Some aspects of diffusion in ceramics

(Received 28 February 1994, accepted 20 June 1994)

Abstract
Experiments of diffusion are more difficult in ceramics than in metals, because of specific physical, chemical and mechanical properties of ceramic materials. Due to their high melting point, the amount of point defects is generally much less than in metals at the same temperature. That implies very low diffusion coefficients, comparatively to diffusion coefficients measured in metals. The nature of the chemical bond of ceramics gives rise to stronger bonding than in metals and less ability to solve impurities. In these conditions, more segregation and precipitation effects are to be expected in ceramics and these effects may have an influence on the values of the diffusion coefficients. The interpretation of diffusion coefficient values needs a good knowledge of the nature and amount of defects, which are not so easy to control and which depend on the way used to prepare the samples destined to diffusion tests. The aim of this paper is not to give a review of all the values of diffusion coefficients obtained in all ceramics, but to point out some difficulties encountered in determination of diffusion coefficients : penetration depths, comparatively high level of impurity or dopant content in regard with the low amount of intrinsic defects and segregation of impurities to the grain boundaries and to the surface. Examples are given for alpha alumina and chromia.

Résumé
Les expériences de diffusion sont plus délicates dans les céramiques que dans les métaux, en raison des propriétés physiques, chimiques et mécaniques particulières aux matériaux céramiques. A cause de leur point de fusion élevé, la concentration en défauts ponctuels est généralement beaucoup plus faible dans les céramiques que dans les métaux, à température égale. Cela entraîne des valeurs faibles de coefficients de diffusion beaucoup plus faibles que celles déterminées dans les métaux. La nature de la liaison chimique dans les céramiques donne lieu à des liaisons interatomiques plus fortes que dans les métaux et à une capacité plus faible de dissoudre les impuretés. Dans ces conditions, on peut s'attendre à plus d'effets de ségrégation et de précipitation dans les céramiques, effets qui peuvent avoir une influence sur les valeurs des coefficients de diffusion. L'interprétation des valeurs des coefficients de diffusion nécessite une bonne connaissance de la nature et de la quantité des défauts, qui ne sont pas faciles à contrôler et qui dépendent du moyen utilisé pour préparer les échantillons destinés aux expériences de diffusion. Le but de ce papier n'est pas de donner une revue de toutes les valeurs des coefficients de diffusion obtenues dans toutes les céramiques, mais de souligner quelques problèmes rencontrés dans la détermination des coefficients de diffusion dans ces matériaux : faibles profondeurs de pénétration, taux de dopant et d'impureté relativement élevés par rapport aux faibles teneurs en défauts et ségrégation d'impuretés aux joints de grains ou à la surface. Des exemples sont donnés pour l'alumine -Al ₂O ₃ et l'oxyde de chrome -Cr ₂O ₃.