Factores Clave en la Difusión Atómica y sus Aplicaciones en Materiales

Factores que Afectan la Difusión y la Energía de Activación

Una pequeña cantidad de energía de activación Q incrementa el coeficiente de difusión y el flujo, porque se requiere menos energía térmica para vencer dicha barrera de energía de activación. Varios factores influyen en la energía de activación y, por tanto, en la velocidad de difusión. La difusión intersticial, con una energía de activación baja, por lo general ocurre mucho más aprisa que la difusión por vacancias o sustitucional.

Las energías de activación por lo general son menores para átomos difundiéndose a través de estructuras cristalinas abiertas que a través de estructuras cristalinas compactas. Dado que la energía de activación depende de la fuerza del enlace atómico, será mayor para la difusión de átomos en materiales con una alta temperatura de fusión. Los materiales con enlaces covalentes, como el carbono y el silicio, tienen energías de activación extraordinariamente altas, lo que es congruente con la alta resistencia de sus enlaces atómicos.

En los materiales de enlace iónico, como los materiales cerámicos, un ion que se difunda solo ocupará un sitio que tenga su misma carga. A fin de llegar a dicho sitio, el ion físicamente deberá abrirse paso entre los iones adyacentes, pasar por una región de carga opuesta y moverse una distancia relativamente larga. En consecuencia, las energías de activación son mayores y las velocidades de difusión menores para materiales iónicos que para los metales.

Difusión Volumétrica

En la difusión volumétrica, los átomos se mueven a través del cristal de un sitio de red, o de un sitio intersticial, a otro. Debido a la presencia de los átomos adyacentes, la energía de activación es grande y la velocidad de difusión relativamente lenta.

Sin embargo, los átomos también se pueden difundir a lo largo de fronteras o bordes, interfaces y superficies del material. Los átomos se difunden fácilmente mediante difusión en los bordes de grano, ya que en éstos la compactación atómica no es buena. Debido a que los átomos pueden pasar con mayor facilidad a través del borde de grano mal organizado, la energía de activación es baja.

Difusión en Superficies

La difusión en superficies es aún más fácil, porque en las superficies existen incluso menos restricciones para los átomos a difundir.

c_s es la concentración constante de los átomos a difundir en la superficie del material,

c₀ es la concentración inicial en el material de los átomos a difundir

c_x es la concentración del átomo en difusión en una posición x por debajo de la superficie después de un tiempo t

La Sinterización

La sinterización es un tratamiento a alta temperatura, que hace que las partículas se unan y de manera gradual se reduzca el volumen del espacio de los poros entre las mismas. La sinterización es un paso frecuente en la fabricación de componentes cerámicos, así como en la producción de componentes metálicos mediante la metalurgia de polvos. Una diversidad de materiales compuestos se producen utilizando esta misma técnica.

Relación con la Energía de Activación

Esto está relacionado con la energía de activación necesaria para que un átomo salte a través del borde de grano. Altas temperaturas o bajas energías de activación incrementarán el tamaño de los granos. Muchos tratamientos térmicos de los metales, que implican mantener el metal a una temperatura alta, deben controlarse cuidadosamente, a fin de evitar un crecimiento excesivo de los granos.

Los átomos se mueven mediante mecanismos de difusión a través de un material sólido, particularmente a temperaturas elevadas y estando presente un gradiente de concentración. Algunas relaciones clave que implican difusión son las siguientes:

Dos Mecanismos de Importancia para el Movimiento de los Átomos

Dos mecanismos de importancia para el movimiento de los átomos son la difusión por vacancias y la difusión intersticial. Los átomos sustitucionales se mueven en la red gracias al mecanismo de difusión por vacancias.

La Energía de Activación Q

La energía de activación Q representa la facilidad con la cual los átomos se difunden, ocurriendo una difusión rápida si la energía de activación es reducida. Se tiene una baja energía de activación y una rápida velocidad de difusión en el caso de: (1) difusión intersticial en comparación con la difusión por vacancias, (2) estructuras cristalinas con bajo factor de empaquetamiento, (3) materiales de baja temperatura de fusión o con enlaces atómicos débiles, y (4) difusión a lo largo de bordes o superficies de grano.

Glosario de Términos Clave

• Autodifusión: Movimiento aleatorio de los átomos dentro de un material puro, esto es, incluso cuando no exista un gradiente de concentración.

• Coeficiente de Difusión: Coeficiente dependiente de la temperatura, relacionado con la rapidez a la cual se difunden los átomos. El coeficiente de difusión depende de la temperatura y de la energía de activación.

• Crecimiento de los Granos: Movimiento de los bordes de grano mediante la difusión, a fin de reducir el área superficial de bordes de grano. Como resultado, los granos pequeños se encogen y desaparecen, y los restantes se hacen más grandes.

• Difusión: Movimiento de los átomos dentro de un material.

• Difusión en Borde de Grano: Movimiento de los átomos a lo largo de los bordes de grano. Es más rápida que la difusión volumétrica, ya que los átomos están menos compactos en los bordes de grano.

• Difusión en Superficies: Movimiento de los átomos a lo largo de superficies, como grietas o superficie de partículas.

• Difusión Intersticial: Movimiento de átomos pequeños, de una posición intersticial a otra, dentro de la estructura cristalina.

• Difusión por Vacancias: Movimiento de los átomos cuando un átomo deja atrás su posición normal en la red para llenar una vacancia en el cristal. Esto crea una vacancia y el proceso continúa.

• Difusión Volumétrica: Movimiento de los átomos en el interior de los granos.