 质总 含量 为 30x 10 一 ` 一 500x l0 一` , M g , iT 含量 低于 3 0x 10 一 ` 的未掺杂 1A 2认 单晶中 , 氧 的 自扩散 系数与温度 的关系式 , 氧分压 和扩散 方 向对 该扩 散 系数 值影 响 不明显 . (2 ) 在 19 43 一21 78 K 范 围 , 多 晶 1A 2岛 中铝 的 自扩散 系数在 10 一 ” 到 10 一 “ m sz/ 之 间 , 扩散 活化能 为 4 7 kl lm ol . (3 )单晶 1A 2 0 , 中主要 杂质为 iT 0 2 和 M gO , 掺 iT 将 降低氧 的 自扩散 系 数 , 增加铝 的 自扩散 系数 ; 掺 M g 使氧 的 自扩散 系 数略有 增加 ; 其他 杂质 对氧和铝 在 1A 2 0 , 中的 扩散系数影 响不 大 . (4) 氧和铝 均通 过空 位扩 散 . 关健词 自扩 散 ; 参数评估 : 氧 化铝单 晶 分 类号 T B 39 本工作是开发的智能化冶金材料动力学数 据库系统 中固/固反应 动力学 预测子系统 `I] 的基 础工作之一 A 1 2 0 , 陶瓷是一种应用最广泛的氧化物陶瓷 材料之一 有关 氧在 1A 2 0 , 单晶 、 多晶中 自扩散 、 晶界扩散 、 表 面扩散 和缺 陷扩散的文献很多 . 本 文着重 分析评估 了氧在 1A 2 0 , 单晶 中的 自扩散 参数 , 结合理论计算 结果分析 了相 关扩散机理 和杂质 对扩散 的影 响 . 1 在未掺杂单晶中氧的 自扩散 未掺 杂是 指在 单 晶制 备过 程 中未外部 添 加杂质 离子 . 图 1 为未掺杂单 晶1A 2 O 。 中氧的 自 扩散 系数相关结果 ’坷 相应 的 A r e he in us 图 , 除 直线 8 以 外 , 自扩散 系数相差仅 2 个数量级 . 图 1 中直线 6 为 eR ed 和 叭恤e n sc ’hl ,用 离子 探 针测定 的结果 . 图 1 中直线 8 是 eR d dy 和 C。 - 。 pe 声 用质子 活 化方法测定 同一 1A 2 O , 单 晶中氧 的 自扩散 系数所得的值 . 其 中样 品 的杂质含量 很低 , 为2 x2 10火质量分数 ) , 得 到的 自扩散系数 相差 4 个数量级 . 差异可 能源于使用 方法不 同 . 两者活化 能相近 , 但 比由其他杂质 含量高的样 品所得 活化能大得多 . 收稿 日期 2 0 1刁2 e 2 7 罗世永 男 , 3 岁 , 博士 生 * 国 家 自然科学基 金资助 课题(N .0 5 9 7 40 2 3) 各 样 品 的杂 质 含 量 在 3 o x 10 一 6一 s o o x l o 一 6之 间 , 可 以看 出杂质含量在该 范 围内变化对扩散 活化 能和 自扩散系数影 响不 大 . C at fo w 等 l8] 计算 得 到多种金 属氧化物在 1A 2 O , 中的溶解热均 为 很 大的正 值 , 即 使高温下 能溶解的杂质其量也 很小 . + 2 价 和+ 4 价杂质离子 中溶 解所需 能量最 低 者分别为 M 扩和 iT +4 . 这可能是 1A 2 0 , 中为什 么 杂质 主要是 M g o 和 iT 0 2 的原 因 . H an e da 和 M on yt l g ,得到的掺 3 0 x 10 一 ` 和 13 0 x 10 一 ` (摩尔分数 )的样品具有相同的扩散 系数 , eR - d dy 和 C o o Per `, , 在掺 M g 摩 尔分数为 3 0 x 10 一 6的 `洲一à néU 刁屯-l ǎ 一1 5 · 、妙 N 3已 4 5 5 0 55 6 6 6 5 ( 1 1乃 l x 1’0 K 一 , 圈 1 未拾 杂 川 Z q 单晶 中权 自扩散 的 rA er b e in 此 图 . 直线 1艰 由文献 12 ~ 71 提供 , 直线 弘 U 为计算所得 F啥 . 1 A r er e h e n i u s P lot fo r ht e s e体d ifl 恤幼o n 恤 u . d o eP d A lz q , 恤gle c叮 s at l DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2001. 05. 007