Текст книги "Большая Советская Энциклопедия (ДИ)"
Автор книги: Большая Советская Энциклопедия
Жанр:
Энциклопедии
сообщить о нарушении
Текущая страница: 46 (всего у книги 50 страниц)
Диффузионная металлизация
Диффузио'нная металлиза'ция, процесс, основанный на диффузионном насыщении поверхностных слоёв изделий из металлов и сплавов различными металлами (см. Диффузия). Д. м. проводят, чтобы придать поверхности металлических деталей специальные физико-химические и механические свойства. В зависимости от диффундирующего элемента различают: алитирование, диффузионное хромирование, молибденирование; марганценирование, хромоалитирование, хромотитанирование и другие виды. Диффузионное насыщение возможно из различных фаз: твёрдой, паровой, газовой и жидкой.
Насыщение из твёрдой фазы применяют для железа, никеля, кобальта, титана и др. металлов. В этом случае Д. м. осуществляют различными тугоплавкими металлами (Mo, W, Nb, U и др.), упругость паров которых меньше упругости паров основного металла. Процесс протекает в герметизированном контейнере, в котором обрабатываемые детали засыпаются порошкообразным металлом, в вакууме или в нейтральной среде при 1000—1500°C. Насыщение из паровой фазы применяют для сплавов на основе железа, никеля, молибдена, титана и др. металлов такими элементами, которые имеют более высокую упругость паров, чем насыщаемый металл, например Zn, Al, Cr, Ti и др. Процесс происходит в герметичных контейнерах при разрежении ~101—10-2н/м2, или 10-1—10-4мм рт. ст., и 850—1600°С, контактным или неконтактным способом. В первом случае паровая фаза возникает при сублимации металла и генерируется вблизи мест контактирования порошкообразного или кускообразного металла с обрабатываемой поверхностью; во втором – генерация паровой фазы происходит на некотором расстоянии от поверхности. Насыщение из газовой фазы производят при Д. м. различных металлов элементами: Al, Cr, Mn, Mo, W, Nb, Ti и др. Диффузии металла предшествуют реакции взаимодействия газообразных химических соединений диффундирующего элемента с основным металлом. Газовой фазой служат галогениды диффундирующих металлов. Газовое насыщение осуществляется в муфельных печах или в печах специальной конструкции при 700—1000°С. Газовая фаза может генерироваться на расстоянии от насыщаемой поверхности (неконтактный способ) и в зоне контакта источника активной фазы с поверхностью металла (контактный способ). Насыщение из жидкой фазы применяют при алитировании, хромировании, цинковании, меднении. Процесс протекает в печах-ваннах, в которых расплав диффундирующего металла или его соли взаимодействуют с поверхностью обрабатываемых изделий при 800—1300°С. Этим методом осуществляют также комплексную Д. м., например хромоалитирование, хромотитанирование, хромоникелирование и т.д.
Д. м. можно получать диффузионный слой толщиной от 10 мкм до 3 мм. Процессы Д. м. позволяют повысить жаростойкость сплавов (например, алитированная сталь имеет жаростойкость до 900°С), абразивную износостойкость (например, хромирование стали У12 увеличивает её износостойкость в 6 раз), сопротивление термоудару, быстрой смене температур, коррозионную стойкость и кислотоупорность и улучшить другие свойства металлов и сплавов.
Лит.: Дубинин Г. Н., Диффузионное хромирование сплавов, М., 1964; Минкевич А. Н., Химико-термическая обработка металлов и сплавов, 2 изд., М., 1965.
Г. Н. Дубинин.
Диффузионная сварка
Диффузио'нная сва'рка, способ сварки без расплавления основного металла за счёт нагрева и сдавливания соединяемых деталей. В месте сварки деталей происходит диффузия одного металла в другой. Детали с тщательно зачищенными и пригнанными поверхностями помещают в закрытую сварочную камеру с разрежением до ~0,01—0,001 н/м2, т. е. до 10-5мм рт. ст. Детали сдавливают небольшим постоянным усилием, для повышения пластичности и ускорения диффузии нагревают до 600—800°С. Через несколько минут после окончания сварки детали охлаждаются, и их выгружают из камеры. При нагреве в вакуумной камере происходит интенсивная очистка поверхностей от органических загрязнений и окислов. Д. с. позволяет получать сварные швы высокого качества без внутренних напряжений и без перегрева металла в околошовной зоне. Этим способом можно соединять детали из одинаковых твёрдых и хрупких или разнородных материалов: из стали, твёрдых сплавов, титана, меди, никеля и их сплавов и т.д. Возможна сварка деталей из некоторых неметаллических материалов, например двух керамических или керамической с металлической. Д. с. применяется в основном в электронной промышленности, машиностроении, при производстве металлорежущего инструмента, штампов и др. Применение Д. с. ограничивается необходимостью иметь сложную и дорогую аппаратуру. Производительность Д. с. не очень высока из-за наличия таких операций, как вакуумирование камеры, нагрев деталей, выдержка для проведения диффузии.
К. К. Хренов.
Диффузионные процессы
Диффузио'нные проце'ссы, процессы, протекающие при перемещении мельчайших частиц вещества (атомов, ионов, молекул) или их комплексов вследствие стремления к равновесному распределению концентрации мигрирующих частиц в данном объёме (см. Диффузия). При Д. п. возможен обмен частицами между веществами, находящимися в различных агрегатных состояниях, т. е. возможны явления адсорбции и десорбции, растворение и кристаллизация, сушка и т.п. Д. п. лежат в основе таких технологических операций, как спекание порошков (например, в порошковой металлургии), термическая обработка металлов и химико-термическая обработка металлов (цементация, азотирование и т.п.), гомогенизация сплавов, диффузионная металлизация и т.д. Значение Д. п. возрастает в связи с необходимостью создания специальных материалов для развивающихся областей техники (атомной энергетики, космонавтики и т.д.). Знание законов, управляющих Д. п., позволяет предупреждать нежелательные изменения в изделиях, происходящие под влиянием повышенных температур, больших нагрузок, облучения и т.п.
Лит.: Любов Б. Я., Кинетическая теория фазовых превращений, М., 1969.
Б. Я. Любов.
Диффузионный аппарат
Диффузио'нный аппара'т, аппарат для извлечения методом экстракции растворимых веществ из измельчённого твёрдого материала. Д. а. широко применяются в пищевой промышленности, главным образом в сахарной, где они являются одним из основных видов технологического оборудования. В этих аппаратах осуществляется водная экстракция сахара из свекловичной стружки или из измельчённого сахарного тростника.
Различают Д. а. периодического и непрерывного действия. К первому типу относятся диффузионные батареи, состоящие из чётного количества (12—16) диффузоров и такого же количества промежуточных подогревателей, соединённых в кольцевую систему. Батареи работают по принципу противотока: вода поступает в последний диффузор, в котором находится уже обессахаренная свекловичная стружка, постепенно обогащаясь сахаром, она последовательно прокачивается через все диффузоры снизу вверх и отводится из последнего диффузора в виде сока. Такие Д. а. весьма громоздки и требуют значительных затрат труда на обслуживание и ремонт.
Около половины заводов СССР оснащено Д. а. непрерывного действия. Наиболее распространены вертикальные одно– и многоколонные, наклонные корытные, горизонтальные ротационные. В первых стружка перемещается снизу вверх шнековым, лопастным или цепным транспортёром и выгружается из верхней части аппарата в виде жома, а вода непрерывно протекает сквозь столб стружки сверху вниз, диффузионный сок отводится через сито из нижней части колонны. В наклонных Д. а. стружка перемещается снизу вверх парой параллельных ленточных шнеков и выгружается в виде жома при помощи лопастного колеса. Аппарат полностью автоматизирован. В горизонтальных Д. а. к внутренним стенкам вращающегося барабана жёстко прикреплены одно– или двухлоточные винтовые перегородки, разделяющие его на ряд секций, и решётки, перебрасывающие стружку из секции в секцию, навстречу протекающей вдоль винтовой перегородки воде.
Существуют Д. а. с бесконечной горизонтальной перфорированной лентой, перемещающей стружку, и системой насосов, последовательно противоточно перекачивающих воду (сок) через отдельные участки транспортёра. Перспективно использование для извлечения сахара из свекловичной стружки серии гидроциклонов. Применение Д. а. непрерывного действия позволяет полностью автоматизировать процесс, в 5—8 раз сократить затраты труда, снизить потери сахара в жоме, повысить общую культуру производства. Производительность Д. а. от 1500 до 3000 т свёклы в сутки.
Лит.: Силин П. М., Технология сахара, 2 изд., [М., 1967]; Гребенюк. С. М., Технологическое оборудование сахарных заводов, М., 1969.
И. М. Петренко.
Диффузионный насос
Диффузио'нный насо'с, то же, что пароструйный вакуумный насос. Откачивающее действие Д. н. основано на диффузии молекул откачиваемого газа в струю пара рабочего вещества (ртуть, масло).
Диффузия
Диффу'зия (от лат. diffusio – распространение, растекание), взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга вследствие теплового движения частиц вещества. Д. происходит в направлении падения концентрации вещества и ведёт к равномерному распределению вещества по всему занимаемому им объёму (к выравниванию химического потенциала вещества).
Д. имеет место в газах, жидкостях и твёрдых телах, причём диффундировать могут как находящиеся в них частицы посторонних веществ, так и собственные частицы (самодиффузия).
Д. крупных частиц, взвешенных в газе или жидкости (например, частиц дыма или суспензии), осуществляется благодаря их броуновскому движению. В дальнейшем, если специально не оговорено, имеется в виду молекулярная Д.
Наиболее быстро Д. происходит в газах, медленнее в жидкостях, ещё медленнее в твёрдых телах, что обусловлено характером теплового движения частиц в этих средах. Траектория движения каждой частицы газа представляет собой ломаную линию, т.к. при столкновениях частицы меняют направление и скорость своего движения. Неупорядоченность движения приводит к тому, что каждая частица постепенно удаляется от места, где она находилась, причём её смещение по прямой гораздо меньше пути, пройденного по ломаной линии. Поэтому диффузионное проникновение значительно медленнее свободного движения (скорость диффузионного распространения запахов, например, много меньше скорости молекул). Смещение частицы меняется со временем случайным образом, но средний квадрат его `L2 за большое число столкновений растёт пропорционально времени t. Коэффициент пропорциональности D в соотношении: `L2 ~ Dt называется коэффициентом Д. Это соотношение, полученное А. Эйнштейном, справедливо для любых процессов Д. Для простейшего случая самодиффузии в газе коэффициент Д. может быть определён из соотношения D ~`L2/t, применённого к средней длине свободного пробега молекулы `l. Для газа `l =`сt, где `с – средняя скорость движения частиц, t – среднее время между столкновениями. Т. о., D ~ `l2/t ~ `l`c (более точно D = 1/3 `l`c). Коэффициент Д. обратно пропорционален давлению p газа (т.к. `l ~ 1/p); с ростом температуры Т (при постоянном объёме) Д. увеличивается пропорционально Т1/2 (т.к. `с ~ ÖТ). С увеличением молекулярной массы коэффициент Д. уменьшается.
В жидкостях, в соответствии с характером теплового движения молекул, Д. осуществляется перескоками молекул из одного временного положения равновесия в другое. Каждый скачок происходит при сообщении молекуле энергии, достаточной для разрыва её связей с соседними молекулами и перехода в окружение др. молекул (в новое энергетически выгодное положение). В среднем скачок не превышает межмолекулярного расстояния. Диффузионное движение частиц в жидкости можно рассматривать как движение с трением, к нему применимо второе соотношение Эйнштейна: D ~ ukT. Здесь k – Больцмана постоянная, u – подвижность диффундирующих частиц, т. е. коэффициент пропорциональности между скоростью частицы с и движущей силой F при стационарном движении с трением (с = uF). Если частицы сферически симметричны, то u = 1/6phr, где h – коэффициент вязкости жидкости, r – радиус частицы (см. Стокса закон).
Коэффициент Д. в жидкости увеличивается с температурой, что обусловлено «разрыхлением» структуры жидкости при нагреве и соответствующим увеличением числа перескоков в единицу времени.
В твёрдом теле могут действовать несколько механизмов Д.: обмен местами атомов с вакансиями (незанятыми узлами кристаллической решётки), перемещение атомов по междоузлиям, одновременное циклическое перемещение нескольких атомов, прямой обмен местами двух соседних атомов и т.д. Первый механизм преобладает, например, при образовании твёрдых растворов замещения, второй – твёрдых растворов внедрения.
Коэффициент Д. в твёрдых телах крайне чувствителен к дефектам кристаллической решётки, возникшим при нагреве, напряжениях, деформациях и др. воздействиях. Увеличение числа дефектов (главном образом вакансий) облегчает перемещение атомов в твёрдом теле и приводит к росту коэффициента Д. Для коэффициента Д. в твёрдых телах характерна резкая (экспоненциальная) зависимость от температуры. Так, коэффициент Д. цинка в медь при повышении температуры от 20 до 300°С возрастает в 1014 раз.
Значение коэффициента диффузии (при атмосферном давлении)
| Диффундирующее вещество | Основной компонент | Температура, °С | Коэффициент диффузии, м2/сек |
| Водород (газ) | Кислород (газ) | 0 | 0,70·10-4 |
| Пары воды | Воздух | 0 | 0,23·10-4 |
| Пары этилового спирта | Воздух | 0 | 0,10·10-4 |
| Соль (NaCI) | Вода | 20 | 1,1·10-9 |
| Сахар | Вода | 20 | 0,3·10-9 |
| Золото (тв.) | Свинец (тв.) | 20 | 4·10-14 |
| Самодиффузия | Свинец | 285 | 7·10-15 |
Для большинства научных и практических задач существенно не диффузионное движение отдельных частиц, а происходящее от него выравнивание концентрации вещества в первоначально неоднородной среде. Из мест с высокой концентрацией уходит больше частиц, чем из мест с низкой концентрацией. Через единичную площадку в неоднородной среде проходит за единицу времени безвозвратный поток вещества в сторону меньшей концентрации – диффузионный поток j. Он равен разности между числами частиц, пересекающих площадку в том и др. направлениях, и потому пропорционален градиенту концентрации ÑС (уменьшению концентрации С на единицу длины). Эта зависимость выражается законом Фика (1855):
j = -DÑC.
Единицами потока j в Международной системе единиц являются 1/м2·сек или кг/м2·сек, градиента концентрации – 1/м4 или кг/м4, откуда единицей коэффициента Д. является м2/сек. Математически закон Фика аналогичен уравнению теплопроводности Фурье. В основе этих явлений лежит единый механизм молекулярного переноса: в 1-м случае переноса массы, во 2-м – энергии (см. Переноса явления).
Д. возникает не только при наличии в среде градиента концентрации (или химического потенциала). Под действием внешнего электрического поля происходит Д. заряженных частиц (электродиффузия), действие поля тяжести или давления вызывает бародиффузию, в неравномерно нагретой среде возникает термодиффузия.
Все экспериментальные методы определения коэффициента Д. содержат два основных момента: приведение в контакт диффундирующих веществ и анализ состава веществ, изменённого Д. Состав (концентрацию продиффундировавшего вещества) определяют химически, оптически (по изменению показателя преломления или поглощения света), масс-спектроскопически, методом меченых атомов и др.
Д. играет важную роль в химической кинетике и технологии. При протекании химической реакции на поверхности катализатора или одного из реагирующих веществ (например, горении угля) Д. может определять скорость подвода др. реагирующих веществ и отвода продуктов реакции, т. е. являться определяющим (лимитирующим) процессом.
Для испарения и конденсации, растворения кристаллов и кристаллизации определяющей оказывается обычно Д. Процесс Д. газов через пористые перегородки или в струю пара используется для изотопов разделения. Д. лежит в основе многочисленных технологических процессов – адсорбции, цементации и др. (см. Диффузионные процессы); широко применяются диффузионная сварка, диффузионная металлизация.
В жидких растворах Д. молекул растворителя через полупроницаемые перегородки (мембраны) приводит к возникновению осмотического давления (см. Осмос), что используется в физико-химическом методе разделения веществ – диализе.
Д. А. Франк-Каменецкий.
Д. в биологических системах. Д. играет важную роль в процессах жизнедеятельности клеток и тканей животных и растений (например, Д. кислорода из лёгких в кровь и из крови в ткани, всасывание продуктов пищеварения из кишечника, поглощение элементов минерального питания клетками корневых волосков, Д. ионов при генерировании биоэлектрических импульсов нервными и мышечными клетками). Различная скорость Д. ионов через клеточные мембраны – один из физических факторов, влияющих на избирательное накопление элементов в клетках организма. Проникновение растворённого вещества в клетку может быть выражено законом Фика, в котором значение коэффициента Д. заменено коэффициентом проницаемости мембраны, а градиент концентрации – разностью концентраций вещества по обе стороны мембраны. Диффузионное проникновение в клетку газов и воды (см. Осмос) также описывается законом Фика; при этом значения разности концентраций заменяются значениями разности давлений газов и осмотических давлений внутри и вне клетки.
Различают простую Д. – свободное перемещение молекул и ионов в направлении градиента их химического (электрохимического) потенциала (так могут перемещаться лишь вещества с малыми размерами молекул, например вода, метиловый спирт); ограниченную Д., когда мембрана клетки заряжена и ограничивает Д. заряженных частиц даже малого размера (например, слабое проникновение в клетку анионов); облегчённую Д. – перенос молекул и ионов, самостоятельно не проникающих или очень слабо проникающих через мембрану, др. молекулами («переносчиками»); так, по-видимому, проникают в клетку сахара' и аминокислоты. Через мембрану, вероятно, могут диффундировать и переносчик, и комплекс переносчика с веществом. Перенос вещества, определяемый градиентом концентрации переносчика, называется обменной Д.; такая Д. отчётливо проявляется в экспериментах с изотопными индикаторами. Различную концентрацию веществ в клетке и окружающей её среде нельзя объяснить только Д. их через мембраны за счёт имеющихся электрохимических и осмотических градиентов. На распределение ионов влияют также процессы, которые могут вызывать перераспределение веществ против их электрохимического градиента с затратой энергии, – так называемый активный транспорт ионов.
Л. Н. Воробьёв, И. А. Воробьёва.
Лит.: Френкель Я. И., Собр. избр. трудов, т. 3 – Кинетическая теория жидкостей, М. – Л., 1959; Гиршфельдер Дж., Кертисс Ч., Берд Р., Молекулярная теория газов и жидкостей, пер. с англ., М., 1961; Шьюмон П., Диффузия в твердых телах, пер. с англ., М., 1966; Франк-Каменецкий Д. А., Диффузия и теплопередача в химической кинетике, 2 изд., М., 1967; Булл Г., Физическая биохимия, пер. с англ., М., 1949; Руководство по цитологии, т. 1, М. – Л., 1965; Ходоров Б. И., Проблема возбудимости, Л., 1969.
Диффузия нейтронов
Диффу'зия нейтронов, распространение нейтронов в веществе, сопровождающееся многократным изменением направления и скорости движения в результате их столкновений с атомными ядрами. Д. нейтронов аналогична Д. в газах и подчиняется тем же закономерностям (см. Диффузия). Быстрые нейтроны, т. е. нейтроны с энергией, во много раз большей, чем средняя энергия теплового движения частиц среды, при Д. отдают энергию среде и замедляются. В слабо поглощающих средах нейтроны приходят в тепловое равновесие со средой (тепловые нейтроны). В неограниченной среде тепловой нейтрон диффундирует до тех пор, пока не поглотится одним из атомных ядер. Д. тепловых нейтронов характеризуется коэффициентом диффузии D и средним квадратом расстояния от точки образования теплового нейтрона до точки его поглощения, равным L2T = 6Dt, где t – среднее время жизни теплового нейтрона в среде.
Для характеристики Д. быстрых нейтронов употребляют средний квадрат расстояния L2Б между точкой образования быстрого нейтрона (в ядерной реакции, например реакции деления) и точкой его замедления до тепловой энергии. В табл. приведены для некоторых сред значения L2T для тепловых нейтронов и L2Б для нейтронов, испускаемых при делении урана.
Значения L2T и L2Б для некоторых веществ
| Вещество | L2T, см2 | L2Б, см2 |  |
| Вода Н2О ……... Тяжёлая вода D20 …………. Берилий Be …... Графит С ……… | 44 1,5·105 2600 20000 | 186 750 516 1880 | 15 390 56 150 |
При Д. в ограниченной среде нейтрон с большой вероятностью вылетает за её пределы, если полуразмер (радиус) системы мал по сравнению с величиной
напротив, нейтрон с большой вероятностью поглотится в среде, если её радиус велик по сравнению с этой величиной.
Д. нейтронов играет существенную роль в работе ядерных реакторов. В связи с этим разработка ядерных реакторов сопровождалась интенсивным развитием теории Д. нейтронов и методов её экспериментального изучения.
Лит.: Бекурц К., Виртц К., Нейтронная физика, пер. с англ., М., 1968.
