柯肯达尔效应

柯肯达尔提出的效应
柯肯达尔效应(Kirkendall Effect)的概念最早来源于冶金学,指两种扩散速率不同的金属在相互扩散过程中,会在扩散速率高的金属内形成空位缺陷,这些空位缺陷会逐渐团聚形成孔洞。[1]
柯肯达尔效应会减弱异种金属焊接界面的结合强度;对柯肯达尔效应进行合理应用,可实现微纳空心结构的简单合成。但目前在许多体系中,柯肯达尔效应难以出现,未能获得所需的空心结构。[2]

详情

碳在铁中的扩散是间隙型溶质原子的扩散,在这种情况下可以不涉及溶剂铁原子的扩散,因为铁原子扩散速率与原子直径较小与较易迁移的碳原子的扩散速率比较而言可以忽略的。然而对于置换型溶质原子的扩散,由于溶剂与溶质原子的半径相差不会很大,原子扩散时必须与相邻原子间作置换,两者的可动性大致趋于同一数量级,因此,必须考虑溶质和溶剂原子不同的扩散速率,这首先是被柯肯达尔(kirkendall)等人证实。1947年,他们设计了一个试验,在黄铜块(70%铜,30%锌)上镀一层铜,并在铜和黄铜界面上预先放两排Mo丝。将该样品经过785℃扩散退火56d后,发现上下两排Mo丝的距离L减小了0.25mm,并且在黄铜上留有一些小洞。假如Cu和Zn的扩散系数相等,那么以原Mo丝平面为分界面,两侧进行的是等量的Cu和Zn原子互换,考虑到Zn的原子尺寸大于Cu原子,Zn的外移会导致Mo丝(标记面)向黄铜一侧移动,但经计算移动量仅为观察值的1/10左右。由此可见,两种原子尺寸的差异不是Mo丝移动的主要原因,这只能是在退火时,因Cu,Zn两种原子的扩散速率不同,导致了由黄铜中扩散出的Zn的通量大于铜原子扩散进入的通量。这种不等量扩散导致Mo丝移动的现象称为Kirkendall Effect(柯肯达尔效应)。以后,又发现了多种置换型扩散偶中都有柯肯达尔效应,例如,Ag-Au,Ag-Cu,Au-Ni,Cu-Al,Cu-Sn及Ti-Mo。

原理