Nature.com сайтына кіргеніңіз үшін рақмет. Сіз пайдаланып отырған браузер нұсқасында CSS қолдауы шектеулі. Ең жақсы тәжірибе алу үшін жаңартылған браузерді пайдалануды ұсынамыз (немесе Internet Explorer бағдарламасында үйлесімділік режимін өшіріңіз). Сонымен қатар, үздіксіз қолдауды қамтамасыз ету үшін сайтты стильдер мен JavaScriptсіз көрсетеміз.
Биопленкалар созылмалы инфекциялардың дамуында, әсіресе медициналық құрылғыларға қатысты маңызды құрамдас бөлік болып табылады. Бұл мәселе медициналық қоғамдастық үшін үлкен қиындық тудырады, себебі стандартты антибиотиктер биопленкаларды өте шектеулі дәрежеде ғана бұза алады. Биопленканың пайда болуының алдын алу әртүрлі жабу әдістері мен жаңа материалдардың дамуына әкелді. Бұл әдістер беттерді биопленканың пайда болуына жол бермейтіндей етіп жабуға бағытталған. Әсіресе мыс және титан металдарын қамтитын шыны тәрізді металл қорытпалары идеалды микробқа қарсы жабындарға айналды. Сонымен қатар, температураға сезімтал материалдарды өңдеуге қолайлы әдіс болғандықтан, суық бүрку технологиясын қолдану артты. Бұл зерттеудің мақсатының бір бөлігі механикалық қорытпалау әдістерін қолдана отырып, Cu-Zr-Ni үштік қосылысынан тұратын жаңа антибактериалды пленкалы металл әйнекті жасау болды. Соңғы өнімді құрайтын сфералық ұнтақ төмен температурада тот баспайтын болат беттерін суық бүрку үшін шикізат ретінде қолданылады. Металл шынымен қапталған негіздер тот баспайтын болатпен салыстырғанда биопленканың пайда болуын кем дегенде 1 логарифмге айтарлықтай азайта алды.
Адамзат тарихы бойында кез келген қоғам өзінің нақты талаптарын қанағаттандыру үшін жаңа материалдарды әзірлеп, енгізуді ілгерілетуге мүмкіндік алды, бұл өнімділіктің және жаһанданған экономикадағы рейтингтің артуына әкелді1. Бұл әрқашан адамның материалдар мен өндірістік жабдықтарды жобалау, сондай-ақ бір елден немесе аймақтан екінші елге денсаулық сақтау, білім беру, өнеркәсіп, экономика, мәдениет және басқа да салаларға қол жеткізу үшін материалдарды өндіру және сипаттау мүмкіндігімен байланысты болды. Прогресс елге немесе аймаққа қарамастан өлшенеді2. 60 жыл бойы материалтанушылар көп уақытын бір негізгі міндетке арнады: жаңа және озық материалдарды іздеу. Жақында жүргізілген зерттеулер қолданыстағы материалдардың сапасы мен өнімділігін жақсартуға, сондай-ақ мүлдем жаңа материалдар түрлерін синтездеуге және ойлап табуға бағытталған.
Легирлеуші ​​элементтерді қосу, материалдың микроқұрылымын өзгерту және термиялық, механикалық немесе термомеханикалық өңдеу әдістерін қолдану әртүрлі материалдардың механикалық, химиялық және физикалық қасиеттерінің айтарлықтай жақсаруына әкелді. Сонымен қатар, бұрын белгісіз қосылыстар сәтті синтезделді. Бұл табанды күш-жігер Advanced Materials2 деп аталатын жаңа инновациялық материалдар тұқымдасының пайда болуына әкелді. Нанокристалдар, нанобөлшектер, нанотүтікшелер, кванттық нүктелер, нөлдік өлшемді, аморфты металл шынылар және жоғары энтропиялық қорытпалар - өткен ғасырдың ортасынан бастап әлемде пайда болған озық материалдардың бірнеше мысалы ғана. Соңғы өнімде де, оны өндірудің аралық кезеңдерінде де жақсартылған қасиеттері бар жаңа қорытпаларды өндіру мен әзірлеу кезінде теңгерімсіздік мәселесі жиі қосылады. Тепе-теңдіктен айтарлықтай ауытқуға мүмкіндік беретін жаңа өндіріс әдістерін енгізу нәтижесінде металл шынылар деп аталатын метастабильді қорытпалардың мүлдем жаңа класы ашылды.
1960 жылы Калифорния технологиялық университетіндегі жұмысы металл қорытпалары тұжырымдамасын төңкеріске ұшыратты, ол сұйықтықтарды секундына миллион градусқа жуық жылдамдықпен тез қатаю арқылы Au-25 at.% Si шыны тәрізді қорытпаларын синтездеді. 4 Профессор Пол Дювстің жаңалығы металл шынылар (MS) тарихының бастамасын ғана емес, сонымен қатар адамдардың металл қорытпалары туралы ойлау парадигмасының өзгеруіне әкелді. MS қорытпаларын синтездеудегі алғашқы алғашқы зерттеулерден бері барлық дерлік металл шынылар келесі әдістердің бірін қолдану арқылы толығымен алынды: (i) балқыманың немесе будың тез қатаюы, (ii) атомдық тордың бұзылуы, (iii) таза металл элементтері арасындағы қатты күйдегі аморфизация реакциялары және (iv) метастабильді фазалардың қатты фазалық ауысулары.
МГ кристалдармен байланысты ұзақ қашықтықтағы атомдық тәртіптің болмауымен ерекшеленеді, бұл кристалдардың негізгі сипаттамасы болып табылады. Қазіргі әлемде металл шыны саласында үлкен жетістіктерге қол жеткізілді. Бұл тек қатты дене физикасы үшін ғана емес, сонымен қатар металлургия, беттік химия, технология, биология және басқа да көптеген салалар үшін қызықты қасиеттері бар жаңа материалдар. Бұл жаңа материал түрі қатты металдардан өзгеше қасиеттерге ие, бұл оны әртүрлі салаларда технологиялық қолдану үшін қызықты кандидат етеді. Олардың кейбір маңызды қасиеттері бар: (i) жоғары механикалық созылғыштық және беріктік шегі, (ii) жоғары магниттік өткізгіштік, (iii) төмен коэрцитивтілік, (iv) ерекше коррозияға төзімділік, (v) температураға тәуелсіздік. Өткізгіштік 6.7.
Механикалық қорытпалау (MA)1,8 - салыстырмалы түрде жаңа әдіс, оны алғаш рет 19839 жылы профессор К.К. Кок және оның әріптестері енгізген. Олар таза элементтер қоспасын бөлме температурасына өте жақын қоршаған орта температурасында ұнтақтау арқылы аморфты Ni60Nb40 ұнтақтарын алды. Әдетте, MA реакциясы реактордағы, әдетте тот баспайтын болаттан жасалған, реактивті ұнтақтардың диффузиялық байланысы арасында шарлы диірменге жүргізіледі. 10 (1a, b сурет). Содан бері бұл механикалық индукцияланған қатты күйдегі реакция әдісі төмен (1c сурет) және жоғары энергиялы шарлы диірмендер мен шыбық диірмендерін11,12,13,14,15,16 пайдаланып жаңа аморфты/металл шыны қорытпа ұнтақтарын дайындау үшін қолданылып келеді. Атап айтқанда, бұл әдіс Cu-Ta17 сияқты араласпайтын жүйелерді, сондай-ақ Al-өтпелі металл (TM, Zr, Hf, Nb және Ta)18,19 және Fe-W20 жүйелері сияқты жоғары балқу температурасы бар қорытпаларды дайындау үшін қолданылды. , оны дәстүрлі пісіру әдістерімен алу мүмкін емес. Сонымен қатар, MA металл оксидтерінің, карбидтерінің, нитридтерінің, гидридтерінің, көміртекті нанотүтікшелерінің, наноалмаздардың нанокристалды және нанокомпозиттік ұнтақ бөлшектерін өнеркәсіптік көлемде өндіруге, сондай-ақ жоғарыдан төмен қарай тәсілді қолдана отырып кең тұрақтандыруға арналған ең қуатты нанотехнологиялық құралдардың бірі болып саналады. 1 және метастабильді сатылар.
Осы зерттеуде Cu50(Zr50-xNix)/SUS 304 металл шыны жабынын дайындау үшін қолданылған өндіріс әдісін көрсететін схема. (a) Төмен энергиялы шарлы фрезерлеу әдісін қолдана отырып, Ni x (x; 10, 20, 30 және 40 ат.%) концентрациялары бар MC қорытпа ұнтақтарын дайындау. (a) Бастапқы материал құрал цилиндріне құрал болат шарларымен бірге тиеледі және (b) He атмосферасымен толтырылған қолғап қорабына тығыздалады. (c) Ұнтақтау кезінде шардың қозғалысын көрсететін ұнтақтау ыдысының мөлдір моделі. 50 сағаттан кейін алынған соңғы ұнтақ өнімі SUS 304 негізін суық бүрку арқылы жабу үшін пайдаланылды (d).
Сусымалы материал беттеріне (негіздеріне) келетін болсақ, беттік инженерия бастапқы сусымалы материалда жоқ белгілі бір физикалық, химиялық және техникалық қасиеттерді қамтамасыз ету үшін беттерді (негіздерді) жобалауды және өзгертуді қамтиды. Беттік өңдеу арқылы тиімді түрде жақсартуға болатын кейбір қасиеттерге абразия, тотығу және коррозияға төзімділік, үйкеліс коэффициенті, биоинерттілік, электрлік қасиеттер және жылу оқшаулауы жатады, тек бірнешеуін ғана атауға болады. Беттің сапасын металлургиялық, механикалық немесе химиялық әдістермен жақсартуға болады. Белгілі процесс ретінде жабын дегеніміз жай ғана басқа материалдан жасалған сусымалы заттың (негіздің) бетіне жасанды түрде жағылған бір немесе бірнеше материал қабаты ретінде анықталады. Осылайша, жабындар ішінара қажетті техникалық немесе сәндік қасиеттерге қол жеткізу, сондай-ақ материалдарды қоршаған ортамен күтілетін химиялық және физикалық өзара әрекеттесуден қорғау үшін қолданылады23.
Бірнеше микрометрден (10-20 микрометрден төмен) 30 микрометрден астам немесе тіпті бірнеше миллиметр қалыңдықтағы қорғаныс қабаттарын жағу үшін әртүрлі әдістер мен техникаларды қолдануға болады. Жалпы, жабу процестерін екі санатқа бөлуге болады: (i) электрохимиялық қаптау, электрохимиялық қаптау және ыстықтай мырыштауды қоса алғанда, ылғалды жабу әдістері және (ii) құрғақ жабу әдістері, соның ішінде дәнекерлеу, қатты қаптау, физикалық бумен тұндыру (PVD), химиялық бумен тұндыру (CVD), термиялық бүрку әдістері және жақында пайда болған суық бүрку әдістері 24 (1d-сурет).
Биопленкалар беттерге қайтымсыз бекітілген және өздігінен өндірілетін жасушадан тыс полимерлермен (EPS) қоршалған микробтық қауымдастықтар ретінде анықталады. Беткейлік жетілген биопленканың пайда болуы тамақ өңдеу, су жүйелері және денсаулық сақтау сияқты көптеген салаларда айтарлықтай шығындарға әкелуі мүмкін. Адамдарда биопленкалардың пайда болуымен микробтық инфекциялардың 80%-дан астам жағдайын (Enterobacteriaceae және Staphylococci қоса алғанда) емдеу қиын. Сонымен қатар, жетілген биопленкалардың планктонды бактериялық жасушалармен салыстырғанда антибиотикалық емдеуге 1000 есе төзімді екені туралы хабарланған, бұл негізгі терапиялық қиындық болып саналады. Тарихи тұрғыдан алғанда, кең таралған органикалық қосылыстардан алынған микробқа қарсы беттік жабын материалдары қолданылған. Мұндай материалдарда адамдар үшін зиянды болуы мүмкін улы компоненттер жиі болғанымен,25,26 бұл бактериялардың берілуі мен материалдың ыдырауының алдын алуға көмектеседі.
Биопленка түзілуіне байланысты антибиотикалық емдеуге бактериялардың кең таралған төзімділігі қауіпсіз жағуға болатын тиімді микробқа қарсы мембраналық жабынды бетті жасау қажеттілігіне әкелді27. Бактериялық жасушалар адгезияға байланысты биопленкалармен байланысып, түзе алмайтын физикалық немесе химиялық адгезияға қарсы бетті жасау - бұл процестің бірінші тәсілі27. Екінші технология - микробқа қарсы химиялық заттарды дәл қажетті жерге, жоғары концентрацияланған және арнайы мөлшерде жеткізетін жабындарды жасау. Бұған бактерияларға төзімді графен/германий28, қара алмас29 және ZnO30-легирленген алмас тәрізді көміртекті жабындар сияқты бірегей жабын материалдарын жасау арқылы қол жеткізіледі, бұл технология биопленка түзілуіне байланысты уыттылық пен төзімділіктің дамуын барынша арттырады. Сонымен қатар, бактериялық ластанудан ұзақ мерзімді қорғауды қамтамасыз ететін бактерицидтік химиялық заттар бар жабындар барған сайын танымал бола бастады. Барлық үш процедура жабынды беттерге микробқа қарсы белсенділік көрсете алатын болса да, әрқайсысының қолдану стратегиясын әзірлеу кезінде ескерілуі керек өзіндік шектеулер жиынтығы бар.
Қазіргі уақытта нарықтағы өнімдер биологиялық белсенді ингредиенттерге арналған қорғаныс жабындарын талдау және сынауға уақыттың жетіспеушілігінен кедергі келтіруде. Компаниялар өз өнімдері пайдаланушыларға қажетті функционалдық аспектілерді қамтамасыз етеді деп мәлімдейді, дегенмен бұл қазіргі уақытта нарықтағы өнімдердің табысына кедергі келтірді. Күмістен алынған қосылыстар қазіргі уақытта тұтынушыларға қолжетімді микробқа қарсы препараттардың басым көпшілігінде қолданылады. Бұл өнімдер пайдаланушыларды микроорганизмдердің ықтимал зиянды әсерінен қорғауға арналған. Күміс қосылыстарының баяу микробқа қарсы әсері және онымен байланысты уыттылығы зерттеушілерге зияндылығы аз балама жасауға қысым жасайды36,37. Ішінен де, сыртынан да жұмыс істейтін жаһандық микробқа қарсы жабынды жасау қиындық тудыруда. Бұл денсаулық пен қауіпсіздікке байланысты қауіптермен бірге жүреді. Адамдарға аз зиянды микробқа қарсы агентті табу және оны ұзақ сақтау мерзімі бар жабын субстраттарына қалай қосу керектігін анықтау - көптен күткен мақсат38. Ең жаңа микробқа қарсы және биоүлбір материалдары бактерияларды тікелей жанасу арқылы немесе белсенді агент шығарылғаннан кейін жақын қашықтықта жоюға арналған. Олар мұны бастапқы бактериялық адгезияны тежеу ​​(бетінде ақуыз қабатының пайда болуына жол бермеу) немесе жасуша қабырғасына кедергі келтіру арқылы бактерияларды жою арқылы жасай алады.
Негізінде, беттік жабын - бұл беттік сипаттамаларын жақсарту үшін компоненттің бетіне тағы бір қабат жағу процесі. Беттік жабынның мақсаты - компоненттің бетке жақын аймағының микроқұрылымын және/немесе құрамын өзгерту39. Беттік жабын әдістерін әртүрлі әдістерге бөлуге болады, олар 2a-суретте көрсетілген. Жабын жасау әдісіне байланысты жабындарды термиялық, химиялық, физикалық және электрохимиялық санаттарға бөлуге болады.
(a) Беткі қабатты дайындаудың негізгі әдістерін көрсететін қосымша, және (b) суық шашырату әдісінің таңдалған артықшылықтары мен кемшіліктері.
Суық бүрку технологиясының дәстүрлі термиялық бүрку әдістерімен көп ұқсастығы бар. Дегенмен, суық бүрку процесі мен суық бүрку материалдарын ерекше ететін кейбір негізгі іргелі қасиеттер де бар. Суық бүрку технологиясы әлі де бастапқы кезеңде, бірақ оның болашағы зор. Кейбір жағдайларда суық бүркудің бірегей қасиеттері үлкен артықшылықтар береді, дәстүрлі термиялық бүрку әдістерінің шектеулерін жеңеді. Ол дәстүрлі термиялық бүрку технологиясының айтарлықтай шектеулерін жеңеді, онда ұнтақты негізге жағу үшін еріту керек. Әрине, бұл дәстүрлі жабу процесі нанокристалдар, нанобөлшектер, аморфты және металл шынылар сияқты температураға өте сезімтал материалдарға жарамайды40, 41, 42. Сонымен қатар, термиялық бүрку жабыны материалдары әрқашан жоғары кеуектілік пен оксидтерге ие. Суық бүрку технологиясының термиялық бүрку технологиясымен салыстырғанда көптеген маңызды артықшылықтары бар, мысалы: (i) негізге минималды жылу кірісі, (ii) негіз жабынын таңдаудағы икемділік, (iii) фазалық трансформацияның және дәннің өсуінің болмауы, (iv) жоғары адгезия беріктігі1 .39 (2b-сурет). Сонымен қатар, суық бүрку арқылы жабатын материалдар жоғары коррозияға төзімділікке, жоғары беріктік пен қаттылыққа, жоғары электр өткізгіштікке және жоғары тығыздыққа ие41. Суық бүрку процесінің артықшылықтарына қарамастан, бұл әдістің 2b-суретте көрсетілгендей кейбір кемшіліктері бар. Al2O3, TiO2, ZrO2, WC және т.б. сияқты таза керамикалық ұнтақтарды жабынмен қаптаған кезде суық бүрку әдісін қолдануға болмайды. Екінші жағынан, керамикалық/металл композиттік ұнтақтарды жабындарға арналған шикізат ретінде пайдалануға болады. Басқа термиялық бүрку әдістеріне де қатысты. Қиын беттер мен құбырлардың ішкі беттерін бүрку әлі де қиын.
Осы жұмыс металл шыны тәрізді ұнтақтарды жабындарға арналған бастапқы материал ретінде пайдалануға бағытталғанын ескере отырып, дәстүрлі термиялық бүркуді бұл мақсатта қолдануға болмайтыны анық. Бұл металл шыны тәрізді ұнтақтардың жоғары температурада кристалдануына байланысты1.
Медициналық және тамақ өнеркәсібінде қолданылатын құралдардың көпшілігі хирургиялық құралдарды өндіру үшін хром мөлшері 12-ден 20% -ға дейін болатын аустениттік тот баспайтын болат қорытпаларынан (SUS316 және SUS304) жасалған. Болат қорытпаларында хром металын легирлеуші ​​элемент ретінде пайдалану стандартты болат қорытпаларының коррозияға төзімділігін айтарлықтай жақсарта алады деп жалпы қабылданған. Тот баспайтын болат қорытпалары, жоғары коррозияға төзімділігіне қарамастан, айтарлықтай микробқа қарсы қасиеттерге ие емес38,39. Бұл олардың жоғары коррозияға төзімділігімен қарама-қайшы келеді. Осыдан кейін, негізінен тот баспайтын болат биоматериалдарының бетінде бактериялардың адгезиясы мен колонизациясына байланысты инфекция мен қабынудың дамуын болжауға болады. Бактериялық адгезиямен және биоүлбір түзілу жолдарымен байланысты елеулі қиындықтарға байланысты елеулі қиындықтар туындауы мүмкін, бұл денсаулықтың нашарлауына әкелуі мүмкін, бұл адам денсаулығына тікелей немесе жанама түрде әсер етуі мүмкін көптеген салдарға әкелуі мүмкін.
Бұл зерттеу Кувейт ғылымды дамыту қоры (KFAS) қаржыландырған, келісімшарт № 2010-550401, MA технологиясын қолдана отырып, металл шыны тәрізді Cu-Zr-Ni үштік ұнтақтарын өндіру мүмкіндігін зерттеуге арналған жобаның бірінші кезеңі (кесте). 1) SUS304 антибактериалды беттік қорғаныс пленкасын/жабынын өндіру үшін. 2023 жылдың қаңтарында басталатын жобаның екінші кезеңінде гальваникалық коррозия сипаттамалары мен жүйенің механикалық қасиеттері егжей-тегжейлі зерттеледі. Әртүрлі бактерия түрлеріне егжей-тегжейлі микробиологиялық сынақтар жүргізіледі.
Бұл мақалада морфологиялық және құрылымдық сипаттамаларға негізделген Zr қорытпасының мөлшерінің шыны түзу қабілетіне (GFA) әсері талқыланады. Сонымен қатар, ұнтақпен қапталған металл шыны/SUS304 композитінің бактерияға қарсы қасиеттері де талқыланды. Сонымен қатар, дайындалған металл шыны жүйелерінің аса салқындатылған сұйық аймағында суық бүрку кезінде металл шыны ұнтақтарының құрылымдық трансформациялану мүмкіндігін зерттеу бойынша үздіксіз жұмыстар жүргізілуде. Бұл зерттеуде өкілдік мысалдар ретінде Cu50Zr30Ni20 және Cu50Zr20Ni30 металл шыны қорытпалары пайдаланылды.
Бұл бөлімде төмен энергиялы шарлы фрезерлеу кезіндегі элементтік Cu, Zr және Ni ұнтақтарындағы морфологиялық өзгерістер көрсетілген. Көрнекі мысалдар ретінде Cu50Zr20Ni30 және Cu50Zr40Ni10-дан тұратын екі түрлі жүйе пайдаланылады. MA процесін үш бөлек кезеңге бөлуге болады, бұл ұнтақтау кезеңінде алынған ұнтақтың металлографиялық сипаттамасынан көрінеді (3-сурет).
Шарлы ұнтақтаудың әртүрлі кезеңдерінен кейін алынған механикалық қорытпалардың (MA) ұнтақтарының металлографиялық сипаттамалары. 3, 12 және 50 сағат бойы төмен энергиялы шарлы ұнтақтаудан кейін алынған MA және Cu50Zr40Ni10 ұнтақтарының далалық эмиссиялық сканерлеуші ​​​​электрондық микроскопия (FE-SEM) кескіндері сол MA-да болған кезде Cu50Zr20Ni30 жүйесі үшін (a), (c) және (e) тармақтарында көрсетілген. Cu50Zr40Ni10 жүйесінің уақыт өткеннен кейін түсірілген сәйкес кескіндері (b), (d) және (f) тармақтарында көрсетілген.
Шарлы фрезерлеу кезінде металл ұнтағына берілуі мүмкін тиімді кинетикалық энергия 1a суретте көрсетілгендей, параметрлердің тіркесіміне әсер етеді. Бұған шарлар мен ұнтақтар арасындағы соқтығысулар, ұнтақтау ортасының арасында немесе арасында тұрып қалған ұнтақтың ығысу сығылуы, құлап жатқан шарлардың соққылары, шарлы диірменнің қозғалатын денелері арасындағы ұнтақтың сүйрелуінен туындаған ығысу және тозу және жүктелген дақыл арқылы таралатын құлап жатқан шарлар арқылы өтетін соққы толқыны кіреді (1a сурет). Элементарные порошки Cu, Zr және Ni были сильно деформирование из-за холодной сварки на ранней стадии МА (3 ч), ол привело к образованию крупных частиц порошка (> 1 в диаметре). Элементтік Cu, Zr және Ni ұнтақтары MA ерте сатысында (3 сағат) суық пісіру салдарынан қатты деформацияланды, бұл ірі ұнтақ бөлшектерінің (диаметрі > 1 мм) пайда болуына әкелді.Бұл ірі композиттік бөлшектер 3a,b суреттерінде көрсетілгендей, легирлеуші ​​элементтердің (Cu, Zr, Ni) қалың қабаттарының пайда болуымен сипатталады. MA уақытының 12 сағатқа дейін (аралық кезең) артуы шарлы диірменнің кинетикалық энергиясының артуына әкелді, бұл композиттік ұнтақтың кішірек ұнтақтарға (200 мкм-ден аз) ыдырауына әкелді, бұл 3c суретте көрсетілгендей. Бұл кезеңде қолданылатын ығысу күші 3c, d суреттерінде көрсетілгендей, жұқа Cu, Zr, Ni ұштық қабаттары бар жаңа металл бетінің пайда болуына әкеледі. Қабыршақтардың шекарасындағы қабаттарды ұнтақтау нәтижесінде жаңа фазалардың пайда болуымен қатты фазалық реакциялар жүреді.
MA процесінің шарықтау шегінде (50 сағаттан кейін) қабыршақ металлографиясы әрең байқалды (3e, f сурет), ал ұнтақтың жылтыратылған бетінде айна металлографиясы байқалды. Бұл MA процесінің аяқталғанын және бір реакция фазасы жасалғанын білдіреді. 3e (I, II, III), f, v, vi) суреттерінде көрсетілген аймақтардың элементтік құрамы энергия дисперсиялық рентген спектроскопиясымен (EDS) бірге өрістік эмиссиялық сканерлеуші ​​​​электрондық микроскопияны (FE-SEM) қолдану арқылы анықталды. (IV).
Кестеде 2 легирлеуші ​​элементтердің элементтік концентрациясы 3e, f суреттерінде таңдалған әрбір аймақтың жалпы массасының пайызы ретінде көрсетілген. Бұл нәтижелерді 1-кестеде келтірілген Cu50Zr20Ni30 және Cu50Zr40Ni10 бастапқы номиналды құрамымен салыстыру бұл екі соңғы өнімнің құрамы номиналды құрамдарға өте жақын екенін көрсетеді. Сонымен қатар, 3e, f суреттерінде көрсетілген аймақтар үшін компоненттердің салыстырмалы мәндері әр үлгінің құрамында бір аймақтан екінші аймаққа айтарлықтай нашарлауды немесе ауытқуды көрсетпейді. Мұны бір аймақтан екінші аймаққа құрамның өзгермейтіндігі дәлелдейді. Бұл 2-кестеде көрсетілгендей біркелкі қорытпа ұнтақтарының өндірілуін көрсетеді.
Cu50(Zr50-xNix) соңғы өнім ұнтағының FE-SEM микрографтары 4a-d суретте көрсетілгендей, 50 MA еселенгеннен кейін алынды, мұндағы x сәйкесінше 10, 20, 30 және 40 ат.% құрайды. Бұл ұнтақтау кезеңінен кейін ұнтақ ван-дер-Ваальс әсеріне байланысты агрегаттарға айналады, бұл 4-суретте көрсетілгендей, диаметрі 73-тен 126 нм-ге дейінгі ультраұсақ бөлшектерден тұратын ірі агрегаттардың пайда болуына әкеледі.
50 сағаттық MA-дан кейін алынған Cu50(Zr50-xNix) ұнтақтарының морфологиялық сипаттамалары. Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40 жүйелері үшін 50 MA-дан кейін алынған ұнтақтардың FE-SEM кескіндері сәйкесінше (a), (b), (c) және (d) тармақтарында көрсетілген.
Ұнтақтарды суық бүріккіш бергішіне салмас бұрын, олар алдымен аналитикалық сұрыпты этанолда 15 минут бойы ультрадыбыстық өңдеуден өткізіліп, содан кейін 150°C температурада 2 сағат бойы кептірілді. Бұл қадамды жабу процесінде көптеген күрделі мәселелер тудыратын агломерациямен сәтті күресу үшін жасау керек. MA процесі аяқталғаннан кейін қорытпа ұнтақтарының біртектілігін зерттеу үшін қосымша зерттеулер жүргізілді. 5a–d суретте Cu50Zr30Ni20 қорытпасының Cu, Zr және Ni қорытпа элементтерінің FE-SEM микрографтары мен сәйкесінше 50 сағаттық M уақытынан кейін түсірілген сәйкес EDS суреттері көрсетілген. Осы қадамнан кейін алынған қорытпа ұнтақтары біртекті екенін атап өткен жөн, себебі олар 5-суретте көрсетілгендей, нанометрден төмен деңгейден тыс құрам ауытқуларын көрсетпейді.
FE-SEM/Энергия дисперсиялық рентгендік спектроскопия (ЭДС) арқылы 50 MA кейін алынған MG Cu50Zr30Ni20 ұнтағындағы элементтердің морфологиясы және жергілікті таралуы. (a) (b) Cu-Kα, (c) Zr-Lα және (d) Ni-Kα-ның ЭДС және рентгендік бейнелеуі.
50 сағаттық MA-дан кейін алынған механикалық қорытпаланған Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30 және Cu50Zr20Ni30 ұнтақтарының рентгендік дифракциялық үлгілері сәйкесінше 6a–d суреттерінде көрсетілген. Осы ұнтақтау кезеңінен кейін әртүрлі Zr концентрациясы бар барлық үлгілер 6-суретте көрсетілген гало диффузиясының сипаттамалық үлгілері бар аморфты құрылымдарға ие болды.
Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c) және Cu50Zr20Ni30 (d) ұнтақтарының рентгендік дифракциялық үлгілері 50 сағат бойы MA-дан кейін. Барлық үлгілерде ерекшеліксіз гало-диффузия үлгісі байқалды, бұл аморфты фазаның пайда болуын көрсетеді.
Әртүрлі MA уақыттарында шарлы фрезерлеу нәтижесінде пайда болатын ұнтақтардың құрылымдық өзгерістерін бақылау және жергілікті құрылымын түсіну үшін жоғары ажыратымдылықтағы өрістік эмиссиялық электронды микроскопия (FE-HRTEM) қолданылды. Cu50Zr30Ni20 және Cu50Zr40Ni10 ұнтақтарын ұнтақтаудың ерте (6 сағат) және аралық (18 сағат) кезеңдерінен кейін FE-HRTEM әдісімен алынған ұнтақтардың суреттері сәйкесінше 7a-суретте көрсетілген. 6 сағат MA-дан кейін алынған ұнтақтың жарық өрісті кескініне (BFI) сәйкес, ұнтақ fcc-Cu, hcp-Zr және fcc-Ni элементтерінің анық белгіленген шекаралары бар ірі түйіршіктерден тұрады және 7a-суретте көрсетілгендей реакция фазасының пайда болу белгілері жоқ. Сонымен қатар, ортаңғы аймақтан (a) алынған корреляцияланған таңдалған аймақтық дифракциялық үлгі (SADP) ірі кристаллиттердің болуын және реактивті фазаның болмауын көрсететін өткір дифракциялық үлгіні көрсетті (7b-сурет).
Ерте (6 сағат) және аралық (18 сағат) сатылардан кейін алынған MA ұнтағының жергілікті құрылымдық сипаттамалары. (a) Жоғары ажыратымдылықтағы өрістік эмиссиялық беріліс электронды микроскопиясы (FE-HRTEM) және (b) 6 сағат бойы MA өңдеуден кейін Cu50Zr30Ni20 ұнтағының сәйкес таңдалған аймақтық дифрактографиясы (SADP). 18 сағаттық MA-дан кейін алынған Cu50Zr40Ni10 FE-HRTEM кескіні (c) суретінде көрсетілген.
7c суретте көрсетілгендей, MA ұзақтығының 18 сағатқа дейін артуы пластикалық деформациямен бірге тордың күрделі ақауларына әкелді. MA процесінің осы аралық кезеңінде ұнтақтағы әртүрлі ақаулар, соның ішінде қабаттасу ақаулары, тор ақаулары және нүктелік ақаулар пайда болады (7-сурет). Бұл ақаулар дән шекаралары бойындағы ірі түйіршіктердің өлшемі 20 нм-ден кіші кіші түйіршіктерге бөлшектенуіне әкеледі (7c-сурет).
36 сағаттық MA кезінде ұнтақталатын Cu50Z30Ni20 ұнтағының жергілікті құрылымы 8a суретте көрсетілгендей, аморфты жұқа матрицаға енгізілген ультраұсақ нанодәндердің пайда болуымен сипатталады. ЭҚК жергілікті талдауы 8a суреттерде көрсетілген нанокластерлердің өңделмеген Cu, Zr және Ni ұнтақ қорытпаларымен байланысты екенін көрсетті. Матрицадағы Cu мөлшері ~32 ат.%-дан (кедей аймақ) ~74 ат.%-ға дейін (бай аймақ) өзгерді, бұл гетерогенді өнімдердің пайда болуын көрсетеді. Сонымен қатар, осы кезеңде ұнтақтаудан кейін алынған ұнтақтардың сәйкес SADP-лары 8b суретте көрсетілгендей, осы өңделмеген қорытпа элементтерімен байланысты өткір нүктелермен қабаттасатын біріншілік және екіншілік гало-диффузиялық аморфты фазалық сақиналарды көрсетеді.
Beyond 36 h-Cu50Zr30Ni20 ұнтағының наноөлшемді жергілікті құрылымдық ерекшеліктері. (a) Жарық өрісті кескін (BFI) және сәйкес (b) 36 сағаттық MA ұнтақтаудан кейін алынған Cu50Zr30Ni20 ұнтағының SADP.
MA процесінің соңына қарай (50 сағ), ерекшеліксіз Cu50(Zr50-xNix), X, 10, 20, 30 және 40 ат.% ұнтақтары, суретте көрсетілгендей, аморфты фазаның лабиринтті морфологиясына ие. Әрбір құрамның тиісті SADS-інде нүктелік дифракция да, өткір сақина тәрізді үлгілер де анықталмады. Бұл өңделмеген кристалды металлдың жоқтығын, керісінше аморфты қорытпа ұнтағының пайда болғанын көрсетеді. Галогендік диффузия үлгілерін көрсететін бұл өзара байланысты SADP-лер соңғы өнім материалында аморфты фазалардың дамуының дәлелі ретінде де пайдаланылды.
Cu50 MS жүйесінің (Zr50-xNix) соңғы өнімінің жергілікті құрылымы. 50 сағаттық MA-дан кейін алынған (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 және (d) Cu50Zr10Ni40-тың FE-HRTEM және корреляцияланған наносәулелік дифракциялық үлгілері (NBDP).
Дифференциалды сканерлеу калориметриясын қолдана отырып, Cu50(Zr50-xNix) аморфты жүйесіндегі Ni(x) құрамына байланысты шыны ауысу температурасының (Tg), аса салқындатылған сұйықтық аймағының (ΔTx) және кристалдану температурасының (Tx) термиялық тұрақтылығы зерттелді. (DSC) He газ ағынындағы қасиеттері. 50 сағат бойы MA-дан кейін алынған Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20 және Cu50Zr10Ni40 аморфты қорытпаларының ұнтақтарының DSC қисықтары сәйкесінше 10a, b, e суреттерінде көрсетілген. Ал аморфты Cu50Zr20Ni30 DSC қисығы 10 ғасырдағы суретте бөлек көрсетілген. Сонымен қатар, DSC-де ~700°C дейін қыздырылған Cu50Zr30Ni20 үлгісі 10g суретінде көрсетілген.
50 сағат бойы MA-дан кейін алынған Cu50(Zr50-xNix) MG ұнтақтарының термиялық тұрақтылығы шыны ауысу температурасымен (Tg), кристалдану температурасымен (Tx) және аса салқындатылған сұйықтық аймағымен (ΔTx) анықталады. 50 сағат бойы MA-дан кейін Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c) және (e) Cu50Zr10Ni40 MG қорытпа ұнтақтарының дифференциалды сканерлеу калориметрі (DSC) ұнтақтарының термограммалары. DSC-де ~700°C дейін қыздырылған Cu50Zr30Ni20 үлгісінің рентгендік дифракциялық үлгісі (XRD) (d) суретте көрсетілген.
10-суретте көрсетілгендей, никель концентрациясы әртүрлі (x) барлық құрамдар үшін DSC қисықтары екі түрлі жағдайды көрсетеді, бірі эндотермиялық, екіншісі экзотермиялық. Бірінші эндотермиялық оқиға Tg-ге сәйкес келеді, ал екіншісі Tx-пен байланысты. Tg мен Tx арасында болатын көлденең аралық аудан суытылған сұйықтық ауданы деп аталады (ΔTx = Tx – Tg). Нәтижелер 526°C және 612°C температурада орналастырылған Cu50Zr40Ni10 үлгісінің (10a-сурет) Tg және Tx мөлшері Ni мөлшерінің (x) артуымен (x) мөлшерін %-пен 20-ға дейін 482°C және 563°C төмен температура жағына қарай жылжытатынын көрсетеді, бұл 10b-суретте көрсетілген. Демек, Cu50Zr30Ni20 үшін ΔTx Cu50Zr40Ni10 температурасы 86°C-тан (10a-сурет) 81°C-қа дейін төмендейді (10b-сурет). MC Cu50Zr40Ni10 қорытпасы үшін Tg, Tx және ΔTx мәндерінің 447°C, 526°C және 79°C деңгейлеріне дейін төмендеуі байқалды (10b-сурет). Бұл Ni құрамының артуы MS қорытпасының термиялық тұрақтылығының төмендеуіне әкелетінін көрсетеді. Керісінше, MC Cu50Zr20Ni30 қорытпасының Tg (507 °C) мәні MC Cu50Zr40Ni10 қорытпасының мәнінен төмен; дегенмен, оның Tx мәні онымен салыстыруға болатын мәнді көрсетеді (612 °C). Сондықтан, ΔTx мәні 10 ғасырдағы суретте көрсетілгендей жоғарырақ (87 °C).
Мысал ретінде Cu50Zr20Ni30 MC қорытпасын пайдалана отырып, Cu50(Zr50-xNix) MC жүйесі өткір экзотермиялық шың арқылы fcc-ZrCu5, орторомбалық-Zr7Cu10 және орторомбалық-ZrNi кристалдық фазаларына кристалданады (10c-сурет). Аморфты күйден кристалды күйге өтудің бұл фазалық ауысуы DSC-де 700 °C дейін қыздырылған MG үлгісінің рентгендік дифракциялық талдауымен расталды (10d-сурет).
11-суретте ағымдағы жұмыста жүргізілген суық бүрку процесі кезінде түсірілген фотосуреттер көрсетілген. Бұл зерттеуде 50 сағат бойы MA-дан кейін синтезделген металл шыны тәрізді ұнтақ бөлшектері (мысал ретінде Cu50Zr20Ni30 қолданылған) антибактериалды шикізат ретінде пайдаланылды, ал тот баспайтын болат пластина (SUS304) суық бүркумен қапталды. Термиялық бүрку технологиялары сериясында жабу үшін суық бүрку әдісі таңдалды, себебі ол аморфты және нанокристалды ұнтақтар сияқты металл метатұрақты ыстыққа сезімтал материалдар үшін қолданыла алатын термиялық бүрку технологиялары сериясындағы ең тиімді әдіс болып табылады. Фазалық ауысуларға ұшырамайды. Бұл әдісті таңдаудағы негізгі фактор. Суық тұндыру процесі бөлшектердің кинетикалық энергиясын субстратпен немесе бұрын тұндырылған бөлшектермен соқтығысу кезінде пластикалық деформацияға, деформацияға және жылуға айналдыратын жоғары жылдамдықты бөлшектерді пайдалану арқылы жүзеге асырылады.
Далалық фотосуреттерде MG/SUS 304 препаратын 550°C температурада бес рет қатарынан дайындау үшін қолданылатын суық шашырату процедурасы көрсетілген.
Бөлшектердің кинетикалық энергиясы, сондай-ақ жабынның пайда болуы кезіндегі әрбір бөлшектің импульсі пластикалық деформация (матрицадағы бастапқы бөлшектер мен бөлшектераралық өзара әрекеттесулер және бөлшектердің өзара әрекеттесуі), қатты денелердің аралық түйіндері, бөлшектер арасындағы айналу, деформация және қыздыруды шектеу 39 сияқты механизмдер арқылы энергияның басқа түрлеріне айналуы керек. Сонымен қатар, егер кіретін кинетикалық энергияның барлығы жылу энергиясына және деформация энергиясына айналмаса, нәтижесінде серпімді соқтығысу пайда болады, бұл бөлшектердің соқтығысудан кейін жай ғана секіріп кететінін білдіреді. Бөлшек/субстрат материалына қолданылатын соққы энергиясының 90%-ы жергілікті жылуға айналатыны атап өтілді 40. Сонымен қатар, соққы кернеуі қолданылған кезде, бөлшектер/субстрат жанасу аймағында өте қысқа уақыт ішінде жоғары пластикалық деформация жылдамдығына қол жеткізіледі41,42.
Пластикалық деформация әдетте энергияның таралу процесі ретінде, дәлірек айтқанда, бетаралық аймақтағы жылу көзі ретінде қарастырылады. Дегенмен, бетаралық аймақтағы температураның жоғарылауы әдетте бетаралық балқудың пайда болуы немесе атомдардың өзара диффузиясының айтарлықтай ынталандырылуы үшін жеткіліксіз. Авторларға белгілі ешбір басылымда суық шашырату әдістерін қолданған кезде пайда болатын ұнтақтың адгезиясына және шөгуіне осы металл шыны тәрізді ұнтақтардың қасиеттерінің әсері зерттелмеген.
MG Cu50Zr20Ni30 қорытпа ұнтағының BFI-ін SUS 304 негізіне тұндырылған 12a-суретте көруге болады (11, 12b-сурет). Суреттен көрініп тұрғандай, қапталған ұнтақтар бастапқы аморфты құрылымын сақтайды, себебі оларда кристалды ерекшеліктер немесе тор ақаулары жоқ нәзік лабиринт құрылымы бар. Екінші жағынан, кескін бөгде фазаның бар екенін көрсетеді, бұл MG-мен қапталған ұнтақ матрицасына кіретін нанобөлшектермен дәлелденеді (12a-сурет). 12c-суретте I аймағымен байланысты индекстелген наносәуле дифракциялық үлгісі (NBDP) көрсетілген (12a-сурет). 12c-суретте көрсетілгендей, NBDP аморфты құрылымның әлсіз гало-диффузиялық үлгісін көрсетеді және кристалды үлкен кубтық метастабильді Zr2Ni фазасына және тетрагональды CuO фазасына сәйкес келетін өткір нүктелермен бірге өмір сүреді. CuO түзілуін ұнтақтың бүріккіш пистолеттің саптамасынан SUS 304-ке дыбыстан жоғары ағынмен ашық ауада қозғалған кездегі тотығуымен түсіндіруге болады. Екінші жағынан, металл шыны тәрізді ұнтақтардың девитрификациясы 550°C температурада 30 минут бойы суық бүркуден кейін үлкен кубтық фазалардың пайда болуына әкелді.
(a) (b) SUS 304 негізіне жағылған MG ұнтағының FE-HRTEM кескіні (сурет кірістірілген). (a) тармағында көрсетілген дөңгелек таңбаның NBDP индексі (c) тармағында көрсетілген.
Ірі кубтық Zr2Ni нанобөлшектерінің пайда болуының осы ықтимал механизмін тексеру үшін тәуелсіз эксперимент жүргізілді. Бұл экспериментте ұнтақтар атомайзерден 550°C температурада SUS 304 негізі бағытында шашыратылды; дегенмен, күйдіру әсерін анықтау үшін ұнтақтар SUS304 жолағынан мүмкіндігінше тезірек (шамамен 60 с) алынып тасталды. ). Тағы бір сериялы эксперименттер жүргізілді, онда ұнтақ жағылғаннан кейін шамамен 180 секундтан кейін негізден алынып тасталды.
13a,b суреттерінде SUS 304 субстраттарына 60 және 180 с бойы шашыратылған екі материалдың сканерлеуші ​​электронды микроскопия (STEM) қараңғы өрісінің (DFI) суреттері көрсетілген. 60 секунд бойы салынған ұнтақ кескінінде морфологиялық мәліметтер жоқ, бұл ерекшеліктердің жоқтығын көрсетеді (13a-сурет). Мұны рентгендік дифракция да растады, ол бұл ұнтақтардың жалпы құрылымы аморфты екенін көрсетті, бұл 14a-суретте көрсетілген кең бастапқы және қайталама дифракциялық шыңдармен көрсетілген. Бұл ұнтақ өзінің бастапқы аморфты құрылымын сақтайтын метастабильді/мезофазалық тұнбалардың жоқтығын көрсетеді. Керісінше, бірдей температурада (550°C) түскен, бірақ субстратта 180 с қалған ұнтақ 13b-суретте көрсетілгендей, наноөлшемді түйіршіктердің шөгуін көрсетті.