Nature.com saytına daxil olduğunuz üçün təşəkkür edirik. İstifadə etdiyiniz brauzer versiyasında məhdud CSS dəstəyi var. Ən yaxşı təcrübə üçün yenilənmiş brauzerdən istifadə etməyinizi (və ya Internet Explorer-də Uyğunluq Rejimini deaktiv etməyinizi) tövsiyə edirik. Bu vaxt ərzində davamlı dəstəyi təmin etmək üçün saytı stillər və JavaScript olmadan render edəcəyik.
Biofilmlər, xüsusən də tibbi cihazlara gəldikdə, xroniki infeksiyaların inkişafında mühüm bir komponentdir. Bu problem tibb ictimaiyyəti üçün böyük bir problem yaradır, çünki standart antibiotiklər biofilmləri yalnız çox məhdud dərəcədə məhv edə bilər. Biofilmin əmələ gəlməsinin qarşısının alınması müxtəlif örtük üsullarının və yeni materialların inkişafına səbəb olmuşdur. Bu üsullar səthləri biofilmin əmələ gəlməsinin qarşısını alan şəkildə örtməyi hədəfləyir. Xüsusilə mis və titan metalları olan şüşə metal ərintiləri ideal antimikrob örtüklərə çevrilmişdir. Eyni zamanda, soyuq sprey texnologiyasının istifadəsi artmışdır, çünki bu, temperatur həssas materialların emalı üçün uyğun bir üsuldur. Bu tədqiqatın məqsədlərindən biri mexaniki lehimləmə üsullarından istifadə edərək Cu-Zr-Ni üçlüsündən ibarət yeni antibakterial film metal şüşə hazırlamaq idi. Son məhsulu təşkil edən sferik toz, aşağı temperaturda paslanmayan polad səthlərin soyuq püskürtülməsi üçün xammal kimi istifadə olunur. Metal şüşə ilə örtülmüş substratlar paslanmayan poladla müqayisədə biofilmin əmələ gəlməsini ən azı 1 log azalda bilmişdir.
Bəşər tarixi boyunca istənilən cəmiyyət özünəməxsus tələblərinə cavab vermək üçün yeni materialların inkişaf etdirilməsinə və tətbiqinə kömək edə bilmiş və bu da qloballaşan iqtisadiyyatda məhsuldarlığın və reytinqin artmasına səbəb olmuşdur1. Bu, həmişə insanın materiallar və istehsal avadanlıqları dizayn etmək, eləcə də bir ölkədən və ya regiondan digərinə səhiyyə, təhsil, sənaye, iqtisadiyyat, mədəniyyət və digər sahələrə nail olmaq üçün materiallar istehsal etmək və xarakterizə etmək qabiliyyəti ilə əlaqələndirilmişdir. Tərəqqi ölkədən və ya regiondan asılı olmayaraq ölçülür2. 60 ildir ki, materialşünaslar bir əsas vəzifəyə çox vaxt ayırıblar: yeni və qabaqcıl materialların axtarışı. Son tədqiqatlar mövcud materialların keyfiyyətinin və performansının yaxşılaşdırılmasına, eləcə də tamamilə yeni növ materialların sintezinə və ixtirasına yönəlmişdir.
Ərinti elementlərinin əlavə edilməsi, materialın mikrostrukturunun modifikasiyası və istilik, mexaniki və ya termomekanik emal metodlarının tətbiqi müxtəlif materialların mexaniki, kimyəvi və fiziki xüsusiyyətlərinin əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşmasına səbəb olmuşdur. Bundan əlavə, indiyə qədər naməlum birləşmələr uğurla sintez edilmişdir. Bu davamlı səylər nəticəsində Qabaqcıl Materiallar2 kimi tanınan yeni bir innovativ material ailəsi yaranmışdır. Nanokristallar, nanohissəciklər, nanotublar, kvant nöqtələri, sıfır ölçülü, amorf metal şüşələr və yüksək entropiyalı ərintilər ötən əsrin ortalarından bəri dünyada ortaya çıxan qabaqcıl materialların yalnız bir neçə nümunəsidir. Həm son məhsulda, həm də istehsalının ara mərhələlərində təkmilləşdirilmiş xüsusiyyətlərə malik yeni ərintilərin istehsalında və inkişafında tez-tez balanssızlıq problemi əlavə olunur. Tarazlıqdan əhəmiyyətli dərəcədə sapmalara imkan verən yeni istehsal üsullarının tətbiqi nəticəsində metal şüşələr kimi tanınan tamamilə yeni bir metastabil ərinti sinfi kəşf edilmişdir.
1960-cı ildə Kaltexdəki işi, saniyədə təxminən bir milyon dərəcə sürətlə mayeləri bərkidən Au-25 at.% Si şüşəvari ərintiləri sintez etməklə metal ərintiləri konsepsiyasında inqilab yaratdı. 4 Professor Pol Duvesin kəşfi təkcə metal şüşələr (MS) tarixinin başlanğıcını qeyd etməklə kifayətlənmədi, həm də insanların metal ərintiləri haqqında düşüncələrində paradiqma dəyişikliyinə səbəb oldu. MS ərintilərinin sintezində ilk qabaqcıl tədqiqatlardan bəri demək olar ki, bütün metal şüşələr aşağıdakı metodlardan biri ilə tamamilə əldə edilmişdir: (i) ərimənin və ya buxarın sürətli bərkiməsi, (ii) atom qəfəs pozğunluğu, (iii) təmiz metal elementlər arasında bərk hal amorflaşma reaksiyaları və (iv) metastabil fazaların bərk fazalı keçidləri.
MG-lər kristallarla əlaqəli uzun mənzilli atom nizamının olmaması ilə fərqlənir ki, bu da kristalların müəyyənedici xüsusiyyətidir. Müasir dünyada metal şüşə sahəsində böyük irəliləyişlər əldə edilmişdir. Bunlar təkcə bərk cisim fizikası üçün deyil, həm də metallurgiya, səth kimyası, texnologiya, biologiya və bir çox digər sahələr üçün maraqlı xüsusiyyətlərə malik yeni materiallardır. Bu yeni material növü sərt metallardan fərqli xüsusiyyətlərə malikdir və bu da onu müxtəlif sahələrdə texnoloji tətbiqlər üçün maraqlı namizəd edir. Onların bəzi vacib xüsusiyyətləri var: (i) yüksək mexaniki elastiklik və axıcılıq möhkəmliyi, (ii) yüksək maqnit keçiriciliyi, (iii) aşağı koersitivlik, (iv) qeyri-adi korroziyaya davamlılıq, (v) temperaturdan asılılıq. Keçiricilik 6.7.
Mexaniki ərinti (MA)1,8 nisbətən yeni bir üsuldur və ilk dəfə 19839-cu ildə professor K.K. Kok və həmkarları tərəfindən tətbiq edilmişdir. Onlar təmiz elementlərin qarışığını otaq temperaturuna çox yaxın mühit temperaturunda üyütməklə amorf Ni60Nb40 tozları istehsal etmişlər. Tipik olaraq, MA reaksiyası reaktiv tozlarının adətən paslanmayan poladdan hazırlanmış reaktorda diffuziya rabitəsi arasında top dəyirmanına aparılır. 10 (Şəkil 1a, b). O vaxtdan bəri, bu mexaniki induksiyalı bərk hal reaksiya metodu aşağı (Şəkil 1c) və yüksək enerjili top dəyirmanları və çubuq dəyirmanları11,12,13,14,15,16 istifadə edərək yeni amorf/metal şüşə ərinti tozları hazırlamaq üçün istifadə edilmişdir. Xüsusilə, bu metod Cu-Ta17 kimi qarışmayan sistemlərin, eləcə də Al-keçid metalı (TM, Zr, Hf, Nb və Ta)18,19 və Fe-W20 sistemləri kimi yüksək ərimə nöqtəsi olan ərintilərin hazırlanması üçün istifadə edilmişdir. , ənənəvi bişirmə üsulları ilə əldə edilə bilməz. Bundan əlavə, MA metal oksidlərinin, karbidlərin, nitridlərin, hidridlərin, karbon nanotüblərinin, nanoalmazların nanokristal və nanokompozit toz hissəciklərinin sənaye miqyasında istehsalı, eləcə də yuxarıdan aşağıya yanaşma istifadə edərək geniş stabilizasiya üçün ən güclü nanotexnoloji vasitələrdən biri hesab olunur. 1 və metastabil mərhələlər.
Bu tədqiqatda Cu50(Zr50-xNix)/SUS 304 metal şüşə örtüyünün hazırlanması üçün istifadə edilən istehsal üsulunu göstərən sxem. (a) Aşağı enerjili top freze üsulundan istifadə edərək müxtəlif Ni x (x; 10, 20, 30 və 40 at.%) konsentrasiyaları olan MC ərinti tozlarının hazırlanması. (a) Başlanğıc material alət polad topları ilə birlikdə alət silindrinə yüklənir və (b) He atmosferi ilə doldurulmuş əlcək qutusuna möhürlənir. (c) Üyüdülmə zamanı topun hərəkətini göstərən üyüdülmə qabının şəffaf modeli. 50 saatdan sonra əldə edilən son toz məhsulu SUS 304 substratını soyuq spreylə örtmək üçün istifadə edilmişdir (d).
Toplu material səthlərinə (substratlarına) gəldikdə, səth mühəndisliyi orijinal toplu materialda olmayan müəyyən fiziki, kimyəvi və texniki xüsusiyyətləri təmin etmək üçün səthlərin (substratların) dizaynını və modifikasiyasını əhatə edir. Səth emalı yolu ilə effektiv şəkildə yaxşılaşdırıla bilən bəzi xüsusiyyətlərə aşınma, oksidləşmə və korroziyaya davamlılıq, sürtünmə əmsalı, bioinertlik, elektrik xüsusiyyətləri və istilik izolyasiyası daxildir. Səth keyfiyyəti metallurgiya, mexaniki və ya kimyəvi üsullarla yaxşılaşdırıla bilər. Məlum bir proses olaraq, örtük sadəcə başqa bir materialdan hazırlanmış toplu obyektin (substrat) səthinə süni şəkildə tətbiq edilən bir və ya daha çox material təbəqəsi kimi müəyyən edilir. Beləliklə, örtüklər qismən istənilən texniki və ya dekorativ xüsusiyyətlərə nail olmaq, eləcə də materialları ətraf mühitlə gözlənilən kimyəvi və fiziki qarşılıqlı təsirlərdən qorumaq üçün istifadə olunur23.
Bir neçə mikrometrdən (10-20 mikrometrdən aşağı) 30 mikrometrdən çox və ya hətta bir neçə millimetr qalınlığa qədər uyğun qoruyucu təbəqələr tətbiq etmək üçün müxtəlif üsullar və texnikalardan istifadə etmək olar. Ümumiyyətlə, örtük prosesləri iki kateqoriyaya bölünə bilər: (i) elektrokaplama, elektrokaplama və isti daldırma ilə sinkləmə daxil olmaqla yaş örtük üsulları və (ii) lehimləmə, sərt üzləmə, fiziki buxar çökdürmə (PVD) daxil olmaqla quru örtük üsulları. ), kimyəvi buxar çökdürmə (CVD), termal püskürtmə üsulları və son zamanlarda soyuq püskürtmə üsulları 24 (Şəkil 1d).
Biofilmlər, səthlərə dönməz şəkildə yapışmış və öz-özünə istehsal olunan hüceyrədənkənar polimerlər (EPS) ilə əhatə olunmuş mikrob icmaları kimi müəyyən edilir. Səthi olaraq yetkin biofilmin əmələ gəlməsi qida emalı, su sistemləri və səhiyyə də daxil olmaqla bir çox sənayedə əhəmiyyətli itkilərə səbəb ola bilər. İnsanlarda biofilmlərin əmələ gəlməsi ilə mikrob infeksiyalarının (Enterobacteriaceae və Staphylococci daxil olmaqla) 80%-dən çox halının müalicəsi çətindir. Bundan əlavə, yetkin biofilmlərin planktonik bakteriya hüceyrələri ilə müqayisədə antibiotik müalicəsinə 1000 dəfə daha davamlı olduğu bildirilir ki, bu da əsas terapevtik problem hesab olunur. Tarixən, ümumi üzvi birləşmələrdən əldə edilən antimikrob səth örtük materialları istifadə edilmişdir. Bu cür materiallarda tez-tez insanlar üçün potensial zərərli olan zəhərli komponentlər olsa da,25,26 bu, bakteriyaların ötürülməsinin və materialın parçalanmasının qarşısını almağa kömək edə bilər.
Biofilmin əmələ gəlməsi səbəbindən antibiotik müalicəsinə qarşı geniş yayılmış bakteriyaların müqaviməti, təhlükəsiz şəkildə tətbiq oluna bilən effektiv antimikrob membran örtüklü səthin hazırlanması zərurətinə səbəb oldu27. Bakterial hüceyrələrin yapışma səbəbindən biofilmlərə bağlana və əmələ gətirə bilmədiyi fiziki və ya kimyəvi anti-yapışan səthin hazırlanması bu prosesin ilk yanaşmasıdır27. İkinci texnologiya, antimikrob kimyəvi maddələri lazım olan yerə, yüksək konsentrasiyalı və xüsusi miqdarda çatdıran örtüklər hazırlamaqdır. Bu, bakteriyalara davamlı olan qrafen/germanium28, qara almaz29 və ZnO30 ilə aşqarlanmış almaz kimi karbon örtükləri kimi unikal örtük materiallarının hazırlanması yolu ilə əldə edilir ki, bu da biofilmin əmələ gəlməsi səbəbindən toksikliyin və müqavimətin inkişafını maksimum dərəcədə artıran bir texnologiyadır. Bundan əlavə, bakterial çirklənməyə qarşı uzunmüddətli qoruma təmin edən mikrob öldürücü kimyəvi maddələr ehtiva edən örtüklər getdikcə populyarlaşır. Hər üç prosedur örtüklü səthlərdə antimikrob aktivliyi göstərə bilsə də, hər birinin tətbiq strategiyası hazırlanarkən nəzərə alınmalı olan öz məhdudiyyətləri var.
Hazırda bazarda olan məhsullar bioloji aktiv maddələr üçün qoruyucu örtükləri təhlil etmək və sınaqdan keçirmək üçün vaxtın azlığı səbəbindən çətinlik çəkir. Şirkətlər iddia edirlər ki, məhsullar istifadəçilərə istənilən funksional aspektləri təqdim edəcək, lakin bu, hazırda bazarda olan məhsulların uğuruna maneə törədib. Gümüşdən əldə edilən birləşmələr hazırda istehlakçılar üçün mövcud olan antimikrobların böyük əksəriyyətində istifadə olunur. Bu məhsullar istifadəçiləri mikroorqanizmlərin potensial zərərli təsirindən qorumaq üçün nəzərdə tutulub. Gümüş birləşmələrinin gecikmiş antimikrob təsiri və əlaqəli toksikliyi tədqiqatçılara daha az zərərli alternativ hazırlamaq üçün təzyiqi artırır36,37. Həm daxildən, həm də xaricdən işləyən qlobal antimikrob örtük yaratmaq çətinlik olaraq qalır. Bu, sağlamlıq və təhlükəsizlik riskləri ilə əlaqədardır. İnsanlar üçün daha az zərərli olan bir antimikrob agenti kəşf etmək və onu daha uzun raf ömrü olan örtük substratlarına necə daxil edəcəyini anlamaq çox axtarılan bir məqsəddir38. Ən son antimikrob və antibioplenk materialları bakteriyaları ya birbaşa təmas yolu ilə, ya da aktiv agentin buraxılmasından sonra yaxın məsafədən öldürmək üçün hazırlanmışdır. Onlar bunu ilkin bakteriyaların adgeziyasını inhibə etməklə (səthdə zülal təbəqəsinin əmələ gəlməsinin qarşısını almaq da daxil olmaqla) və ya hüceyrə divarına müdaxilə edərək bakteriyaları öldürməklə edə bilərlər.
Əsasən, səth örtüyü, səth xüsusiyyətlərini yaxşılaşdırmaq üçün komponentin səthinə başqa bir təbəqənin tətbiq edilməsi prosesidir. Səth örtüyünün məqsədi komponentin səthə yaxın bölgəsinin mikrostrukturunu və/və ya tərkibini dəyişdirməkdir39. Səth örtüyü üsulları Şəkil 2a-da ümumiləşdirilmiş müxtəlif üsullara bölünə bilər. Örtüklərin yaradılması üçün istifadə olunan üsuldan asılı olaraq örtüklər termal, kimyəvi, fiziki və elektrokimyəvi kateqoriyalara bölünə bilər.
(a) Əsas səth hazırlama üsullarını göstərən əlavə və (b) soyuq püskürtmə metodunun seçilmiş üstünlükləri və çatışmazlıqları.
Soyuq püskürtmə texnologiyasının ənənəvi termal püskürtmə texnikaları ilə çox oxşar cəhətləri var. Bununla belə, soyuq püskürtmə prosesini və soyuq püskürtmə materiallarını xüsusilə unikal edən bəzi əsas fundamental xüsusiyyətlər də mövcuddur. Soyuq püskürtmə texnologiyası hələ yeni inkişaf mərhələsindədir, lakin onun böyük gələcəyi var. Bəzi hallarda soyuq püskürtmənin unikal xüsusiyyətləri böyük faydalar təqdim edir və ənənəvi termal püskürtmə texnikalarının məhdudiyyətlərini aradan qaldırır. Bu, tozun substrata çökdürülməsi üçün əridilməli olduğu ənənəvi termal püskürtmə texnologiyasının əhəmiyyətli məhdudiyyətlərini aradan qaldırır. Aydındır ki, bu ənənəvi örtük prosesi nanokristallar, nanopartikullar, amorf və metal şüşələr kimi çox temperatur həssas materiallar üçün uyğun deyil40, 41, 42. Bundan əlavə, termal püskürtmə örtük materialları həmişə yüksək məsaməlilik və oksid səviyyəsinə malikdir. Soyuq püskürtmə texnologiyasının termal püskürtmə texnologiyasına nisbətən bir çox əhəmiyyətli üstünlükləri var, məsələn: (i) substrata minimal istilik girişi, (ii) substrat örtüyünün seçilməsində elastiklik, (iii) faza transformasiyasının və dənəcik böyüməsinin olmaması, (iv) yüksək yapışma gücü1 .39 (Şəkil 2b). Bundan əlavə, soyuq püskürtmə örtük materialları yüksək korroziyaya davamlılığa, yüksək möhkəmliyə və sərtliyə, yüksək elektrik keçiriciliyinə və yüksək sıxlığa malikdir41. Soyuq püskürtmə prosesinin üstünlüklərinə baxmayaraq, Şəkil 2b-də göstərildiyi kimi, bu metodun hələ də bəzi çatışmazlıqları var. Al2O3, TiO2, ZrO2, WC və s. kimi təmiz keramika tozlarını örtərkən soyuq püskürtmə metodundan istifadə etmək olmaz. Digər tərəfdən, keramika/metal kompozit tozları örtüklər üçün xammal kimi istifadə edilə bilər. Eyni şey digər termal püskürtmə üsullarına da aiddir. Çətin səthləri və boruların daxili hissələrini püskürtmək hələ də çətindir.
Hazırkı işin metal şüşəvari tozların örtüklər üçün başlanğıc material kimi istifadəsinə yönəldiyini nəzərə alsaq, bu məqsəd üçün ənənəvi termal püskürtmənin istifadə edilə bilməyəcəyi aydındır. Bu, metal şüşəvari tozların yüksək temperaturda kristallaşması ilə əlaqədardır1.
Tibbi və qida sənayesində istifadə olunan alətlərin əksəriyyəti cərrahi alətlərin istehsalı üçün xrom tərkibi 12-20 çəki% olan austenitik paslanmayan polad ərintilərindən (SUS316 və SUS304) hazırlanır. Polad ərintilərində ərinti elementi kimi xrom metalının istifadəsinin standart polad ərintilərinin korroziyaya davamlılığını əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdıra biləcəyi ümumiyyətlə qəbul edilir. Paslanmayan polad ərintiləri, yüksək korroziyaya davamlılığına baxmayaraq, əhəmiyyətli antimikrob xüsusiyyətlərinə malik deyil38,39. Bu, onların yüksək korroziyaya davamlılığı ilə ziddiyyət təşkil edir. Bundan sonra, əsasən paslanmayan polad biomateriallarının səthində bakterial yapışma və kolonizasiya ilə əlaqəli infeksiya və iltihabın inkişafını proqnozlaşdırmaq mümkündür. Bakterial yapışma və biofilm əmələ gəlməsi yolları ilə əlaqəli əhəmiyyətli çətinliklər səbəbindən ciddi çətinliklər yarana bilər ki, bu da insan sağlamlığına birbaşa və ya dolayı yolla təsir göstərə biləcək bir çox nəticələrə səbəb ola bilər.
Bu tədqiqat, Küveyt Elmin İnkişafı Fondu (KFAS) tərəfindən maliyyələşdirilən, 2010-550401 nömrəli müqavilə nömrəli layihənin birinci mərhələsidir. Layihənin məqsədi MA texnologiyasından istifadə edərək metal şüşəli Cu-Zr-Ni üçlü tozlarının istehsalının mümkünlüyünü araşdırmaqdır (cədvəl). 1) SUS304 antibakterial səth qoruyucu film/örtük istehsalı üçün. Layihənin 2023-cü ilin yanvar ayında başlaması planlaşdırılan ikinci mərhələsində sistemin qalvanik korroziya xüsusiyyətləri və mexaniki xüsusiyyətləri ətraflı öyrəniləcək. Müxtəlif növ bakteriyalar üçün ətraflı mikrobioloji testlər aparılacaq.
Bu məqalədə morfoloji və struktur xüsusiyyətlərinə əsaslanaraq Zr ərintisinin tərkibinin şüşə əmələ gətirmə qabiliyyətinə (GFA) təsiri müzakirə olunur. Bundan əlavə, toz boya ilə örtülmüş metal şüşə/SUS304 kompozitinin antibakterial xüsusiyyətləri də müzakirə edilmişdir. Bundan əlavə, hazırlanmış metal şüşə sistemlərinin super soyudulmuş maye bölgəsində soyuq püskürtmə zamanı metal şüşə tozlarının struktur transformasiyasının mümkünlüyünü araşdırmaq üçün davamlı işlər görülmüşdür. Bu tədqiqatda nümunəvi nümunələr kimi Cu50Zr30Ni20 və Cu50Zr20Ni30 metal şüşə ərintilərindən istifadə edilmişdir.
Bu bölmədə aşağı enerjili top frezeleme zamanı elementar Cu, Zr və Ni tozlarında baş verən morfoloji dəyişikliklər təqdim olunur. Təsvir nümunələri kimi Cu50Zr20Ni30 və Cu50Zr40Ni10-dan ibarət iki fərqli sistem istifadə olunacaq. MA prosesi üç ayrı mərhələyə bölünə bilər ki, bu da üyütmə mərhələsində əldə edilən tozun metalloqrafik xarakteristikasından görünür (Şəkil 3).
Kürəcikli üyütmənin müxtəlif mərhələlərindən sonra əldə edilən mexaniki ərintilərin (MA) tozlarının metalloqrafik xüsusiyyətləri. 3, 12 və 50 saat ərzində aşağı enerjili kürəcikli üyütmədən sonra əldə edilən MA və Cu50Zr40Ni10 tozlarının sahə emissiya skanlama elektron mikroskopiyası (FE-SEM) təsvirləri eyni MA-da olarkən Cu50Zr20Ni30 sistemi üçün (a), (c) və (e)-də göstərilmişdir. Zamanla çəkilmiş Cu50Zr40Ni10 sisteminin müvafiq təsvirləri (b), (d) və (f)-də göstərilmişdir.
Kürə üyütmə zamanı metal tozuna ötürülə bilən effektiv kinetik enerji, Şəkil 1a-da göstərildiyi kimi, bir sıra parametrlərin kombinasiyasından təsirlənir. Buraya kürə və tozlar arasında toqquşmalar, üyütmə mühitləri arasında və ya aralarında ilişib qalmış tozun kəsici sıxılması, düşən kürələrdən gələn zərbələr, kürə dəyirmanının hərəkət edən gövdələri arasında toz sürüklənməsinin yaratdığı kəsici və aşınma və yüklənmiş kulturadan yayılan düşən kürələrdən keçən zərbə dalğası daxildir (Şəkil 1a). Elementarnıe poroshki Cu, Zr və Ni ilə silno deformasiyanı iz-za holodnoy svarki ilə ранней стадии МА (3 ç), belə privelo k obrazovaniyu krupnıx chastit poroshka (> 1 mm v diametr). Elementar Cu, Zr və Ni tozları MA-nın erkən mərhələsində (3 saat) soyuq qaynaq nəticəsində ciddi şəkildə deformasiyaya uğramış və bu da böyük toz hissəciklərinin (diametri > 1 mm) əmələ gəlməsinə səbəb olmuşdur.Bu böyük kompozit hissəciklər, Şəkil 3a, b-də göstərildiyi kimi, ərinti elementlərinin (Cu, Zr, Ni) qalın təbəqələrinin əmələ gəlməsi ilə xarakterizə olunur. MA müddətinin 12 saata (ara mərhələ) qədər artması, Şəkil 3c-də göstərildiyi kimi, top dəyirmanının kinetik enerjisinin artmasına səbəb oldu ki, bu da kompozit tozun daha kiçik tozlara (200 μm-dən az) parçalanmasına səbəb oldu. Bu mərhələdə tətbiq olunan kəsmə qüvvəsi, Şəkil 3c, d-də göstərildiyi kimi, nazik Cu, Zr, Ni işarə təbəqələri olan yeni bir metal səthin əmələ gəlməsinə səbəb olur. Lopaların sərhədində təbəqələrin üyüdülməsi nəticəsində yeni fazaların əmələ gəlməsi ilə bərk fazalı reaksiyalar baş verir.
MA prosesinin kulminasiya nöqtəsində (50 saatdan sonra) lopa metaloqrafiyası çətinliklə nəzərə çarpırdı (Şəkil 3e, f) və tozun cilalanmış səthində güzgü metaloqrafiyası müşahidə edildi. Bu o deməkdir ki, MA prosesi tamamlandı və tək reaksiya mərhələsi yaradıldı. Şəkil 3e-də (I, II, III), f, v, vi) göstərilən bölgələrin element tərkibi sahə emissiyası skanlama elektron mikroskopiyası (FE-SEM) ilə enerji dispersiyalı rentgen spektroskopiyası (EDS) ilə birlikdə təyin edildi. (IV).
Cədvəldə 2 elementar konsentrasiya Şəkil 3e, f-də seçilmiş hər bir bölgənin ümumi kütləsinin faizi kimi lehimli elementlər göstərilir. Bu nəticələri Cədvəl 1-də verilmiş Cu50Zr20Ni30 və Cu50Zr40Ni10-un ilkin nominal tərkibləri ilə müqayisə etmək göstərir ki, bu iki son məhsulun tərkibi nominal tərkiblərə çox yaxındır. Bundan əlavə, Şəkil 3e, f-də sadalanan bölgələr üçün komponentlərin nisbi dəyərləri hər bir nümunənin tərkibində bir bölgədən digərinə əhəmiyyətli dərəcədə pisləşmə və ya dəyişiklik olduğunu göstərmir. Bu, bir bölgədən digərinə tərkibində heç bir dəyişiklik olmaması ilə sübut olunur. Bu, Cədvəl 2-də göstərildiyi kimi vahid lehimli tozların istehsalını göstərir.
Cu50(Zr50-xNix) son məhsul tozunun FE-SEM mikroqrafları Şəkil 4a-d-də göstərildiyi kimi 50 MA dəfədən sonra əldə edilmişdir, burada x müvafiq olaraq 10, 20, 30 və 40 at.% -dir. Bu üyütmə mərhələsindən sonra, Şəkil 4-də göstərildiyi kimi, diametri 73 ilə 126 nm arasında olan ultra incə hissəciklərdən ibarət böyük aqreqatların əmələ gəlməsinə səbəb olan van der Waals effekti səbəbindən toz aqreqatları əmələ gəlir.
50 saatlıq MA-dan sonra əldə edilən Cu50(Zr50-xNix) tozlarının morfoloji xüsusiyyətləri. Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40 sistemləri üçün 50 MA-dan sonra əldə edilən tozların FE-SEM təsvirləri müvafiq olaraq (a), (b), (c) və (d)-də göstərilmişdir.
Tozları soyuq püskürtmə vericisinə yükləməzdən əvvəl, onlar əvvəlcə analitik dərəcəli etanolda 15 dəqiqə ultrasəslə işlənmiş və sonra 150°C-də 2 saat qurudulmuşdur. Bu addım örtük prosesində tez-tez bir çox ciddi problemlərə səbəb olan aqlomerasiya ilə uğurla mübarizə aparmaq üçün atılmalıdır. MA prosesi başa çatdıqdan sonra, ərinti tozlarının homojenliyini araşdırmaq üçün əlavə tədqiqatlar aparılmışdır. Şəkil 5a–d-də müvafiq olaraq 50 saat M vaxtdan sonra çəkilmiş Cu50Zr30Ni20 ərintisinin Cu, Zr və Ni ərinti elementlərinin FE-SEM mikroqraflarını və müvafiq EDS şəkillərini göstərin. Qeyd etmək lazımdır ki, bu addımdan sonra əldə edilən ərinti tozları homojendir, çünki Şəkil 5-də göstərildiyi kimi, subnanometr səviyyəsindən kənarda heç bir tərkib dalğalanmaları göstərmirlər.
FE-SEM/Enerji Dispersiyaedici Rentgen Spektroskopiyası (EDS) ilə 50 MA-dan sonra əldə edilən MG Cu50Zr30Ni20 tozundakı elementlərin morfologiyası və lokal paylanması. (a) (b) Cu-Kα, (c) Zr-Lα və (d) Ni-Kα-nın SEM və rentgen EDS görüntüləməsi.
50 saatlıq MA-dan sonra əldə edilən mexaniki ərintili Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30 və Cu50Zr20Ni30 tozlarının rentgen difraksiya nümunələri müvafiq olaraq Şəkil 6a–d-də göstərilmişdir. Bu üyütmə mərhələsindən sonra, fərqli Zr konsentrasiyalarına malik bütün nümunələr Şəkil 6-da göstərilən xarakterik halo diffuziya nümunələri ilə amorf strukturlara malik idi.
Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c) və Cu50Zr20Ni30 (d) tozlarının 50 saat ərzində MA-dan sonra rentgen difraksiyası nümunələri. İstisnasız olaraq bütün nümunələrdə amorf fazanın əmələ gəlməsini göstərən halo-diffuziya nümunəsi müşahidə edilmişdir.
Müxtəlif MA vaxtlarında top üyütmə nəticəsində yaranan tozların struktur dəyişikliklərini müşahidə etmək və yerli quruluşunu anlamaq üçün yüksək qətnaməli sahə emissiya ötürücü elektron mikroskopiyası (FE-HRTEM) istifadə edilmişdir. Cu50Zr30Ni20 və Cu50Zr40Ni10 tozlarının üyüdülməsinin erkən (6 saat) və aralıq (18 saat) mərhələlərindən sonra FE-HRTEM metodu ilə əldə edilən tozların təsvirləri müvafiq olaraq Şəkil 7a-da göstərilmişdir. MA-nın 6 saatından sonra əldə edilən tozun parlaq sahə təsvirinə (BFI) əsasən, toz fcc-Cu, hcp-Zr və fcc-Ni elementlərinin aydın şəkildə müəyyən edilmiş sərhədləri olan böyük dənələrdən ibarətdir və Şəkil 7a-da göstərildiyi kimi reaksiya fazasının əmələ gəlməsi əlamətləri yoxdur. Bundan əlavə, orta bölgədən (a) götürülmüş korrelyasiyalı seçilmiş sahə difraksiya nümunəsi (SADP) böyük kristallitlərin mövcudluğunu və reaktiv fazanın olmamasını göstərən kəskin difraksiya nümunəsi (Şəkil 7b) aşkar etmişdir.
Erkən (6 saat) və orta (18 saat) mərhələlərdən sonra əldə edilən MA tozunun lokal struktur xüsusiyyətləri. (a) Yüksək qətnaməli sahə emissiya ötürmə elektron mikroskopiyası (FE-HRTEM) və (b) 6 saat MA müalicəsindən sonra Cu50Zr30Ni20 tozunun müvafiq seçilmiş sahə difraktoqramı (SADP). 18 saatlıq MA-dan sonra əldə edilən Cu50Zr40Ni10-un FE-HRTEM təsviri (c)-də göstərilmişdir.
Şəkil 7c-də göstərildiyi kimi, MA müddətinin 18 saata qədər artması plastik deformasiya ilə birlikdə ciddi qəfəs qüsurlarına səbəb oldu. MA prosesinin bu ara mərhələsində tozda müxtəlif qüsurlar, o cümlədən yığılma qüsurları, qəfəs qüsurları və nöqtə qüsurları görünür (Şəkil 7). Bu qüsurlar dənə sərhədləri boyunca böyük dənələrin 20 nm-dən kiçik alt dənələrə parçalanmasına səbəb olur (Şəkil 7c).
36 saat MA ərzində üyüdülən Cu50Z30Ni20 tozunun lokal strukturu, Şəkil 8a-da göstərildiyi kimi, amorf nazik matrisə yerləşdirilmiş ultra incə nanodənəciklərin əmələ gəlməsi ilə xarakterizə olunur. EMF-in lokal təhlili göstərdi ki, Şəkil 8a-da göstərilən nanoklasterlər emal olunmamış Cu, Zr və Ni toz ərintiləri ilə əlaqəlidir. Matrisdəki Cu tərkibi ~32 at.%-dən (zəif zona) ~74 at.%-ə (zəngin zona) qədər dəyişdi ki, bu da heterojen məhsulların əmələ gəlməsini göstərir. Bundan əlavə, bu mərhələdə üyüdüldükdən sonra əldə edilən tozların müvafiq SADP-ləri, Şəkil 8b-də göstərildiyi kimi, bu emal olunmamış ərinti elementləri ilə əlaqəli iti nöqtələrlə üst-üstə düşən birincili və ikincili halo-diffuziya amorf faza halqalarını göstərir.
Beyond 36 h-Cu50Zr30Ni20 tozunun nanosəviyyəli lokal struktur xüsusiyyətləri. (a) Parlaq sahə təsviri (BFI) və müvafiq (b) 36 saatlıq MA frezelemedən sonra əldə edilən Cu50Zr30Ni20 tozunun SADP-si.
MA prosesinin sonuna yaxın (50 saat), istisnasız olaraq Cu50(Zr50-xNix), X, 10, 20, 30 və 40 at.% tozları, Şəkil 1-də göstərildiyi kimi, amorf fazanın labirint morfologiyasına malikdir. Hər bir tərkibin müvafiq SADS-lərində nə nöqtə difraksiyası, nə də kəskin halqavari naxışlar aşkar edilə bilmədi. Bu, işlənməmiş kristal metalın olmamasını, əksinə amorf ərinti tozunun əmələ gəlməsini göstərir. Halo diffuziya naxışlarını göstərən bu əlaqəli SADP-lər də son məhsul materialında amorf fazaların inkişafı üçün dəlil kimi istifadə edilmişdir.
Cu50 MS sisteminin (Zr50-xNix) son məhsulunun lokal strukturu. 50 saatlıq MA-dan sonra əldə edilən (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 və (d) Cu50Zr10Ni40-un FE-HRTEM və korrelyasiya olunmuş nanoşüa difraksiya nümunələri (NBDP).
Diferensial skanlama kalorimetriyasından istifadə edərək, Cu50(Zr50-xNix) amorf sistemindəki Ni(x) tərkibinə əsasən şüşə keçid temperaturunun (Tg), super soyudulmuş maye bölgəsinin (ΔTx) və kristallaşma temperaturunun (Tx) istilik stabilliyi öyrənilmişdir. (DSC) He qaz axınındakı xüsusiyyətləri. 50 saat ərzində MA-dan sonra əldə edilən Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20 və Cu50Zr10Ni40 amorf ərintilərinin tozlarının DSC əyriləri müvafiq olaraq Şəkil 10a, b, e-də göstərilmişdir. Amorf Cu50Zr20Ni30-un DSC əyrisi isə Şəkil 10-da ayrıca göstərilmişdir. Bu arada, DSC-də ~700°C-yə qədər qızdırılan Cu50Zr30Ni20 nümunəsi Şəkil 10g-də göstərilmişdir.
50 saat MA-dan sonra əldə edilən Cu50(Zr50-xNix) MG tozlarının istilik stabilliyi şüşə keçid temperaturu (Tg), kristallaşma temperaturu (Tx) və super soyudulmuş maye bölgəsi (ΔTx) ilə müəyyən edilir. Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c) və (e) Cu50Zr10Ni40 MG ərinti tozlarının 50 saat MA-dan sonra diferensial skanlama kalorimetri (DSC) tozlarının termoqramları. DSC-də ~700°C-yə qədər qızdırılan Cu50Zr30Ni20 nümunəsinin rentgen difraksiya nümunəsi (XRD) (d)-də göstərilmişdir.
Şəkil 10-da göstərildiyi kimi, fərqli nikel konsentrasiyalarına (x) malik bütün tərkiblər üçün DSC əyriləri iki fərqli halı göstərir: biri endotermik, digəri isə ekzotermik. Birinci endotermik hadisə Tg-yə, ikincisi isə Tx ilə əlaqələndirilir. Tg və Tx arasında mövcud olan üfüqi span sahəsi subsoyudulmuş maye sahəsi adlanır (ΔTx = Tx – Tg). Nəticələr göstərir ki, 526°C və 612°C-də yerləşdirilmiş Cu50Zr40Ni10 nümunəsinin (Şəkil 10a) Tg və Tx tərkibi (x) müvafiq olaraq 482°C və 563°C-nin aşağı temperatur tərəfinə doğru %-də 20-yə qədər dəyişir. Şəkil 10b-də göstərildiyi kimi. Nəticə etibarilə, Cu50Zr30Ni20 üçün ΔTx Cu50Zr40Ni10 86°C-dən (Şəkil 10a) 81°C-yə enir (Şəkil 10b). MC Cu50Zr40Ni10 ərintisi üçün Tg, Tx və ΔTx dəyərlərinin 447°C, 526°C və 79°C səviyyələrinə qədər azalması da müşahidə edilmişdir (Şəkil 10b). Bu, Ni tərkibinin artmasının MS ərintisi istilik stabilliyinin azalmasına səbəb olduğunu göstərir. Əksinə, MC Cu50Zr20Ni30 ərintisi üçün Tg (507 °C) dəyəri MC Cu50Zr40Ni10 ərintisi üçün olduğundan daha aşağıdır; buna baxmayaraq, onun Tx dəyəri onunla müqayisə edilə bilən bir dəyər göstərir (612 °C). Buna görə də, ΔTx, şəkil 10-da göstərildiyi kimi daha yüksək bir dəyərə (87 °C) malikdir.
Nümunə olaraq Cu50Zr20Ni30 MC ərintisindən istifadə edən Cu50(Zr50-xNix) MC sistemi kəskin ekzotermik pik vasitəsilə fcc-ZrCu5, ortorombik-Zr7Cu10 və ortorombik-ZrNi kristal fazalarına kristallaşır (Şəkil 10c). Amorfdan kristallığa bu fazalı keçid DSC-də 700 °C-yə qədər qızdırılan MG nümunəsinin rentgen difraksiya analizi ilə təsdiqləndi (Şəkil 10d).
Şəkil 11-də cari işdə aparılan soyuq püskürtmə prosesi zamanı çəkilmiş fotoşəkillər göstərilir. Bu tədqiqatda, 50 saat ərzində MA-dan sonra sintez edilmiş metal şüşə toz hissəcikləri (nümunə olaraq Cu50Zr20Ni30 istifadə edilərək) antibakterial xammal kimi istifadə edilmiş və paslanmayan polad lövhə (SUS304) soyuq püskürtmə ilə örtülmüşdür. Soyuq püskürtmə metodu termal püskürtmə texnologiyası seriyasında örtük üçün seçilmişdir, çünki bu, amorf və nanokristal tozlar kimi metal metastabil istiliyə həssas materiallar üçün istifadə edilə bilən termal püskürtmə texnologiyası seriyasında ən səmərəli metoddur. Faza keçidlərinə məruz qalmır. Bu metodun seçilməsində əsas amil budur. Soyuq çökdürmə prosesi, hissəciklərin kinetik enerjisini substrat və ya əvvəllər çökdürülmüş hissəciklərlə toqquşma zamanı plastik deformasiyaya, deformasiyaya və istiliyə çevirən yüksək sürətli hissəciklərdən istifadə etməklə həyata keçirilir.
Sahə fotoşəkilləri 550°C-də MG/SUS 304-ün beş ardıcıl hazırlanması üçün istifadə edilən soyuq püskürtmə prosedurunu göstərir.
Örtük əmələ gəlməsi zamanı hissəciklərin kinetik enerjisi, eləcə də hər bir hissəciyin impulsu plastik deformasiya (matrisdə ilkin hissəciklər və hissəciklərarası qarşılıqlı təsirlər və hissəciklərin qarşılıqlı təsiri), bərk cisimlərin interstisial düyünləri, hissəciklər arasında fırlanma, deformasiya və məhdudlaşdırıcı istiləşmə 39 kimi mexanizmlər vasitəsilə digər enerji formalarına çevrilməlidir. Bundan əlavə, daxil olan kinetik enerjinin hamısı istilik enerjisinə və deformasiya enerjisinə çevrilməsə, nəticə elastik toqquşma olacaq ki, bu da hissəciklərin zərbədən sonra sadəcə sıçraması deməkdir. Qeyd edilmişdir ki, hissəcik/substrat materialına tətbiq olunan zərbə enerjisinin 90%-i yerli istiliyə çevrilir 40. Bundan əlavə, zərbə gərginliyi tətbiq edildikdə, çox qısa müddətdə hissəcik/substrat təmas bölgəsində yüksək plastik deformasiya sürətləri əldə edilir41,42.
Plastik deformasiya adətən enerjinin yayılması prosesi, daha doğrusu, səthlərarası bölgədə istilik mənbəyi kimi qəbul edilir. Lakin, səthlərarası bölgədə temperaturun artması adətən səthlərarası ərimənin baş verməsi və ya atomların qarşılıqlı diffuziyasının əhəmiyyətli dərəcədə stimullaşdırılması üçün kifayət deyil. Müəlliflərə məlum olan heç bir nəşrdə soyuq püskürtmə texnikalarından istifadə zamanı baş verən toz yapışmasına və çökməsinə bu metal şüşəvari tozların xüsusiyyətlərinin təsiri araşdırılmayıb.
MG Cu50Zr20Ni30 ərinti tozunun BFI-si Şəkil 12a-da SUS 304 substratına çökdürülmüş şəkildə görünə bilər (Şəkil 11, 12b). Şəkildən göründüyü kimi, örtüklü tozlar heç bir kristal xüsusiyyətləri və ya qəfəs qüsurları olmadan incə labirint quruluşuna malik olduqları üçün orijinal amorf quruluşlarını saxlayırlar. Digər tərəfdən, şəkil MG ilə örtülmüş toz matrisinə daxil olan nanohissəciklərdən də göründüyü kimi, yad fazanın mövcudluğunu göstərir (Şəkil 12a). Şəkil 12c I bölgəsi ilə əlaqəli indekslənmiş nanoşüa difraksiya nümunəsini (NBDP) göstərir (Şəkil 12a). Şəkil 12c-də göstərildiyi kimi, NBDP amorf quruluşun zəif halo-diffuziya nümunəsini nümayiş etdirir və kristal böyük kub metastabil Zr2Ni fazası və tetragonal CuO fazasına uyğun iti ləkələrlə birlikdə mövcuddur. CuO-nun əmələ gəlməsi, tozun püskürtmə tabancasının ucluğundan səsdən sürətli axında açıq havada SUS 304-ə keçərkən oksidləşməsi ilə izah edilə bilər. Digər tərəfdən, metal şüşəvari tozların devitrifikasiyası nəticəsində 550°C-də 30 dəqiqə ərzində soyuq püskürtmə ilə müalicədən sonra böyük kub fazalar əmələ gəlmişdir.
(a) (b) SUS 304 substratına çökdürülmüş MG tozunun FE-HRTEM təsviri (Şəkil əlavədə). (a)-da göstərilən dəyirmi simvolun NBDP indeksi (c)-də göstərilib.
Böyük kubik Zr2Ni nanopartikullarının əmələ gəlməsi üçün bu potensial mexanizmi sınaqdan keçirmək üçün müstəqil bir təcrübə aparıldı. Bu təcrübədə tozlar atomizatordan 550°C-də SUS 304 substratı istiqamətində püskürdüldü; lakin, tavlama effektini təyin etmək üçün tozlar SUS304 zolağından mümkün qədər tez (təxminən 60 saniyə) çıxarıldı. ). Tətbiqdən təxminən 180 saniyə sonra tozun substratdan çıxarıldığı başqa bir təcrübə seriyası aparıldı.
Şəkil 13a, b-də SUS 304 substratlarına müvafiq olaraq 60 saniyə və 180 saniyə ərzində çökdürülmüş iki materialın Skaner Ötürücü Elektron Mikroskopiyası (STEM) qaranlıq sahə (DFI) təsvirləri göstərilir. 60 saniyə ərzində çökdürülmüş toz təsvirində morfoloji detallar yoxdur və xüsusiyyətsizlik göstərilir (Şəkil 13a). Bu, Şəkil 14a-da göstərilən geniş birincili və ikincili difraksiya pikləri ilə göstərildiyi kimi, bu tozların ümumi strukturunun amorf olduğunu göstərən XRD ilə də təsdiqləndi. Bu, tozun orijinal amorf strukturunu saxladığı metastabil/mezofaz çöküntülərinin olmamasını göstərir. Əksinə, eyni temperaturda (550°C) çökdürülmüş, lakin substratda 180 saniyə qalmış toz, Şəkil 13b-dəki oxlarla göstərildiyi kimi, nanosif dənəciklərin çökməsini göstərdi.