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 біз сайтты стильдерсіз және JavaScriptсіз көрсетеміз.
Биопленкалар созылмалы инфекциялардың дамуында маңызды құрамдас бөлік болып табылады, әсіресе медициналық құрылғылар қолданылған кезде. Бұл мәселе медициналық қоғамдастық үшін үлкен қиындық тудырады, себебі стандартты антибиотиктер биопленкаларды өте шектеулі дәрежеде ғана жоя алады. Биопленканың пайда болуының алдын алу әртүрлі жабу әдістері мен жаңа материалдардың дамуына әкелді. Бұл әдістер беттерді биопленканың пайда болуын тежейтіндей етіп жабуға бағытталған. Металл шыны тәрізді қорытпалар, әсіресе мыс және титан металдарын қамтитындар, идеалды микробқа қарсы жабындар ретінде пайда болды. Сонымен қатар, температураға сезімтал материалдарды өңдеуге қолайлы әдіс болғандықтан, суық бүрку технологиясын қолдану артты. Бұл зерттеудің мақсаттарының бір бөлігі механикалық қорытпалау әдістерін қолдана отырып, үштік Cu-Zr-Ni-ден тұратын жаңа антибактериалды пленкалы металл әйнекті жасау болды. Соңғы өнімді құрайтын сфералық ұнтақ төмен температурада тот баспайтын болат беттерін суық бүркумен жабу 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 талаптарына сай келетін жаңа материалдарды енгізуді жобалап, ілгерілетуге мүмкіндік алды, бұл жаһанданған экономикадағы өнімділік пен рейтингтің жақсаруына әкелді1. Бұл әрқашан адамның бір елден немесе аймақтан екінші елге денсаулық сақтау, білім беру, өнеркәсіп, экономика, мәдениет және басқа да салаларда жетістіктерге жету үшін материалдар мен өндіріс жабдықтарын және материалдарды өндіру мен сипаттамаларын жобалау қабілетіне байланысты болды. Прогресс елге немесе аймаққа қарамастан өлшенеді.2 60 жыл бойы материалтанушылар өз уақыттарының көп бөлігін бір негізгі мәселеге назар аударуға арнады: жаңа және заманауи 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 қасиеттерін айтарлықтай жақсартуға әкелді. Сонымен қатар, осы уақытқа дейін бұрын-соңды болмаған қосылыстар сәтті синтезделді. Бұл табанды күш-жігердің нәтижесінде жаңа инновациялық материалдар тұқымдасы пайда болды, олар бірге Advanced Materials2 деп аталады. Нанокристалдар, нанобөлшектер, нанотүтікшелер, кванттық нүктелер, нөлдік өлшемді, аморфты металл шынылар және жоғары энтропиялық қорытпалар өткен ғасырдың ортасынан бастап әлемге енгізілген озық материалдардың бірнеше мысалы ғана. Соңғы өнімде немесе оны өндірудің аралық кезеңдерінде жоғары қасиеттері бар жаңа қорытпаларды өндіру және әзірлеу кезінде көбінесе теңгерімсіздік мәселесі қосылады. Тепе-теңдіктен айтарлықтай ауытқу үшін жаңа өндіріс әдістерін енгізу нәтижесінде металл шынылар деп аталатын метатұрақты қорытпалардың мүлдем жаңа класы ашылды.
1960 жылы Калифорния технологиялық университетіндегі жұмысы металл қорытпалары тұжырымдамасында төңкеріс әкелді, ол сұйықтықтарды секундына миллион градусқа жуық жылдамдықпен тез қатаю арқылы шыны тәрізді Au-25 at.% Si қорытпаларын синтездеді. 4. Профессор Пол Дувездің жаңалығы металл шынылар (MG) тарихының басталуын ғана емес, сонымен қатар адамдардың металл қорытпалары туралы ойлау тәсілінің парадигмалық өзгерісіне әкелді.MG қорытпаларын синтездеудегі алғашқы алғашқы зерттеулерден бастап, барлық дерлік металл шынылар келесі әдістердің бірін қолдану арқылы толығымен өндірілді; (i) балқыма немесе будың тез қатаюы, (ii) тордың атомдық бұзылуы, (iii) таза металл элементтері арасындағы қатты күйдегі аморфизация реакциялары және (iv) метастабильді фазалардың қатты күйдегі ауысулары.
МГ кристалдармен байланысты ұзақ қашықтықтағы атомдық тәртіптің болмауымен ерекшеленеді, бұл кристалдардың негізгі сипаттамасы болып табылады. Бүгінгі әлемде металл шыны саласында үлкен жетістіктерге қол жеткізілді. Олар тек қатты дене физикасында ғана емес, сонымен қатар металлургияда, беттік химияда, технологияда, биологияда және басқа да көптеген салаларда қызығушылық тудыратын қызықты қасиеттері бар жаңа материалдар. Бұл жаңа материал түрі қатты металдардан ерекше қасиеттерді көрсетеді, бұл оны әртүрлі салаларда технологиялық қолдану үшін қызықты кандидат етеді. Олардың кейбір маңызды қасиеттері бар; (i) жоғары механикалық икемділік және беріктік, (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 әріптестері енгізді. Олар бөлме температурасына өте жақын қоршаған орта температурасында таза элементтер қоспасын ұнтақтау арқылы аморфты Ni60Nb40 ұнтақтарын дайындады. Әдетте, MA реакциясы реактивті материал ұнтақтарының диффузиялық байланысы арасында реакторда жүзеге асырылады, әдетте тот баспайтын болаттан жасалған шарлы диірменге 10 (1a, b сурет). Содан бері бұл механикалық индукцияланған қатты күйдегі реакция әдісі төмен (1c сурет) және жоғары энергиялы шарлы диірмендерді, сондай-ақ шыбық диірмендерін 11,12,13,14,15, 16 пайдалана отырып, жаңа аморфты/металл шыны қорытпасының ұнтақтарын дайындау үшін қолданылып келеді. Атап айтқанда, бұл әдіс Cu-Ta17 сияқты араласпайтын жүйелерді, сондай-ақ дәстүрлі дайындау жолдарын пайдаланып алуға болмайтын Al-өтпелі металл жүйелері (TM; Zr, Hf, Nb және Ta) 18,19 және Fe-W20 сияқты жоғары балқу температурасы бар қорытпаларды дайындау үшін қолданылды. Сонымен қатар, MA металл оксидтерінің, карбидтерінің, нитридтерінің, гидридтерінің, көміртекті нанотүтікшелерінің өнеркәсіптік масштабтағы нанокристалды және нанокомпозиттік ұнтақ бөлшектерін дайындауға арналған ең қуатты нанотехнологиялық құралдардың бірі болып саналады. наноалмаздар, сондай-ақ жоғарыдан төмен қарай тәсіл 1 және метастабильді сатылар арқылы кең тұрақтандыру.
Осы зерттеуде Cu50(Zr50−xNix) металл шыны (MG) жабынын/SUS 304 дайындау үшін қолданылатын өндіріс әдісін көрсететін схема.(a) Төмен энергиялы шарлы фрезерлеу әдісін қолдана отырып, әртүрлі Ni концентрациялары x (x; 10, 20, 30 және 40 ат.%) бар MG қорытпа ұнтақтарын дайындау.(a) Бастапқы материал құрал цилиндріне құрал болат шарларымен бірге салынады және (b) He атмосферасымен толтырылған қолғап қорабына тығыздалады.(c) Ұнтақтау кезіндегі шар қозғалысын көрсететін ұнтақтау ыдысының мөлдір моделі. 50 сағаттан кейін алынған ұнтақтың соңғы өнімі суық бүрку әдісін қолдана отырып, SUS 304 негізін жабу үшін пайдаланылды (d).
Көлемді материал беттеріне (негіздеріне) келетін болсақ, беттік инженерия бастапқы көлемді 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 абразивтілікке төзімділік, тотығу мен коррозияға төзімділік, үйкеліс коэффициенті, биоинерттілік, электрлік қасиеттер және жылу оқшаулауы жатады. Беттік сапа металлургиялық, механикалық немесе химиялық әдістерді қолдану арқылы жақсартылуы мүмкін. Белгілі процесс ретінде жабын дегеніміз басқа материалдан жасалған көлемді заттың (негіздің) бетіне жасанды түрде жағылған бір немесе бірнеше материал қабаты ретінде анықталады. Осылайша, жабындар ішінара қажетті техникалық немесе сәндік қасиеттерге қол жеткізу үшін, сондай-ақ материалдарды қоршаған ортамен күтілетін химиялық және физикалық өзара әрекеттесуден қорғау үшін қолданылады23.
Қалыңдығы бірнеше микрометрден (10-20 микрометрден төмен) 30 микрометрден асатын немесе тіпті бірнеше миллиметрге дейінгі қолайлы беттік қорғаныс қабаттарын жағу үшін көптеген әдістер мен әдістерді қолдануға болады. Жалпы, жабу процестерін екі санатқа бөлуге болады: (i) электродты жабу, электролитсіз жабу және ыстықтай мырыштау әдістерін қоса алғанда, ылғалды жабу әдістері және (ii) құрғақ жабу әдістері, соның ішінде дәнекерлеу, бетті жабу, 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. Беткі қабатта жетілген биопленканың пайда болуы тамақ өнеркәсібі, су жүйелері және денсаулық сақтау ортасы сияқты көптеген өнеркәсіп салаларында айтарлықтай шығындарға әкелуі мүмкін. Адамдарда биопленкалар пайда болған кезде микробтық инфекциялардың 80%-дан астамын (Enterobacteriaceae және Staphylococci қоса алғанда) емдеу қиын. Сонымен қатар, жетілген биопленкалардың планктондық бактериялық жасушалармен салыстырғанда антибиотикалық емдеуге 1000 есе төзімді екені туралы хабарланған, бұл негізгі терапиялық қиындық болып саналады. Дәстүрлі органикалық қосылыстардан алынған микробқа қарсы беттік жабын материалдары бұрыннан қолданылып келеді. Мұндай материалдарда адамдар үшін қауіпті улы компоненттер жиі болғанымен,25,26, бұл бактериялардың берілуін және материалдың жойылуын болдырмауға көмектеседі.
Бактериялардың биоүлбір түзілуіне байланысты антибиотикалық емдеуге кеңінен төзімділігі қауіпсіз қолдануға болатын тиімді микробқа қарсы мембраналық жабынды бетті жасау қажеттілігіне әкелді27. Бактериялық жасушалардың адгезияға байланысты биоүлбірлерді байланыстыруына және құруына кедергі келтіретін физикалық немесе химиялық антиадгезиялы бетті жасау - бұл процестің бірінші тәсілі27. Екінші технология - микробқа қарсы химиялық заттарды қажет жерге дәл жеткізуге мүмкіндік беретін жабындарды жасау, жоғары концентрацияланған және арнайы мөлшерде. Бұған бактерияларға төзімді графен/германий28, қара гауһар29 және ZnO-легирленген гауһар тәрізді көміртекті жабындар30 сияқты бірегей жабын материалдарын жасау арқылы қол жеткізіледі, бұл технология биоүлбір түзілуіне байланысты уыттылықты және төзімділіктің дамуын айтарлықтай азайтады. Сонымен қатар, бактериялық ластанудан ұзақ мерзімді қорғауды қамтамасыз ету үшін беттерге бактерицидтік химиялық заттарды қосатын жабындар танымал бола бастады. Үш процедураның барлығы жабынды беттерге микробқа қарсы әсер ете алатын болса да, олардың әрқайсысының қолдану стратегияларын әзірлеу кезінде ескерілуі керек өзіндік шектеулер жиынтығы бар.
Қазіргі уақытта нарықтағы өнімдер биологиялық белсенді ингредиенттерге арналған қорғаныс жабындарын талдау және сынау үшін уақыттың жеткіліксіздігінен қиындыққа тап болуда. Компаниялар өз өнімдері пайдаланушыларға қажетті функционалдық аспектілерді қамтамасыз ететінін мәлімдейді; дегенмен, бұл қазіргі уақытта нарықтағы өнімдердің табысына кедергі болды. Күмістен алынған қосылыстар тұтынушыларға қолжетімді микробқа қарсы терапияның басым көпшілігінде қолданылады. Бұл өнімдер пайдаланушыларды микроорганизмдердің ықтимал қауіпті әсерінен қорғау үшін жасалған. Күміс қосылыстарының кешіктірілген микробқа қарсы әсері және онымен байланысты уыттылығы зерттеушілерге зияндылығы аз балама жасауға қысым жасайды36,37. Үй ішінде де, сыртында да жұмыс істейтін жаһандық микробқа қарсы жабынды жасау әлі де қиын міндет болып табылады. Бұл денсаулыққа да, қауіпсіздікке де байланысты қауіптерге байланысты. Адамдарға зияны аз микробқа қарсы агентті табу және оны ұзақ сақтау мерзімі бар жабын субстраттарына қалай қосу керектігін анықтау - өте қажет мақсат38. Соңғы микробқа қарсы және биоүлбірге қарсы материалдар бактерияларды жақын қашықтықта, тікелей байланыс арқылы немесе белсенді агент шығарылғаннан кейін жоюға арналған. Олар мұны бастапқы бактериялық адгезияны тежеу ​​​​(бетінде ақуыз қабатының пайда болуына қарсы тұруды қоса алғанда) немесе жасуша қабырғасына кедергі келтіру арқылы бактерияларды жою арқылы жасай алады.
Негізінен, беттік жабын - бұл бетке қатысты қасиеттерді жақсарту үшін компоненттің бетіне тағы бір қабатты орналастыру процесі. Беттік жабынның мақсаты - компоненттің бетке жақын аймағының микроқұрылымын және/немесе құрамын бейімдеу39. Беттік жабын әдістерін әртүрлі әдістерге бөлуге болады, олар 2a-суретте көрсетілген. Жабын жасау үшін қолданылатын әдіске байланысты жабындарды термиялық, химиялық, физикалық және электрохимиялық санаттарға бөлуге болады.
(a) Беткі қабат үшін қолданылатын негізгі өндіріс әдістері және (b) суық шашыратқыш техниканың таңдалған артықшылықтары мен кемшіліктері көрсетілген қосымша.
Суық бүрку технологиясы дәстүрлі термиялық бүрку әдістерімен көптеген ұқсастықтарға ие. Дегенмен, суық бүрку процесі мен суық бүрку материалдарын ерекше ететін кейбір негізгі іргелі қасиеттер де бар. Суық бүрку технологиясы әлі де бастапқы кезеңде, бірақ жарқын болашағы бар. Белгілі бір қолданбаларда суық бүркудің бірегей қасиеттері үлкен артықшылықтар береді, әдеттегі термиялық бүрку әдістерінің ішкі шектеулерін жеңеді. Бұл дәстүрлі термиялық бүрку технологиясының маңызды шектеулерін жеңуге мүмкіндік береді, бұл кезде ұнтақ негізге тұндыру үшін ерітілуі керек. Әрине, бұл дәстүрлі жабын процесі нанокристалдар, нанобөлшектер, аморфты және металл шынылар сияқты температураға өте сезімтал материалдарға жарамайды40, 41, 42. Сонымен қатар, термиялық бүрку жабыны материалдары әрқашан кеуектілік пен оксидтердің жоғары деңгейін көрсетеді. Суық бүрку технологиясы термиялық бүрку технологиясымен салыстырғанда көптеген маңызды артықшылықтарға ие, мысалы: (i) негізге минималды жылу кірісі, (ii) негіз жабынын таңдаудағы икемділік, (iii) фазалық трансформацияның және түйіршіктердің өсуінің болмауы, (iv) жоғары байланыс беріктігі1,39 (2b-сурет). Сонымен қатар, суық бүрку жабыны материалдары жоғары коррозияға ие. кедергісі, жоғары беріктігі мен қаттылығы, жоғары электр өткізгіштігі және жоғары тығыздығы41. Суық бүрку процесінің артықшылықтарына қарамастан, бұл әдісті қолданудың кейбір кемшіліктері бар, бұл 2b суретте көрсетілген. Al2O3, TiO2, ZrO2, WC және т.б. сияқты таза керамикалық ұнтақтарды қаптаған кезде суық бүрку әдісін қолдануға болмайды. Екінші жағынан, керамикалық/металл композиттік ұнтақтарды қаптамаларға арналған шикізат ретінде пайдалануға болады. Басқа термиялық бүрку әдістеріне де қатысты. Күрделі беттер мен құбырлардың ішкі беттерін бүрку әлі де қиын.
Қазіргі жұмыс металл шыны тәрізді ұнтақтарды шикі жабын материалдары ретінде пайдалануға бағытталғанын ескере отырып, дәстүрлі термиялық бүркуді бұл мақсатта пайдалану мүмкін емес екені анық. Себебі металл шыны тәрізді ұнтақтар жоғары температурада кристалданады1.
Медициналық және тамақ өнеркәсібінде қолданылатын құралдардың көпшілігі хирургиялық құралдарды өндіру үшін хром мөлшері 12-ден 20% -ға дейінгі 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 қасиеттер көрсетпейді38,39. Бұл олардың жоғары коррозияға төзімділігімен қарама-қайшы келеді. Осыдан кейін инфекция мен қабынудың дамуын болжауға болады, бұл негізінен тот баспайтын болат биоматериалдарының бетінде бактериялардың адгезиясы мен колонизациясынан туындайды. Бактериялық адгезиямен және биоүлбір түзілу жолдарымен байланысты айтарлықтай 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 жобасының бірінші кезеңі болып табылады, ол антибактериалды пленка/SUS304 беттік қорғаныс жабынын өндіру үшін MA технологиясын (1-кесте) қолдана отырып, металл шыны тәрізді Cu-Zr-Ni үштік ұнтақтарын өндіру мүмкіндігін зерттеуге арналған. 2023 жылдың қаңтарында басталатын жобаның екінші кезеңі жүйенің электрохимиялық коррозия сипаттамалары мен механикалық қасиеттерін егжей-тегжейлі зерттейді. Әртүрлі бактерия түрлеріне егжей-тегжейлі микробиологиялық сынақтар жүргізіледі.
Бұл мақалада Zr қорытпасының элементінің мөлшерінің морфологиялық және құрылымдық сипаттамаларына негізделген шыны түзу қабілетіне (GFA) әсері талқыланады. Сонымен қатар, қапталған металл шыны ұнтақ жабынының/SUS304 композитінің бактерияға қарсы қасиеттері де талқыланды. Сонымен қатар, металл шыны жүйелерінің салқындатылмаған сұйық аймағында суық бүрку кезінде металл шыны ұнтақтарының құрылымдық трансформациясының мүмкіндігін зерттеу бойынша ағымдағы жұмыстар жүргізілді. Бұл зерттеуде мысал ретінде Cu50Zr30Ni20 және Cu50Zr20Ni30 металл шыны қорытпалары қолданылды.
Бұл бөлімде төмен энергиялы шарлы фрезерлеудегі элементтік Cu, Zr және Ni ұнтақтарының морфологиялық өзгерістері көрсетілген. Көрнекі мысалдар ретінде Cu50Zr20Ni30 және Cu50Zr40Ni10-дан тұратын екі түрлі жүйе қолданылады. MA процесін үш түрлі кезеңге бөлуге болады, бұл ұнтақтау кезеңінде алынған ұнтақтың металлографиялық сипаттамасымен көрсетілген (3-сурет).
Шарлы фрезерлеу уақытының әртүрлі кезеңдерінен кейін алынған механикалық қорытпа (MA) ұнтақтарының металлографиялық сипаттамалары. Cu50Zr20Ni30 жүйесі үшін 3, 12 және 50 сағаттық төмен энергиялы шарлы фрезерлеу уақытынан кейін алынған MA және Cu50Zr40Ni10 ұнтақтарының далалық эмиссиялық сканерлеуші ​​​​электрондық микроскопия (FE-SEM) кескіндері (a), (c) және (e) бөлімдерінде көрсетілген, ал сол MA бөлімінде уақыт өткеннен кейін түсірілген Cu50Zr40Ni10 жүйесінің сәйкес кескіндері (b), (d) және (f) бөлімдерінде көрсетілген.
Шарлы фрезерлеу кезінде металл ұнтағына берілуі мүмкін тиімді кинетикалық энергия 1a суретте көрсетілгендей параметрлердің үйлесіміне байланысты болады. Бұған шарлар мен ұнтақтар арасындағы соқтығысулар, ұнтақтау ортасының арасында немесе арасында тұрып қалған ұнтақтың қысу арқылы ығысуы, құлаған шарлардың соққысы, қозғалатын шарлы фрезерлеу ортасы арасындағы ұнтақтың сүйрелуінен туындаған ығысу және тозу және құлаған шарлар арқылы өтетін соққы толқыны кіреді. Дақыл жүктемелері арқылы таралатын құлаған шарлар (1a сурет). Элементтік Cu, Zr және Ni ұнтақтары MA ерте сатысында (3 сағ) суық пісіру салдарынан қатты деформацияланды, нәтижесінде үлкен ұнтақ бөлшектері (диаметрі >1 мм) пайда болды. Бұл ірі композиттік бөлшектер 3a, b суреттерінде көрсетілгендей, легирлеу элементтерінің (Cu, Zr, Ni) қалың қабаттарының пайда болуымен сипатталады. MA уақытын 12 сағ-қа дейін (аралық кезең) арттыру шарлы диірменнің кинетикалық энергиясының артуына әкелді, нәтижесінде композиттік ұнтақ ұнтағы ұсақ ұнтақтарға (200 мкм-ден аз) ыдырады, 3c, d суреттерінде көрсетілгендей. Бұл кезеңде қолданылатын ығысу күші 3c, d суреттерінде көрсетілгендей, ұсақ Cu, Zr, Ni іздері бар жаңа металл бетінің пайда болуына әкеледі. Қабаттарды тазарту нәтижесінде жаңа фазаларды тудыру үшін қабыршақтардың шекарасында қатты фазалық реакциялар жүреді.
MA процесінің шарықтау шегінде (50 сағаттан кейін) қабыршақты металлография тек әлсіз көрінді (3e, f-сурет), бірақ ұнтақтың жылтыратылған бетінде айна тәрізді металлография байқалды. Бұл MA процесінің аяқталғанын және бірыңғай реакция фазасының пайда болғанын білдіреді. 3e-суретте (I, II, III), f, v, vi) индекстелген аймақтардың элементтік құрамы далалық эмиссиялық сканерлеуші ​​​​электрондық микроскопияны (FE-SEM) энергия дисперсиялық рентгендік спектроскопиямен (EDS) (IV) біріктіру арқылы анықталды.
2-кестеде қорытпа элементтерінің элементтік концентрациялары 3e,f суретте таңдалған әрбір аймақтың жалпы салмағының пайызы ретінде көрсетілген. Бұл нәтижелерді 1-кестеде көрсетілген Cu50Zr20Ni30 және Cu50Zr40Ni10 бастапқы номиналды құрамдарымен салыстырған кезде, бұл екі соңғы өнімнің құрамының номиналды құрамдарға өте ұқсас мәндері бар екенін көруге болады. Сонымен қатар, 3e,f суретте көрсетілген аймақтар үшін салыстырмалы компонент мәндері әрбір үлгінің құрамында бір аймақтан екінші аймаққа айтарлықтай нашарлауды немесе ауытқуды білдірмейді. Мұны бір аймақтан екінші аймаққа құрамның өзгермейтіндігі дәлелдейді. Бұл 2-кестеде көрсетілгендей, біртекті қорытпа ұнтақтарының өндірілуін көрсетеді.
Соңғы өнім Cu50(Zr50−xNix) ұнтағының FE-SEM микрографиялары 4a–d суретте көрсетілгендей, 50 MA еседен кейін алынды, мұндағы x сәйкесінше 10, 20, 30 және 40 ат.% құрайды. Осы ұнтақтау кезеңінен кейін ұнтақ агрегаттары ван-дер-Ваальс әсерінен түзіліп, 4-суретте көрсетілгендей, диаметрі 73-тен 126 нм-ге дейінгі ультраұсақ бөлшектерден тұратын ірі агрегаттардың пайда болуына әкеледі.
50 сағаттық MA уақытынан кейін алынған Cu50(Zr50−xNix) ұнтақтарының морфологиялық сипаттамалары. Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40 жүйелері үшін 50 MA уақытынан кейін алынған ұнтақтардың FE-SEM кескіндері сәйкесінше (a), (b), (c) және (d) тармақтарында көрсетілген.
Ұнтақтарды суық бүріккіш бергішке салмас бұрын, олар алдымен аналитикалық сұрыпты этанолда 15 минут бойы ультрадыбыстық өңдеуден өткізіліп, содан кейін 150°C температурада 2 сағат бойы кептірілді. Бұл қадам жабу процесінде көптеген елеулі мәселелерді тудыратын агломерациямен сәтті күресу үшін жасалуы керек. MA процесі аяқталғаннан кейін, қорытпа ұнтақтарының біртектілігін зерттеу үшін қосымша сипаттамалар жүргізілді. 5a–d суретте сәйкесінше 50 сағат М уақыттан кейін алынған Cu50Zr30Ni20 қорытпасының Cu, Zr және Ni қорытпа элементтерінің FE-SEM микрографтары және сәйкес EDS кескіндері көрсетілген. Осы қадамнан кейін алынған қорытпа ұнтақтары біртекті екенін атап өткен жөн, себебі олар 5-суретте көрсетілгендей, субнанометр деңгейінен тыс құрамдық ауытқуларды көрсетпейді.
FE-SEM/энергия дисперсиялық рентгендік спектроскопия (ЭДС) арқылы 50 MA рет алынған MG Cu50Zr30Ni20 ұнтағының морфологиясы және жергілікті элементтік таралуы.(a) (b) Cu-Kα, (c) Zr-Lα және (d) Ni-Kα кескіндерінің ЭДС және рентгендік ЭДС картаға түсіруі.
50 сағаттық MA уақытынан кейін алынған механикалық қорытпаланған Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30 және Cu50Zr20Ni30 ұнтақтарының рентгендік рефлекторлық үлгілері сәйкесінше 6a–d суретте көрсетілген. Ұнтақтаудың осы кезеңінен кейін әртүрлі Zr концентрациясы бар барлық үлгілер 6-суретте көрсетілген гало диффузиясының сипаттамалық үлгілері бар аморфты құрылымдарды көрсетті.
(a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 және (d) Cu50Zr20Ni30 ұнтақтарының 50 сағаттық MA уақытынан кейінгі рентгендік диффузиялық үлгілері. Барлық үлгілерде ерекшеліксіз гало диффузиялық үлгісі байқалды, бұл аморфты фазаның пайда болуын білдіреді.
Әртүрлі MA уақыттарында шарлы фрезерлеу нәтижесінде пайда болған ұнтақтардың құрылымдық өзгерістерін бақылау және жергілікті құрылымын түсіну үшін далалық эмиссиялық жоғары ажыратымдылықтағы трансмиссиялық электронды микроскопия (FE-HRTEM) қолданылды. Cu50Zr30Ni20 және Cu50Zr40Ni10 ұнтақтарын фрезерлеудің ерте (6 сағат) және аралық (18 сағат) кезеңдерінен кейін алынған ұнтақтардың FE-HRTEM кескіндері сәйкесінше 7a,c суреттерінде көрсетілген. MA 6 сағаттан кейін алынған ұнтақтың жарқын далалық кескініне (BFI) сәйкес, ұнтақ fcc-Cu, hcp-Zr және fcc-Ni элементтерінің жақсы анықталған шекаралары бар ірі түйіршіктерден тұрады және 7a суретте көрсетілгендей, реакция фазасының пайда болғанының белгісі жоқ. Сонымен қатар, (a) ортаңғы аймағынан алынған корреляцияланған таңдалған аймақтық дифракциялық үлгі (SADP) үлкен кристаллиттердің болуын және реактивті фазаның болмауын көрсететін шыңдық дифракциялық үлгіні көрсетті (7b сурет).
Ерте (6 сағат) және аралық (18 сағат) сатылардан кейін алынған MA ұнтағының жергілікті құрылымдық сипаттамасы.(a) Далалық эмиссиялық жоғары ажыратымдылықтағы берілістік электронды микроскопия (FE-HRTEM) және (b) 6 сағат бойы MA өңдеуден кейін Cu50Zr30Ni20 ұнтағының сәйкес таңдалған аймақтық дифракциялық үлгісі (SADP). 18 сағаттық MA уақытынан кейін алынған Cu50Zr40Ni10 FE-HRTEM кескіні (c)-да көрсетілген.
7c-суретте көрсетілгендей, MA ұзақтығын 18 сағатқа дейін ұзарту пластикалық деформациямен бірге тордың ауыр ақауларына әкелді. MA процесінің осы аралық кезеңінде ұнтақ қабаттасу ақауларын, тор ақауларын және нүктелік ақауларды қоса алғанда, әртүрлі ақауларды көрсетеді (7-сурет). Бұл ақаулар ірі түйіршіктердің түйіршік шекаралары бойымен өлшемдері 20 нм-нен аз қосалқы түйіршіктерге бөлінуіне әкеледі (7c-сурет).
36 сағат MA уақытында ұнтақталған Cu50Z30Ni20 ұнтағының жергілікті құрылымы 8a-суретте көрсетілгендей, аморфты ұсақ матрицаға енгізілген ультра жұқа нанодәндердің түзілуіне ие. Жергілікті ЭДС талдауы 8a-суретте көрсетілген нанокластерлердің өңделмеген Cu, Zr және Ni ұнтағының қорытпа элементтерімен байланысты екенін көрсетті. Сонымен қатар, матрицаның Cu мөлшері ~32 ат.%-дан (майсыз аймақ) ~74 ат.%-ға дейін (бай аймақ) ауытқып, гетерогенді өнімдердің түзілуін көрсетеді. Сонымен қатар, осы кезеңде ұнтақтаудан кейін алынған ұнтақтардың сәйкес SADP-лары 8b-суретте көрсетілгендей, сол шикі қорытпа элементтерімен байланысты өткір нүктелермен қабаттасатын аморфты фазаның гало-диффузиялық біріншілік және екіншілік сақиналарын көрсетеді.
36 сағ-Cu50Zr30Ni20 ұнтағының наноөлшемді жергілікті құрылымдық ерекшеліктерінен тыс.(a) Жарық өрісті кескін (BFI) және сәйкесінше (b) 36 сағаттық MA уақытында ұнтақтағаннан кейін алынған Cu50Zr30Ni20 ұнтағының SADP.
MA процесінің соңына таман (50 сағ), Cu50(Zr50−xNix), X; 10, 20, 30 және 40 ат.% ұнтақтары 9a–d суретте көрсетілгендей лабиринтті аморфты фазалық морфологияға ие. Әрбір құрамның тиісті SADP-сында нүктелік дифракциялар да, өткір сақина тәрізді үлгілер де анықталмады. Бұл өңделмеген кристалды металл жоқ екенін, керісінше аморфты қорытпа ұнтағының пайда болғанын көрсетеді. Галогендік диффузия үлгілерін көрсететін бұл өзара байланысты SADP-лар соңғы өнім материалында аморфты фазалардың дамуының дәлелі ретінде де пайдаланылды.
MG Cu50 (Zr50−xNix) жүйесінің 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).
Аморфты Cu50(Zr50−xNix) жүйесінің Ni құрамына (x) байланысты шыны ауысу температурасының (Tg), салқындатылған сұйықтық аймағының (ΔTx) және кристалдану температурасының (Tx) термиялық тұрақтылығы He газ ағыны кезіндегі қасиеттердің дифференциалды сканерлеу калориметриясы (DSC) арқылы зерттелді. 50 сағаттық MA уақытынан кейін алынған Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20 және Cu50Zr10Ni40 аморфты қорытпа ұнтақтарының DSC іздері сәйкесінше 10a, b, e суреттерінде көрсетілген. Ал аморфты Cu50Zr20Ni30 DSC қисығы 10c суретінде бөлек көрсетілген. Сонымен қатар, DSC-де ~700 °C дейін қыздырылған Cu50Zr30Ni20 үлгісі 10d суретінде көрсетілген.
50 сағаттық MA уақытынан кейін алынған Cu50(Zr50−xNix) MG ұнтақтарының термиялық тұрақтылығы, шыны ауысу температурасымен (Tg), кристалдану температурасымен (Tx) және салқындатылған сұйықтық аймағымен (ΔTx) индекстеледі. (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 және (e) Cu50Zr10Ni40 MG қорытпа ұнтақтарының 50 сағаттық MA уақытынан кейінгі дифференциалды сканерлеу калориметрі (DSC) термограммалары. DSC-де ~700 °C дейін қыздырылған Cu50Zr30Ni20 үлгісінің рентгендік дифракция (XRD) үлгісі (d) суретте көрсетілген.
10-суретте көрсетілгендей, әртүрлі Ni концентрациясы (x) бар барлық құрамдардың DSC қисықтары екі түрлі жағдайды көрсетеді, бірі эндотермиялық, екіншісі экзотермиялық. Бірінші эндотермиялық оқиға Tg-ге сәйкес келеді, ал екіншісі Tx-ке байланысты. Tg мен Tx арасында болатын көлденең аралық аймақ суытылған сұйықтық аймағы деп аталады (ΔTx = Tx – Tg). Нәтижелер 526°C және 612°C температурада орналасқан Cu50Zr40Ni10 үлгісінің (10a-сурет) Tg және Tx мөлшері Ni мөлшерінің (x) артуымен (x) мөлшерін сәйкесінше 482°C және 563°C төмен температура жағына қарай 20 ат.%-ға жылжытатынын көрсетеді, бұл 10b-суретте көрсетілген. Нәтижесінде, Cu50Zr40Ni10 ΔTx мәні Cu50Zr30Ni20 үшін 86 °C-тан (10a-сурет) 81 °C-қа дейін төмендейді (10a-сурет). 10b). MG Cu50Zr40Ni10 қорытпасы үшін Tg, Tx және ΔTx мәндерінің 447°C, 526°C және 79°C деңгейіне дейін төмендегені байқалды (10b-сурет). Бұл Ni құрамының артуы MG қорытпасының термиялық тұрақтылығының төмендеуіне әкелетінін көрсетеді. Керісінше, MG Cu50Zr20Ni30 қорытпасының Tg мәні (507 °C) MG Cu50Zr40Ni10 қорытпасына қарағанда төмен; дегенмен, оның Tx мәні біріншісімен (612 °C) салыстырмалы мәнді көрсетеді. Сондықтан, ΔTx мәні 10c-суретте көрсетілгендей жоғарырақ (87 °C) мәнді көрсетеді.
MG Cu50(Zr50−xNix) жүйесі, MG Cu50Zr20Ni30 қорытпасын мысал ретінде алып, өткір экзотермиялық шың арқылы fcc-ZrCu5, орторомбалық-Zr7Cu10 және орторомбалық-ZrNi кристалдық фазаларына кристалданады (10c-сурет). Бұл аморфты-кристалды фазалық ауысу MG үлгісінің рентгендік дифракциясымен расталды (10d-сурет), ол DSC-де 700 °C дейін қыздырылды.
11-суретте ағымдағы жұмыста жүргізілген суық бүрку процесі кезінде түсірілген фотосуреттер көрсетілген. Бұл зерттеуде 50 сағаттық MA уақытынан кейін синтезделген металл шыны тәрізді ұнтақ бөлшектері (мысал ретінде Cu50Zr20Ni30) антибактериалды шикізат ретінде пайдаланылды, ал тот баспайтын болат пластина (SUS304) суық бүрку технологиясымен қапталды. Термиялық бүрку технологиясы сериясында жабу үшін суық бүрку әдісі таңдалды, себебі ол термиялық бүрку сериясындағы ең тиімді әдіс болып табылады және фазалық ауысуларға ұшырамайтын аморфты және нанокристалды ұнтақтар сияқты металл метатұрақты температураға сезімтал материалдар үшін қолданылуы мүмкін. Бұл әдісті таңдаудағы негізгі фактор. Суық бүрку 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 жабынын/SUS 304 жабынын 550 °C температурада бес рет қатарынан дайындау үшін қолданылатын суық шашырату процедурасы көрсетілген.
Бөлшектердің кинетикалық энергиясы, демек, жабын түзілуіндегі әрбір бөлшектің импульсі пластикалық деформация (субстраттағы бастапқы бөлшек пен бөлшек-бөлшек өзара әрекеттесуі және бөлшек өзара әрекеттесуі), бос орындардың консолидациясы, бөлшек-бөлшек айналуы, деформация және сайып келгенде жылу сияқты механизмдер арқылы энергияның басқа түрлеріне айналуы керек 39. Сонымен қатар, егер барлық кіретін кинетикалық энергия жылу мен деформация энергиясына айналмаса, нәтижесінде серпімді соқтығысу пайда болады, бұл бөлшектер соқтығысудан кейін жай ғана кері секіреді дегенді білдіреді. Бөлшек/субстрат материалына қолданылатын соққы энергиясының 90%-ы жергілікті жылуға айналатыны атап өтілді 40. Сонымен қатар, соққы кернеуі қолданылған кезде, жанаспалы бөлшек/субстрат аймағында өте қысқа уақыт ішінде жоғары пластикалық деформация жылдамдығына қол жеткізіледі 41,42.
Пластикалық деформация, әдетте, энергияның таралу процесі немесе нақтырақ айтқанда, бетаралық аймақтағы жылу көзі болып саналады. Дегенмен, бетаралық аймақтағы температураның жоғарылауы әдетте бетаралық балқуды тудыру немесе атомдық өзара диффузияны айтарлықтай ынталандыру үшін жеткіліксіз. Авторларға белгілі ешбір басылым суық бүрку әдістері қолданылған кезде пайда болатын бұл металл шыны ұнтақтардың қасиеттерінің ұнтақтың адгезиясына және тұндыруына әсерін зерттемейді.
MG Cu50Zr20Ni30 қорытпа ұнтағының BFI мәнін SUS 304 негізіне жағылған 12a суреттен көруге болады (11, 12b суреттер). Суреттен көрініп тұрғандай, қапталған ұнтақтар бастапқы аморфты құрылымын сақтайды, себебі оларда кристалды ерекшеліктер немесе тор ақаулары жоқ нәзік лабиринт құрылымы бар. Екінші жағынан, суретте MG-мен қапталған ұнтақ матрицасына енгізілген нанобөлшектер көрсеткендей, бөгде фазаның бар екендігі көрсетілген (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 Zr2Ni метастабильді және тетрагональды CuO фазасына сәйкес келетін өткір дақтармен бірге өмір сүреді. CuO түзілуін бүріккіш пистолеттің саптамасынан SUS-қа қарай жылжыған кезде ұнтақтың тотығуымен байланыстыруға болады. 304 дыбыстан жоғары ағынмен ашық ауада. Екінші жағынан, металл шыны тәрізді ұнтақтардың девитрификациясы 550 °C температурада 30 минут бойы суық бүркуден кейін үлкен кубтық фазалардың пайда болуына қол жеткізді.
(a) (b) SUS 304 негізіне жағылған MG ұнтағының FE-HRTEM кескіні (суреттің кірістірілген нұсқасы). (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 SUS 304 негізінің бағыты бойынша 550 °C температурада бүріккіш пистолеттен шашыратылды; дегенмен, ұнтақтардың күйдіру әсерін анықтау үшін олар SUS304 жолағынан мүмкіндігінше тезірек (шамамен 60 секунд) алынып тасталды. Тағы бір эксперименттер жиынтығы жүргізілді, онда ұнтақ тұндырылғаннан кейін шамамен 180 секундтан кейін негізден алынып тасталды.
13a,b суреттерінде SUS 304 субстраттарына 60 және 180 с бойы тұндырылған екі шашыратылған материалдың сканерлеуші ​​трансмиссиялық электронды микроскопия (STEM) арқылы алынған қараңғы өріс кескіндері (DFI) көрсетілген. 60 секунд бойы тұндырылған ұнтақ кескінінде морфологиялық егжей-тегжей жоқ, бұл ерекшеліктердің жоқтығын көрсетеді (13a-сурет). Мұны рентгендік дифракция да растады, бұл 14a-суретте көрсетілген кең бастапқы және қайталама дифракциялық максимумдармен көрсетілгендей, бұл ұнтақтардың жалпы құрылымы аморфты екенін көрсетті. Бұл ұнтақ өзінің бастапқы аморфты құрылымын сақтайтын метастабильді/мезофазалық тұнбаның жоқтығын көрсетеді. Керісінше, бірдей температурада (550 °C) шашыратылған, бірақ субстратта 180 с бойы қалдырылған ұнтақ 13b-суретте көрсетілгендей, наноөлшемді түйіршіктердің тұнбасын көрсетті.