高考申論題
111年
[材料工程] 物理冶金
第 二 題
📖 題組：
二、原子擴散是材料混合以及均質化的基礎：（每小題 10 分，共 20 分） (一)請說明原子擴散的四大機制，並指出那一項機制為固體擴散的主要機制並解釋原因。 (二)請分別說明在常溫以及高溫下，多晶材料內部的原子擴散路徑為何？
二、原子擴散是材料混合以及均質化的基礎：（每小題 10 分，共 20 分） (一)請說明原子擴散的四大機制，並指出那一項機制為固體擴散的主要機制並解釋原因。 (二)請分別說明在常溫以及高溫下，多晶材料內部的原子擴散路徑為何？
📝 此題為申論題，共 2 小題
小題 (二)
請分別說明在常溫以及高溫下，多晶材料內部的原子擴散路徑為何？
思路引導 VIP
看到這題，應直覺聯想到多晶材料內部的不同擴散路徑（晶格擴散、晶界擴散、差排擴散）具有不同的活化能。利用阿瑞尼斯方程式（Arrhenius equation）思考溫度對克服活化能的影響，並結合巨觀的有效截面積（晶粒體積 vs. 晶界體積），即可比較出常溫與高溫下主導總擴散通量的主要路徑。
小題 (一)
請說明原子擴散的四大機制，並指出那一項機制為固體擴散的主要機制並解釋原因。
思路引導 VIP
看到此題，應立即聯想材料科學中的「點缺陷」如何輔助原子運動。解題步驟分為兩部分：首先條列式寫出四種微觀擴散機制（空位、間隙、填隙、交換）；接著從「熱力學活化能」與「晶格畸變應變能」的角度，論證為何直接交換極難發生，而「空位擴散」才是金屬固體自擴散與替代型擴散的主要機制。
原子擴散路徑分析
💡 擴散主導路徑由活化能障礙與有效截面積隨溫度的競爭決定。
| 比較維度 | 晶格擴散 (Lattice) | VS | 晶界擴散 (Grain Boundary) |
|---|---|---|---|
| 活化能 (Q) | 較高 (排列緊密) | — | 較低 (排列疏鬆) |
| 截面積 (Area) | 極大 (整體體積) | — | 極小 (僅在交界) |
| 低溫表現 | 擴散幾乎凍結 | — | 主要路徑(短路) |
| 高溫表現 | 主導 (面積優勢) | — | 次要 (面積劣勢) |
💬低溫受限於能壘(Q)選路近，高溫受惠於熱能(RT)選路廣。
