Nature.com saytına daxil olduğunuz üçün təşəkkür edirik. İstifadə etdiyiniz brauzer versiyasında CSS dəstəyi məhduddur. Ən yaxşı təcrübə üçün yenilənmiş brauzerdən istifadə etməyinizi (və ya Internet Explorer-də uyğunluq rejimini söndürməyinizi) tövsiyə edirik. Bu vaxt ərzində davamlı dəstəyi təmin etmək üçün saytı stillər və JavaScript olmadan göstərəcəyik.
Biofilmlər, xüsusən də tibbi cihazlar iştirak etdikdə, 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 metodlarının və yeni materialların inkişafına səbəb olmuşdur. Bu metodlar səthləri biofilmin əmələ gəlməsini maneə törədən şəkildə örtməyi hədəfləyir. Xüsusilə mis və titan metalları olan metal şüşəsimon ərintilər ideal antimikrob örtüklər kimi ortaya çıxmışdır. Eyni zamanda, soyuq sprey texnologiyasının istifadəsi artmışdır, çünki bu, temperatura həssas materialların emalı üçün uyğun bir üsuldur. Bu tədqiqatın məqsədlərindən biri mexaniki lehimləmə üsullarından istifadə edərək üçlü Cu-Zr-Ni-dən ibarət yeni bir antibakterial film metal şüşə hazırlamaq idi. Son məhsulu təşkil edən sferik toz, aşağı temperaturda paslanmayan polad səthlərin soyuq sprey örtüyü 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 verən yeni materialların dizaynını və tətbiqini təşviq edə bilmişdir ki, bu da qloballaşan iqtisadiyyatda performansın və reytinqin yaxşılaşmasına səbəb olmuşdur1. Bu, həmişə insanın bir ölkədən və ya regiondan digərinə səhiyyə, təhsil, sənaye, iqtisadiyyat, mədəniyyət və digər sahələrdə nailiyyətlər əldə etmək üçün materiallar və istehsal avadanlıqları və materialların istehsalı və xarakteristikası üçün dizaynlar hazırlamaq qabiliyyəti ilə əlaqələndirilmişdir. Tərəqqi ölkədən və ya regiondan asılı olmayaraq ölçülür.2 60 ildir ki, materialşünas alimlər vaxtlarının çox hissəsini bir əsas məsələyə diqqət yetirməyə həsr ediblər: 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, material mikrostrukturunun modifikasiyası və istilik, mexaniki və ya termomexaniki emal üsullarının tətbiqi müxtəlif materialların mexaniki, kimyəvi və fiziki xüsusiyyətlərində əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşmalara səbəb olmuşdur. Bundan əlavə, indiyə qədər eşidilməmiş birləşmələr bu mərhələdə 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 dünyaya təqdim edilən qabaqcıl materialların yalnız bir neçə nümunəsidir. İstər son məhsulda, istərsə də istehsalının ara mərhələlərində üstün xüsusiyyətlərə malik yeni ərintilər istehsal edilərkən və inkişaf etdirilərkən, tez-tez balansdan çıxma problemi əlavə olunur. Tarazlıqdan əhəmiyyətli dərəcədə yayınmaq üçün 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 sürətlə bərkidən şüşəvari Au-25 at.% Si ərintilərini sintez etməklə metal ərintiləri konsepsiyasında inqilab gətirdi. 4. Professor Pol Duvezin kəşf hadisəsi təkcə metal şüşələr (MG) tarixinin başlanğıcını xəbər vermədi, həm də insanların metal ərintiləri haqqında düşüncə tərzində paradiqma dəyişikliyinə səbəb oldu. MG ərintilərinin sintezi sahəsində ən erkən qabaqcıl tədqiqatlardan bəri demək olar ki, bütün metal şüşələr tamamilə aşağıdakı üsullardan biri ilə istehsal edilmişdir; (i) ərimənin və ya buxarın sürətli bərkiməsi, (ii) qəfəsin atom pozğunluğu, (iii) təmiz metal elementlər arasında bərk hal amorflaşma reaksiyaları və (iv) metastabil fazaların bərk hal keçidləri.
MG-lər kristallarla əlaqəli uzun mənzilli atom nizamının olmaması ilə fərqlənir ki, bu da kristalların müəyyənedici xüsusiyyətidir. Bugünkü dünyada metal şüşə sahəsində böyük irəliləyişlər əldə edilmişdir. Onlar təkcə bərk cisim fizikasında deyil, həm də metallurgiya, səth kimyası, texnologiya, biologiya və bir çox digər sahələrdə maraq doğuran maraqlı xüsusiyyətlərə malik yeni materiallardır. Bu yeni material növü bərk metallardan fərqli xüsusiyyətlər nümayiş etdirir 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-dir.
Mexaniki ərintiləşdirmə (MA)1,8 nisbətən yeni bir texnikadır və ilk dəfə 19839-cu ildə Prof. CC Kock və həmkarları tərəfindən təqdim edilmişdir. Onlar otaq temperaturuna çox yaxın mühit temperaturunda təmiz elementlərin qarışığını üyütməklə amorf Ni60Nb40 tozları hazırlamışlar. Tipik olaraq, MA reaksiyası, adətən paslanmayan poladdan hazırlanmış reaktorda reaktiv material tozlarının diffuziya birləşmələri arasında aparılır. Kürə dəyirmanı 10 (Şəkil 1a, b). O vaxtdan bəri, bu mexaniki induksiyalı bərk hal reaksiya texnikası aşağı (Şəkil 1c) və yüksək enerjili kürə dəyirmanlarından, eləcə də çubuq dəyirmanlarından 11,12,13,14,15, 16 istifadə edərək yeni amorf/metal şüşə ərinti tozları hazırlamaq üçün istifadə edilmişdir. Xüsusilə, bu metod Cu-Ta17 kimi qarışmayan sistemlərin, eləcə də ənənəvi hazırlama yolları ilə əldə edilə bilməyən Al-keçid metal sistemləri (TM; Zr, Hf, Nb və Ta) 18,19 və Fe-W20 kimi yüksək ərimə nöqtəli ərintilərin hazırlanması üçün istifadə edilmişdir. Bundan əlavə, MA metal oksidlərinin, karbidlərin, nitridlərin, hidridlərin, karbon nanotübüklərinin sənaye miqyaslı nanokristal və nanokompozit toz hissəciklərinin hazırlanması üçün ən güclü nanotexnologiya vasitələrindən biri hesab olunur. nanoalmazlar, eləcə də yuxarıdan aşağıya yanaşma 1 və metastabil mərhələlər vasitəsilə geniş stabilizasiya.
Bu tədqiqatda Cu50(Zr50−xNix) metal şüşə (MG) örtüyü/SUS 304 hazırlamaq üçün istifadə edilən istehsal üsulunu göstərən sxem.(a) Aşağı enerjili top freze texnikasından istifadə edərək müxtəlif Ni konsentrasiyaları x (x; 10, 20, 30 və 40 at.%) olan MG ərinti tozlarının hazırlanması.(a) Başlanğıc material alət polad topları ilə birlikdə alət silindrinə yüklənir və (b) He atmosferi ilə doldurulmuş əlcək qutusunda möhürlənir.(c) Üyüdülmə zamanı top hərəkətini göstərən üyüdülmə qabının şəffaf modeli. 50 saatdan sonra əldə edilən tozun son məhsulu soyuq püskürtmə metodundan istifadə edərək SUS 304 substratını örtmək üçün istifadə edilmişdir (d).
Toplu material səthlərinə (substratlarına) gəldikdə, səth mühəndisliyi orijinal toplu materialda olmayan müəyyən fiziki, kimyəvi və texniki keyfiyyətləri təmin etmək üçün səthlərin (substratların) dizaynını və modifikasiyasını əhatə edir. Səth emalı ilə effektiv şəkildə yaxşılaşdırıla bilən bəzi xüsusiyyətlərə aşınma müqaviməti, oksidləşmə və korroziyaya davamlılıq, sürtünmə əmsalı, bio-inertlik, elektrik xüsusiyyətləri və istilik izolyasiyası daxildir. Səth keyfiyyəti metallurgiya, mexaniki və ya kimyəvi üsullardan istifadə etməklə yaxşılaşdırıla bilər. Tanınmış bir proses olaraq, örtük sadəcə başqa bir materialdan hazırlanmış toplu obyektin (substrat) səthinə süni şəkildə çökdürülmüş tək və ya çoxlu 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 və ya hətta bir neçə millimetrdən çox qalınlığa qədər uyğun səth qoruyucu təbəqələr qoymaq üçün bir çox metod və texnika tətbiq oluna bilər. Ümumiyyətlə, örtük prosesləri iki kateqoriyaya bölünə bilər: (i) elektrokaplama, elektrosiz örtük və isti daldırma sinkləmə üsulları daxil olmaqla yaş örtük üsulları və (ii) lehimləmə, səthləmə, fiziki buxar çöküntüsü (PVD), kimyəvi buxar çöküntüsü (CVD), termal püskürtmə üsulları və son zamanlarda soyuq püskürtmə üsulları 24 daxil olmaqla quru örtük üsulları (Şəkil 1d).
Biofilmlər, səthlərə dönməz şəkildə yapışmış və öz-özünə istehsal olunan hüceyrədənkənar polimerlər (EPS) ilə əhatə olunmuş mikrob icmaları kimi müəyyən edilir. Səthi yetkin biofilmin əmələ gəlməsi qida sənayesi, su sistemləri və səhiyyə mühiti də daxil olmaqla bir çox sənaye sektorunda əhəmiyyətli itkilərə səbəb ola bilər. İnsanlarda biofilmlər əmələ gəldikdə, 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. Ənənəvi üzvi birləşmələrdən əldə edilən antimikrob səth örtük materialları tarixən istifadə edilmişdir. Bu cür materiallarda tez-tez insanlar üçün potensial riskli olan zəhərli komponentlər olsa da,25,26 bu, bakteriyaların ötürülməsinin və materialın məhv olmasının qarşısını almağa kömək edə bilər.
Biofilmin əmələ gəlməsi səbəbindən bakteriyaların antibiotik müalicələrinə geniş yayılmış müqaviməti, təhlükəsiz şəkildə tətbiq oluna bilən effektiv antimikrob membran örtüklü bir səthin hazırlanması zərurətinə səbəb olmuşdur27. Bakteriya hüceyrələrinin yapışma səbəbindən biofilmlərə bağlanmasını və qurulmasını maneə törədən fiziki və ya kimyəvi anti-yapışan səthin hazırlanması bu prosesin ilk yanaşmasıdır27. İkinci texnologiya, antimikrob kimyəvi maddələrin lazım olan yerə, yüksək konsentrasiyalı və xüsusi miqdarda çatdırılmasına imkan verən örtüklər hazırlamaqdır. Buna, bakteriyalara davamlı olan qrafen/germanium28, qara almaz29 və ZnO ilə zənginləşdirilmiş almaz kimi karbon örtükləri30 kimi unikal örtük materialları hazırlamaqla nail olunur. Bu texnologiya biofilmin əmələ gəlməsi səbəbindən toksikliyi və müqavimət inkişafını əhəmiyyətli dərəcədə azaldır. Bundan əlavə, bakterial çirklənmədən uzunmüddətli qorunma təmin etmək üçün səthlərə mikrob öldürücü kimyəvi maddələr daxil edən örtüklər getdikcə populyarlaşır. Hər üç prosedur örtüklü səthlərdə antimikrob təsir göstərə bilsə də, tətbiq strategiyaları hazırlanarkən nəzərə alınmalı olan hər birinin öz məhdudiyyətləri var.
Hazırda bazarda olan məhsullar bioloji aktiv maddələr üçün qoruyucu örtükləri təhlil etmək və sınaqdan keçirmək üçün kifayət qədər vaxtın olmaması səbəbindən çətinlik çəkir. Şirkətlər iddia edirlər ki, məhsullar istifadəçilərə arzuolunan funksional aspektlər təqdim edəcək; Lakin bu, hazırda bazarda olan məhsulların uğuruna maneə olmuşdur. Gümüşdən əldə edilən birləşmələr hazırda istehlakçılar üçün mövcud olan antimikrob terapiyalarının böyük əksəriyyətində istifadə olunur. Bu məhsullar istifadəçiləri mikroorqanizmlərin potensial təhlükəli təsirlərindən qorumaq üçün hazırlanmışdır. Gümüş birləşmələrinin gecikmiş antimikrob təsiri və əlaqəli toksikliyi tədqiqatçılara daha az zərərli alternativ hazırlamaq üçün təzyiqi artırır36,37. Həm qapalı məkanda, həm də çöldə işləyən qlobal antimikrob örtük yaratmaq hələ də çətin bir iş olduğunu sübut edir. Bu, həm sağlamlıq, həm də təhlükəsizlik üçün əlaqəli risklərlə 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, birbaşa təmas yolu ilə və ya aktiv agent buraxıldıqdan sonra bakteriyaları yaxın məsafədən öldürmək üçün hazırlanmışdır. Onlar bunu ilkin bakterial yapışmanı inhibə etməklə (səthdə protein təbəqəsinin əmələ gəlməsinin qarşısını almaq da daxil olmaqla) və ya hüceyrə divarına müdaxilə edərək bakteriyaları öldürməklə edə bilərlər.
Əsasən, səth örtüyü, səthlə əlaqəli keyfiyyətləri artırmaq üçün komponentin səthinə başqa bir təbəqənin yerləşdirilməsi prosesidir. Səth örtüyünün məqsədi komponentin səthə yaxın bölgəsinin mikrostrukturunu və/və ya tərkibini uyğunlaşdırmaqdır39. Səth örtük texnikaları Şəkil 2a-da ümumiləşdirilmiş müxtəlif üsullara bölünə bilər. Örtüklərin yaradılması üçün istifadə olunan üsuldan asılı olaraq, örtüklər istilik, kimyəvi, fiziki və elektrokimyəvi kateqoriyalara bölünə bilər.
(a) Səth üçün istifadə olunan əsas istehsal üsullarını və (b) soyuq püskürtmə texnikasının seçilmiş üstünlüklərini və çatışmazlıqlarını göstərən əlavə.
Soyuq sprey texnologiyası ənənəvi termal sprey üsulları ilə bir çox oxşarlıqlara malikdir. Bununla belə, soyuq sprey prosesini və soyuq sprey materiallarını xüsusilə unikal edən bəzi əsas fundamental xüsusiyyətlər də mövcuddur. Soyuq sprey texnologiyası hələ körpəlik dövründədir, lakin parlaq gələcəyi var. Müəyyən tətbiqlərdə soyuq spreyin unikal xüsusiyyətləri böyük faydalar təqdim edir və tipik termal sprey üsullarının daxili məhdudiyyətlərini aradan qaldırır. Bu, tozun substrata çökməsi üçün əridilməli olduğu ənənəvi termal sprey texnologiyasının əhəmiyyətli məhdudiyyətlərini aradan qaldırmaq üçün bir yol təqdim edir. 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 sprey örtük materialları həmişə yüksək məsaməlilik və oksid səviyyələri nümayiş etdirir. Soyuq sprey texnologiyası termal sprey texnologiyasına nisbətən bir çox əhəmiyyətli üstünlüklərə malikdir, məsələn: (i) substrata minimal istilik girişi, (ii) substrat örtük seçimlərində elastiklik, (iii) faza transformasiyasının və dənəcik böyüməsinin olmaması, (iv) yüksək bağ gücü1,39 (Şəkil 2b). Bundan əlavə, soyuq sprey örtük materialları yüksək korroziyaya malikdir. müqavimət, yüksək möhkəmlik və sərtlik, yüksək elektrik keçiriciliyi və yüksək sıxlıq41. Soyuq püskürtmə prosesinin üstünlüklərinin əksinə olaraq, Şəkil 2b-də göstərildiyi kimi, bu texnikanın istifadəsində hələ də bəzi çatışmazlıqlar mövcuddur. 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. Mürəkkəb səthləri və daxili boru səthlərini püskürtmək hələ də çətindir.
Hazırkı işin metal şüşə tozlarından xam örtük materialları kimi istifadə etməyi hədəflədiyini nəzərə alsaq, bu məqsəd üçün ənənəvi termal püskürtmənin istifadə edilə bilməyəcəyi aydındır. Bunun səbəbi metal şüşə tozlarının yüksək temperaturda kristallaşmasıdır1.
Tibbi və qida sənayesində istifadə olunan alətlərin əksəriyyəti cərrahi alətlərin istehsalı üçün xrom tərkibi 12 ilə 20 çəki% arasında olan austenitik paslanmayan polad ərintilərindən (SUS316 və SUS304) hazırlanır. Polad ərintilərində ərinti elementi kimi xrom metalının istifadəsinin standart polad ərintilərinin korroziyaya davamlılığını xeyli yaxşılaşdıra biləcəyi ümumiyyətlə qəbul edilir. Paslanmayan polad ərintiləri, yüksək korroziyaya davamlılığına baxmayaraq, əhəmiyyətli antimikrob xüsusiyyətləri nümayiş etdirmir38,39. Bu, onların yüksək korroziyaya davamlılığı ilə ziddiyyət təşkil edir. Bundan sonra, əsasən paslanmayan polad biomateriallarının səthində bakterial yapışma və kolonizasiya səbəbindən infeksiya və iltihabın inkişafı proqnozlaşdırıla bilər. Bakterial yapışma və biofilm əmələ gəlməsi yolları ilə əlaqəli əhəmiyyətli çətinliklər səbəbindən ciddi çətinliklər yarana bilər ki, bu da sağlamlığın pisləşməsinə səbəb ola bilər ki, bu da birbaşa və ya dolayı yolla insan sağlamlığına təsir göstərə biləcək bir çox nəticələrə səbəb ola bilər.
Bu tədqiqat, Küveyt Elmin İnkişafı Fondu (KFAS) tərəfindən maliyyələşdirilən, 2010-550401 nömrəli Müqavilə №-li layihənin birinci mərhələsidir. Layihənin məqsədi antibakterial film/SUS304 səth qoruyucu örtüyünün istehsalı üçün MA texnologiyasından (Cədvəl 1) istifadə edərək metallik şüşəli Cu-Zr-Ni üçlü tozlarının istehsalının mümkünlüyünü araşdırmaqdır. Layihənin 2023-cü ilin yanvar ayında başlaması planlaşdırılan ikinci mərhələsində sistemin elektrokimyəvi korroziya xüsusiyyətləri və mexaniki xüsusiyyətləri ətraflı araşdırılacaq. Müxtəlif bakteriya növləri üçün ətraflı mikrobioloji testlər aparılacaq.
Bu məqalədə, Zr ərinti elementinin tərkibinin morfoloji və struktur xüsusiyyətlərinə əsasən şüşə əmələ gətirmə qabiliyyətinə (GFA) təsiri müzakirə olunur. Bundan əlavə, örtüklü metal şüşə toz örtüyünün/SUS304 kompozitinin antibakterial xüsusiyyətləri də müzakirə edilmişdir. Bundan əlavə, hazırlanmış metal şüşə sistemlərinin subsoyudulmuş maye bölgəsində soyuq püskürtmə zamanı metal şüşə tozlarının struktur transformasiyasının mümkünlüyünü araşdırmaq üçün cari işlər aparılmışdır. Nümunəvi nümunələr olaraq, bu tədqiqatda Cu50Zr30Ni20 və Cu50Zr20Ni30 metal şüşə ərintilərindən istifadə edilmişdir.
Bu bölmədə, aşağı enerjili top frezeleme prosesində elementar Cu, Zr və Ni tozlarının morfoloji dəyişiklikləri təqdim olunur. Təsvir nümunələri olaraq, Cu50Zr20Ni30 və Cu50Zr40Ni10-dan ibarət iki fərqli sistem nümunə kimi istifadə ediləcək. Üyütmə mərhələsində istehsal olunan tozun metalloqrafik xarakteristikasında göstərildiyi kimi, MA prosesi üç fərqli mərhələyə bölünə bilər (Şəkil 3).
Kürəcikli freze vaxtının müxtəlif mərhələlərindən sonra əldə edilən mexaniki ərinti (MA) tozlarının metalloqrafik xüsusiyyətləri. 3, 12 və 50 saatlıq aşağı enerjili kürəcikli freze vaxtlarından sonra əldə edilən MA və Cu50Zr40Ni10 tozlarının sahə emissiyası skanlama elektron mikroskopiyası (FE-SEM) təsvirləri Cu50Zr20Ni30 sistemi üçün (a), (c) və (e)-də, eyni MA-da isə zamandan sonra çəkilmiş Cu50Zr40Ni10 sisteminin müvafiq təsvirləri (b), (d) və (f)-də göstərilmişdir.
Top frezeleme zamanı metal tozuna ötürülə bilən effektiv kinetik enerji, Şəkil 1a-da göstərildiyi kimi, parametrlərin kombinasiyasından təsirlənir. Buraya toplar və tozlar arasında toqquşmalar, üyüdücü mühitlər arasında və ya aralarında ilişib qalmış tozun sıxılma ilə kəsilməsi, düşən topların təsiri, hərəkət edən top frezeleme mühitləri arasında toz sürüklənməsindən qaynaqlanan kəsmə və aşınma və məhsul yükləri arasında yayılan düşən toplardan keçən zərbə dalğası daxildir (Şəkil 1a). Elementar Cu, Zr və Ni tozları MA-nın erkən mərhələsində (3 saat) soyuq qaynaq səbəbindən ciddi şəkildə deformasiyaya uğramış və nəticədə böyük toz hissəcikləri (diametri >1 mm) əmələ gəlmişdir. 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) artırılması top dəyirmanının kinetik enerjisinin artmasına səbəb olmuş və nəticədə kompozit toz daha incə tozlara (200 µm-dən az) parçalanmışdır, Şəkil 3c, d-də göstərildiyi kimi. Bu mərhələdə tətbiq olunan kəsmə qüvvəsi Şəkil 3c, d-də göstərildiyi kimi, incə Cu, Zr, Ni işarə təbəqələri olan yeni bir metal səthinin əmələ gəlməsinə gətirib çıxarır. Təbəqənin təmizlənməsi nəticəsində yeni fazalar yaratmaq üçün lopaların sərhədində bərk fazalı reaksiyalar baş verir.
MA prosesinin kulminasiya nöqtəsində (50 saatdan sonra), qabıqlı metalloqrafiya yalnız zəif görünürdü (Şəkil 3e, f), lakin tozun cilalanmış səthi güzgü metalloqrafiyasını göstərirdi. Bu o deməkdir ki, MA prosesi başa çatıb və tək reaksiya fazasının yaradılması baş verib. Şəkil 3e-də (I, II, III), f, v, vi) indekslənmiş bölgələrin element tərkibi sahə emissiyası skanlama elektron mikroskopiyası (FE-SEM) və enerji dispersiyaedici rentgen spektroskopiyası (EDS) (IV) istifadə edilərək müəyyən edilmişdir.
Cədvəl 2-də, ərinti elementlərinin element konsentrasiyaları Şəkil 3e, f-də seçilmiş hər bir bölgənin ümumi çəkisinin faizi kimi göstərilir. Bu nəticələri Cədvəl 1-də sadalanan Cu50Zr20Ni30 və Cu50Zr40Ni10-un başlanğıc nominal tərkibləri ilə müqayisə etdikdə, bu iki son məhsulun tərkiblərinin nominal tərkiblərə çox oxşar dəyərlərə malik olduğu görünür. Bundan əlavə, Şəkil 3e, f-də sadalanan bölgələr üçün nisbi komponent dəyərləri hər bir nümunənin tərkibində bir bölgədən digərinə əhəmiyyətli dərəcədə pisləşmə və ya dalğalanma demək deyil. Bu, bir bölgədən digərinə tərkibdə heç bir dəyişiklik olmaması ilə sübut olunur. Bu, Cədvəl 2-də göstərildiyi kimi, homogen ərinti tozlarının istehsalına işarə edir.
Şəkil 4a–d-də göstərildiyi kimi, son məhsul Cu50(Zr50−xNix) tozunun FE-SEM mikroqrafları 50 MA dəfədən sonra əldə edilmişdir, burada x müvafiq olaraq 10, 20, 30 və 40 at.% -dir. Bu üyütmə mərhələsindən sonra, toz aqreqatları van der Waals effekti səbəbindən əmələ gəlir və nəticədə Şəkil 4-də göstərildiyi kimi, diametri 73 ilə 126 nm arasında dəyişən ultra incə hissəciklərdən ibarət böyük aqreqatlar əmələ gəlir.
50 saatlıq MA müddətindən sonra əldə edilən Cu50(Zr50−xNix) tozlarının morfoloji xüsusiyyətləri. Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40 sistemləri üçün 50 MA müddətindən sonra əldə edilən tozların FE-SEM təsvirləri müvafiq olaraq (a), (b), (c) və (d)-də göstərilmişdir.
Tozları soyuq püskürtmə cihazına yükləməzdən əvvəl, onlar əvvəlcə analitik dərəcəli etanolda 15 dəqiqə ultrasəslə işlənmiş və sonra 150°C-də 2 saat qurudulmuşdur. Örtük prosesi boyunca tez-tez bir çox ciddi problemlərə səbəb olan aqlomerasiya ilə uğurla mübarizə aparmaq üçün bu addım atılmalıdır. MA prosesi başa çatdıqdan sonra, ərinti tozlarının homojenliyini araşdırmaq üçün əlavə xarakteristikalar aparılmışdır. Şəkil 5a–d-də müvafiq olaraq 50 saat M vaxtdan sonra əldə edilən Cu50Zr30Ni20 ərintisinin Cu, Zr və Ni ərinti elementlərinin FE-SEM mikroqrafları və müvafiq EDS şəkilləri göstərilir. Qeyd etmək lazımdır ki, bu addımdan sonra istehsal olunan ərinti tozları, Şəkil 5-də göstərildiyi kimi, subnanometr səviyyəsindən kənarda heç bir tərkib dalğalanmaları göstərmədiyi üçün homojendir.
FE-SEM/enerji dispersiyaedici rentgen spektroskopiyası (EDS) ilə 50 MA dəfədən sonra əldə edilən MG Cu50Zr30Ni20 tozunun morfologiyası və lokal elementar paylanması.(a) (b) Cu-Kα, (c) Zr-Lα və (d) Ni-Kα təsvirlərinin SEM və rentgen EDS xəritələşdirilməsi.
50 saatlıq MA müddətindən sonra əldə edilən mexaniki ərintili Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30 və Cu50Zr20Ni30 tozlarının XRD nümunələri müvafiq olaraq Şəkil 6a–d-də göstərilmişdir. Frezelemenin bu mərhələsindən sonra, fərqli Zr konsentrasiyalarına malik bütün nümunələr Şəkil 6-da göstərilən xarakterik halo diffuziya nümunələri ilə amorf strukturlar göstərmişdir.
(a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 və (d) Cu50Zr20Ni30 tozlarının 50 saatlıq MA müddətindən sonra rentgen görüntüləmə nümunələri. İstisnasız olaraq bütün nümunələrdə halo diffuziya nümunəsi müşahidə olunmuşdur ki, bu da amorf fazanın əmələ gəlməsini göstərir.
Müxtəlif MA vaxtlarında top frezeleme nəticəsində yaranan tozların struktur dəyişikliklərini müşahidə etmək və yerli quruluşunu anlamaq üçün sahə emissiyası yüksək qətnaməli ötürücü elektron mikroskopiyası (FE-HRTEM) istifadə edilmişdir. Cu50Zr30Ni20 və Cu50Zr40Ni10 tozları üçün frezelemenin erkən (6 saat) və aralıq (18 saat) mərhələlərindən sonra əldə edilən tozların FE-HRTEM şəkilləri müvafiq olaraq Şəkil 7a, c-də göstərilmişdir. MA 6 saatdan sonra istehsal olunan tozun parlaq sahə təsvirinə (BFI) görə, toz fcc-Cu, hcp-Zr və fcc-Ni elementlərinin yaxşı müəyyən edilmiş sərhədləri olan böyük dənəciklərdən ibarətdir və Şəkil 7a-da göstərildiyi kimi reaksiya fazasının əmələ gəldiyi barədə heç bir əlamət yoxdur. Bundan əlavə, (a)-nın orta bölgəsindən götürülmüş korrelyasiyalı seçilmiş sahə difraksiya nümunəsi (SADP) böyük kristallitlərin mövcudluğunu və reaktiv fazanın olmamasını göstərən bir zirvə difraksiya nümunəsi aşkar etmişdir (Şəkil 7b).
Erkən (6 saat) və aralıq (18 saat) mərhələlərdən sonra əldə edilən MA tozunun lokal struktur xarakteristikası.(a) Sahə emissiyası yüksək dəqiqlikli ötürücü elektron mikroskopiyası (FE-HRTEM) və (b) 6 saat MA müalicəsindən sonra Cu50Zr30Ni20 tozunun müvafiq seçilmiş sahə difraksiyası nümunəsi (SADP). 18 saatlıq MA müddətindən sonra əldə edilən Cu50Zr40Ni10-un FE-HRTEM təsviri (c)-də göstərilmişdir.
Şəkil 7c-də göstərildiyi kimi, MA müddətinin 18 saata qədər uzadılması plastik deformasiya ilə birlikdə ciddi qəfəs qüsurlarına səbəb oldu. MA prosesinin bu ara mərhələsində toz yığılma qüsurları, qəfəs qüsurları və nöqtə qüsurları da daxil olmaqla müxtəlif qüsurlar nümayiş etdirir (Şəkil 7). Bu qüsurlar böyük dənələrin dənə sərhədləri boyunca 20 nm-dən kiçik ölçülü alt dənələrə bölünməsinə səbəb olur (Şəkil 7c).
Şəkil 8a-da göstərildiyi kimi, 36 saat MA vaxtı ərzində üyüdülən Cu50Z30Ni20 tozunun lokal strukturu amorf incə matrisə yerləşdirilmiş ultra incə nanodənələr əmələ gətirir. Yerli EDS analizi göstərdi ki, Şəkil 8a-da göstərilən bu nanoklasterlər emal olunmamış Cu, Zr və Ni toz ərinti elementləri ilə əlaqəlidir. Eyni zamanda, matrisin Cu tərkibi ~32 at.%-dən (arıq sahə) ~74 at.%-ə (zəngin sahə) 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, həmin xam ərinti elementləri ilə əlaqəli iti nöqtələrlə üst-üstə düşən amorf fazanın halo-diffuziya edən birincili və ikincili halqalarını göstərir.
36 h-Cu50Zr30Ni20 tozunun nanoskallı lokal struktur xüsusiyyətlərindən kənarda.(a) Parlaq sahə təsviri (BFI) və müvafiq (b) 36 saat MA müddəti ərzində frezedən sonra əldə edilən Cu50Zr30Ni20 tozunun SADP-si.
MA prosesinin sonuna yaxın (50 saat), Cu50(Zr50−xNix), X; 10, 20, 30 və 40 at.% tozları, Şəkil 9a–d-də göstərildiyi kimi, mütləq labirint amorf faza morfologiyasına malikdir. Hər bir tərkibin müvafiq SADP-sində nə nöqtəyəbənzər difraksiyalar, nə də kəskin halqavari naxışlar aşkar edilə bilmədi. Bu, emal olunmamış kristal metalın olmadığını, əksinə amorf ərinti tozunun əmələ gəldiyini göstərir. Halo diffuziya naxışlarını göstərən bu əlaqəli SADP-lər də son məhsul materialında amorf fazaların inkişafı üçün dəlil kimi istifadə edilmişdir.
MG Cu50 (Zr50−xNix) sisteminin son məhsulunun lokal quruluşu. 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).
Şüşə keçid temperaturunun (Tg), soyudulan maye bölgəsinin (ΔTx) və kristallaşma temperaturunun (Tx) amorf Cu50(Zr50−xNix) sisteminin Ni tərkibinin (x) funksiyası kimi istilik stabilliyi He qaz axını altında xüsusiyyətlərin diferensial skanlama kalorimetriyası (DSC) istifadə edilərək araşdırılmışdır. 50 saatlıq MA vaxtından sonra əldə edilən Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20 və Cu50Zr10Ni40 amorf ərinti tozlarının DSC izləri müvafiq olaraq Şəkil 10a, b, e-də göstərilmişdir. Amorf Cu50Zr20Ni30-un DSC əyrisi isə Şəkil 10c-də ayrıca göstərilmişdir. Bu arada, DSC-də ~700 °C-yə qədər qızdırılan Cu50Zr30Ni20 nümunəsi Şəkil 10d-də göstərilmişdir.
Şüşə keçid temperaturu (Tg), kristallaşma temperaturu (Tx) və soyudulan maye bölgəsi (ΔTx) ilə indeksləşdirildiyi kimi, 50 saatlıq MA müddətindən sonra əldə edilən Cu50(Zr50−xNix) MG tozlarının istilik stabilliyi. (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 və (e) Cu50Zr10Ni40 MG ərinti tozlarının 50 saatlıq MA müddətindən sonra diferensial skanlama kalorimetri (DSC) termoqramları. DSC-də ~700 °C-yə qədər qızdırılan Cu50Zr30Ni20 nümunəsinin rentgen difraksiyası (XRD) nümunəsi (d)-də göstərilmişdir.
Şəkil 10-da göstərildiyi kimi, fərqli Ni konsentrasiyalarına (x) malik bütün tərkiblərin DSC əyriləri iki fərqli halı göstərir: biri endotermik, digəri isə ekzotermik. Birinci endotermik hadisə Tg-yə uyğundur, ikincisi isə Tx ilə əlaqədardır. Tg və Tx arasında mövcud olan üfüqi span bölgəsi subsoyudulmuş maye bölgəsi adlanır (ΔTx = Tx – Tg). Nəticələr göstərir ki, 526°C və 612°C-də yerləşdirilən Cu50Zr40Ni10 nümunəsinin (Şəkil 10a) Tg və Tx, Şəkil 10b-də göstərildiyi kimi, Ni tərkibinin (x) artması ilə tərkibini (x) müvafiq olaraq 482°C və 563°C aşağı temperatur tərəfinə doğru 20 at.%-ə doğru dəyişir. Nəticə etibarilə, Cu50Zr40Ni10-un ΔTx-i Cu50Zr30Ni20 üçün 86 °C-dən (Şəkil 10a) 81 °C-yə enir (Şəkil 10a). 10b). MG Cu50Zr40Ni10 ərintisi üçün Tg, Tx və ΔTx dəyərlərinin 447°C, 526°C və 79°C səviyyəsinə qədər azaldığı da müşahidə edilmişdir (Şəkil 10b). Bu, Ni tərkibinin artmasının MG ərintisi istilik stabilliyinin azalmasına səbəb olduğunu göstərir. Bunun əksinə olaraq, MG Cu50Zr20Ni30 ərintisi Tg dəyəri (507 °C) MG Cu50Zr40Ni10 ərintisi ilə müqayisədə daha aşağıdır; buna baxmayaraq, onun Tx dəyəri əvvəlki ilə (612 °C) müqayisə edilə bilən bir dəyər göstərir. Buna görə də, Şəkil 10c-də göstərildiyi kimi, ΔTx daha yüksək bir dəyər (87 °C) nümayiş etdirir.
MG Cu50(Zr50−xNix) sistemi, MG Cu50Zr20Ni30 ərintisini nümunə götürərək, kəskin ekzotermik pik vasitəsilə fcc-ZrCu5, ortorombik-Zr7Cu10 və ortorombik-ZrNi kristal fazalarına kristallaşır (Şəkil 10c). Bu amorfdan kristal faza keçidi, DSC-də 700 °C-yə qədər qızdırılan MG nümunəsinin rentgenoqrafiyası ilə təsdiqləndi (Şəkil 10d).
Şəkil 11-də hazırkı işdə aparılan soyuq püskürtmə prosesi zamanı çəkilmiş fotoşəkillər göstərilir. Bu tədqiqatda, 50 saatlıq MA müddətindən sonra sintez edilmiş metal şüşəyə bənzər toz hissəcikləri (nümunə olaraq Cu50Zr20Ni30 götürülmüşdür) antibakterial xammal kimi istifadə edilmiş və paslanmayan polad lövhə (SUS304) soyuq püskürtmə texnologiyası ilə örtülmüşdür. Soyuq püskürtmə metodu termal püskürtmə texnologiyası seriyasında örtük üçün seçilmişdir, çünki o, termal püskürtmə seriyasında ən səmərəli metoddur və faza keçidlərinə məruz qalmayan amorf və nanokristal tozlar kimi metal metastabil temperatur həssas materiallar üçün istifadə edilə bilər. Bu metodun seçilməsində əsas amil budur. Soyuq püskürtmə prosesi, hissəciklərin kinetik enerjisini substrat və ya əvvəllər çökmüş hissəciklərlə toqquşma zamanı plastik deformasiyaya, gərginliyə və istiliyə çevirən yüksək sürətli hissəciklərdən istifadə etməklə həyata keçirilir.
Sahə fotoşəkilləri 550 °C-də MG örtüyünün/SUS 304-ün ardıcıl beş hazırlanması üçün istifadə edilən soyuq püskürtmə prosedurunu göstərir.
Hissəciklərin kinetik enerjisi və beləliklə, örtük əmələ gəlməsində hər bir hissəciyin impulsu plastik deformasiya (substratda ilkin hissəcik və hissəcik-hissəcik qarşılıqlı təsiri və hissəcik qarşılıqlı təsiri), boşluqların konsolidasiyası, hissəcik-hissəcik fırlanması, gərginlik və nəticədə istilik 39 kimi mexanizmlər vasitəsilə digər enerji formalarına çevrilməlidir. Bundan əlavə, daxil olan bütün kinetik enerji istilik və gərginlik enerjisinə çevrilməsə, nəticə elastik toqquşmadır ki, bu da hissəciklərin zərbədən sonra sadəcə geri qayıtması 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 təmas hissəciyi/substrat bölgəsində yüksək plastik gərginlik dərəcələri əldə edilir41,42.
Plastik deformasiya ümumiyyətlə enerjinin yayılması prosesi və ya daha dəqiq desək, səthlərarası bölgədə istilik mənbəyi hesab olunur. Lakin, səthlərarası bölgədə temperaturun artması adətən səthlərarası əriməni yaratmaq və ya atomlararası diffuziyanı əhəmiyyətli dərəcədə təşviq etmək üçün kifayət deyil. Müəlliflərə məlum olan heç bir nəşr soyuq püskürtmə üsullarından istifadə edildikdə baş verən toz yapışmasına və çökməsinə bu metal şüşə tozların xüsusiyyətlərinin təsirini araşdırmır.
MG Cu50Zr20Ni30 ərinti tozunun BFI-si Şəkil 12a-da, SUS 304 substratına örtülmüş şəkildə görünə bilər (Şəkil 11, 12b). Şəkildən də göründüyü kimi, örtülmüş tozlar heç bir kristallik xüsusiyyət və ya qəfəs qüsuru olmadan incə labirint quruluşuna malik olduqları üçün orijinal amorf quruluşlarını qoruyurlar. Digər tərəfdən, şəkil, MG ilə örtülmüş toz matrisinə daxil edilmiş nanohissəciklərin təklif etdiyi kimi, kənar fazanın mövcudluğunu göstərir (Şəkil 12a). Şəkil 12c, I bölgəsi ilə əlaqəli indekslənmiş nanoşüa difraksiya nümunəsini (NBDP) təsvir edir (Şəkil 12a). Şəkil 12c-də göstərildiyi kimi, NBDP, amorf quruluşun zəif halo diffuziya nümunəsini nümayiş etdirir və kristal böyük kubik Zr2Ni metastabil və tetragonal CuO fazasına uyğun iti ləkələrlə birlikdə mövcuddur. CuO-nun əmələ gəlməsi, sprey tabancasının burun hissəsindən SUS-a hərəkət edərkən tozun oksidləşməsi ilə əlaqələndirilə bilər. 304 açıq havada səsdən sürətli axın altında. Digər tərəfdən, metallik şüşə tozların devitrifikasiyası 550 °C-də 30 dəqiqə ərzində soyuq püskürtmədən sonra böyük kub fazaların əmələ gəlməsinə nail oldu.
(a) (b) SUS 304 substratı üzərində örtülmüş MG tozunun FE-HRTEM təsviri (şəklin əlavəsi). (a)-da göstərilən dairəvi simvolun NBDP indeksi (c)-də göstərilmişdir.
Böyük kubik Zr2Ni nanopartikullarının əmələ gəlməsi üçün bu potensial mexanizmi yoxlamaq üçün müstəqil bir təcrübə aparıldı. Bu təcrübədə tozlar 550 °C-də SUS 304 substratı istiqamətində püskürtmə tabancasından püskürdüldü; lakin tozların tavlama təsirini aydınlaşdırmaq üçün onlar SUS304 zolağından mümkün qədər tez (təxminən 60 saniyə) çıxarıldı. Başqa bir təcrübə dəsti aparıldı ki, bu da tozun çökdürüldükdən təxminən 180 saniyə sonra substratdan çıxarıldığı deməkdir.
Şəkil 13a, b-də SUS 304 substratlarına müvafiq olaraq 60 və 180 saniyə ərzində püskürdülmüş iki materialın skan edilmiş ötürücü elektron mikroskopiyası (STEM) ilə əldə edilmiş qaranlıq sahə təsvirləri (DFI) göstərilir. 60 saniyə ərzində püskürdülmüş toz təsvirinin morfoloji detalı yoxdur və xüsusiyyətsizlik göstərir (Şəkil 13a). Bu, Şəkil 14a-da göstərilən geniş birincili və ikincili difraksiya maksimumları ilə göstərildiyi kimi, bu tozların ümumi strukturunun amorf olduğunu göstərən XRD ilə də təsdiqləndi. Bunlar tozun orijinal amorf strukturunu saxladığı metastabil/mezofaz çöküntüsünün olmamasını göstərir. Əksinə, eyni temperaturda (550 °C) püskürdülmüş, lakin substratda 180 saniyə qalmış toz, Şəkil 13b-dəki oxlarla göstərildiyi kimi, nano ölçülü dənələrin çökməsini göstərdi.