Nature.com сайтына киргениңиз үчүн рахмат. Сиз колдонуп жаткан серепчинин версиясы чектелген CSS колдоосуна ээ. Мыкты тажрыйба үчүн жаңыртылган браузерди колдонууну сунуштайбыз (же Internet Explorerдеги Шайкештик режимин өчүрүү). Ал ортодо, үзгүлтүксүз колдоону камсыз кылуу үчүн биз сайтты стилсиз жана JavaScriptсиз көрсөтөбүз.
Биофильмдер өнөкөт инфекциялардын өнүгүшүндө маанилүү компонент болуп саналат, айрыкча, медициналык аппараттар жөнүндө сөз болгондо. Бул көйгөй медициналык коомчулукка чоң көйгөй жаратат, анткени стандарттуу антибиотиктер биопленкаларды өтө чектелген өлчөмдө гана жок кыла алат. Биофильмдин пайда болушунун алдын алуу ар кандай каптоо ыкмаларын жана жаңы материалдарды иштеп чыгууга алып келди. Бул ыкмалар биоплёнканын пайда болушуна жол бербөө үчүн беттерди каптоого багытталган. Айнек сымал металл эритмелери, өзгөчө, жез жана титан металлдары бар, идеалдуу антимикробдук каптама болуп калды. Ошол эле учурда муздак чачуу технологиясын колдонуу көбөйдү, анткени ал температурага сезгич материалдарды иштетүү үчүн ылайыктуу ыкма болуп саналат. Бул изилдөөнүн максатынын бир бөлүгү механикалык эритмелөө ыкмаларын колдонуу менен Cu-Zr-Ni үчилтиктен турган жаңы антибактериалдык пленкалуу металл айнекти иштеп чыгуу болгон. Акыркы продуктуну түзгөн тоголок порошок дат баспас болоттон жасалган беттерди төмөнкү температурада муздак чачуу үчүн чийки зат катары колдонулат. Металл айнек менен капталган субстраттар дат баспас болоттон караганда, жок дегенде 1 журналга биофильмдин пайда болушун олуттуу кыскарта алды.
Бүткүл адамзат тарыхында ар кандай коом өзүнүн спецификалык талаптарын канааттандыруу үчүн жаңы материалдарды иштеп чыгууга жана жайылтууга жетишти, натыйжада глобалдашкан экономикада өндүрүмдүүлүк жана рейтинг жогорулады1. Бул ар дайым адамдын материалдарды жана өндүрүштүк жабдууларды долбоорлоо жөндөмдүүлүгүнө, ошондой эле бир өлкөдөн же региондон экинчисине саламаттыкты сактоо, билим берүү, өнөр жай, экономика, маданият жана башка тармактарга жетүү үчүн материалдарды өндүрүү жана мүнөздөмө берүү жөндөмдүүлүгүнө таандык болгон. Прогресс өлкөгө же аймакка карабастан өлчөнөт2. 60 жыл бою материал таануучулар көп убакытты бир негизги ишке: жаңы жана алдыңкы материалдарды издөөгө арнашкан. Акыркы илимий изилдөөлөр колдо болгон материалдардын сапатын жана натыйжалуулугун жогорулатууга, ошондой эле материалдардын таптакыр жаңы түрлөрүн синтездөө жана ойлоп табууга багытталган.
Легирленген элементтерди кошуу, материалдын микроструктурасын өзгөртүү жана термикалык, механикалык же термомеханикалык тазалоо ыкмаларын колдонуу ар кандай материалдардын механикалык, химиялык жана физикалык касиеттеринин бир топ жакшырышына алып келди. Мындан тышкары, буга чейин белгисиз кошулмалар ийгиликтүү синтезделген. Бул тынымсыз аракеттер жалпысынан Advanced Materials2 деп аталган инновациялык материалдардын жаңы үй-бүлөсүн пайда кылды. Нанокристаллдар, нанобөлүкчөлөр, нанотүтүкчөлөр, кванттык чекиттер, нөл өлчөмдүү, аморфтук металлдык айнектер жана жогорку энтропия эритмелери өткөн кылымдын ортосунан бери дүйнөдө пайда болгон алдыңкы материалдардын кээ бир мисалдары. Жакшыртылган касиеттери бар жаңы эритмелерди жасап чыгарууда жана иштеп чыгууда акыркы продуктта да, аны өндүрүүнүн орто аралык стадияларында да дисбаланс маселеси көбүнчө кошулат. Тең салмактуулуктан олуттуу четтөөлөргө жол берген өндүрүштүн жаңы ыкмаларын киргизүүнүн натыйжасында металлдык айнектер деп аталган метастабилдүү эритмелердин бүтүндөй жаңы классы ачылды.
Анын 1960-жылы Калтехте жасаган иши секундасына миллион градуска жакын суюктуктарды ылдам катып, Au-25 at.% Si айнек эритмелерин синтездегенде металл эритмелеринин концепциясын өзгөрттү. 4 Профессор Пол Дювстун ачылышы тарыхтагы металл айнектердин (МС) башталышын гана белгилебестен, адамдардын металл эритмелери жөнүндө ой жүгүртүүсүнүн парадигмасынын өзгөрүшүнө алып келди. MS эритмелерин синтездөөдөгү эң биринчи пионердик изилдөөлөрдөн бери дээрлик бардык металл айнектер төмөнкү ыкмалардын бирин колдонуу менен толугу менен алынган: (i) эритүүнү же бууну тез катып алуу, (ii) атомдук тордун бузулушу, (iii) таза металлдык элементтердин ортосундагы катуу абалдын аморфизация реакциялары жана (iv) катуу абалдагы фазалардын өтүшү.
MGs кристаллдар менен байланышкан узак аралыктагы атомдук тартиптин жоктугу менен айырмаланат, бул кристаллдардын аныктоочу мүнөздөмөсү болуп саналат. Хэзирки заман дунйэсинде метал айнасы боюнча улы устунликлер газанылды. Бул катуу телолордун физикасы учун гана эмес, ошондой эле металлургия, беттик химия, технология, биология жана башка коп тармактарды кызыктырган кызыктуу касиеттери бар жаны материалдар. Материалдын бул жаңы түрү катуу металлдардан айырмаланган өзгөчөлүктөргө ээ, бул аны ар түрдүү тармактарда технологиялык колдонуу үчүн кызыктуу талапкер кылат. Алардын кээ бир маанилүү касиеттери бар: (i) жогорку механикалык ийкемдүүлүк жана аккандык, (ii) жогорку магниттик өткөрүмдүүлүк, (iii) аз коэрцивдүүлүк, (iv) адаттан тыш коррозияга туруктуулук, (v) температуранын көз карандысыздыгы. Өткөргүчтүк 6.7.
Механикалык эритмелөө (МА)1,8 салыштырмалуу жаңы ыкма, биринчи жолу 19839-жылы профессор К.К.Кок жана анын кесиптештери тарабынан киргизилген. Алар бөлмө температурасына абдан жакын айлана-чөйрөнүн температурасында таза элементтердин аралашмасын майдалоо жолу менен аморфтук Ni60Nb40 порошокторун чыгарышкан. Эреже катары, МА реакциясы реактордогу реагенттин порошокторун, адатта, дат баспас болоттон жасалган, шар тегирменге диффузиялык байланыштын ортосунда ишке ашырылат. 10 (сүр. 1а, б). Ошондон бери, бул механикалык индукцияланган катуу абалдын реакциясы ыкмасы жаңы аморфтук/металлдык айнек эритмеси порошокторун аз (1с-сүрөт) жана жогорку энергиялуу шар тегирмендер менен тегирмендерди11,12,13,14,15,16 колдонуу менен даярдоо үчүн колдонулган. Атап айтканда, бул ыкма Cu-Ta17 сыяктуу аралашпаган системаларды, ошондой эле Al-өткөөл металл (TM, Zr, Hf, Nb жана Ta) 18,19 жана Fe-W20 системалары сыяктуу жогорку эрүү чекити эритмелерин даярдоо үчүн колдонулган. , аны кадимки бышыруу ыкмаларын колдонуу менен алуу мүмкүн эмес. Мындан тышкары, MA металл оксиддеринин, карбиддердин, нитриддердин, гидриддердин, көмүртектүү нанотүтүктөрдүн, наноалмаздардын нанокристаллдык жана нанокомпозиттик порошок бөлүкчөлөрүн өнөр жайлык масштабда өндүрүү үчүн эң күчтүү нанотехнологиялык инструменттердин бири болуп эсептелет, ошондой эле жогорудан ылдый ыкманы колдонуу менен кеңири турукташтыруу. 1 жана метастабилдүү этаптар.
Бул изилдөөдө Cu50(Zr50-xNix)/SUS 304 металлдык айнек каптоосун даярдоо үчүн колдонулган даярдоо ыкмасын көрсөткөн схема. (а) Төмөн энергиялуу шар фрезер ыкмасын колдонуу менен Ni x (x; 10, 20, 30 жана 40 ат.%) ар кандай концентрациядагы MC эритме порошокторун даярдоо. (а) Баштапкы материал аспаптык болот шариктери менен бирге аспап цилиндрине жүктөлөт жана (б) Ал атмосферасы менен толтурулган колкап кутучасына жабылат. (c) Майдалоо учурунда шардын кыймылын чагылдырган майдалоочу идиштин ачык модели. 50 сааттан кийин алынган акыркы порошок продуктусу SUS 304 субстратын муздак спрей менен каптоо үчүн колдонулган (d).
Жаппай материалдык беттерге (субстраттарга) келгенде, жер үстүндөгү инженерия баштапкы жапырт материалда жок кээ бир физикалык, химиялык жана техникалык касиеттерди камсыз кылуу үчүн беттерди (субстраттарды) долбоорлоону жана модификациялоону камтыйт. Беттик тазалоо аркылуу натыйжалуу жакшыртылышы мүмкүн болгон кээ бир касиеттерге абразия, кычкылдануу жана коррозияга туруктуулук, сүрүлүү коэффициенти, биоинерттик, электрдик касиеттери жана жылуулук изоляциясы кирет. Беттин сапатын металлургиялык, механикалык же химиялык ыкмалар менен жакшыртууга болот. Белгилүү процесс катары каптоо башка материалдан жасалган көлөмдүү объекттин (субстраттын) бетине жасалма түрдө колдонулган бир же бир нече материал катмары катары аныкталат. Ошентип, каптамалар жарым-жартылай керектүү техникалык же кооздук касиеттерге жетүү үчүн, ошондой эле материалдарды айлана-чөйрө менен күтүлгөн химиялык жана физикалык өз ара аракеттенүүдөн коргоо үчүн колдонулат23.
Калыңдыгы бир нече микрометрден (10-20 микрометрден төмөн) 30 микрометрден ашык, ал тургай бир нече миллиметрге чейин ылайыктуу коргоочу катмарларды колдонуу үчүн ар кандай ыкмаларды жана ыкмаларды колдонсо болот. Жалпысынан, каптоо процесстерин эки категорияга бөлүүгө болот: (i) нымдуу каптоо ыкмалары, анын ичинде электропластика, электропластика жана ысык цинктөө, жана (ii) кургак каптоо ыкмалары, анын ичинде ширетүү, катуу каптоо, физикалык бууларды түшүрүү (PVD). ), химиялык бууларды түшүрүү (CVD), термикалык чачуу ыкмалары жана жакында эле муздак чачуу ыкмалары 24 (сүрөт 1d).
Биофильмдер беттерге кайтарылгыс түрдө жабышкан жана өз алдынча өндүрүлгөн клеткадан тышкаркы полимерлер (EPS) менен курчалган микробдук жамааттар катары аныкталат. Үстүртөн жетилген биофильмдин пайда болушу көптөгөн тармактарда, анын ичинде тамак-аш кайра иштетүүдө, суу системаларында жана саламаттыкты сактоодо олуттуу жоготууларга алып келиши мүмкүн. Адамдарда биопленкалардын пайда болушу менен микробдук инфекциялардын 80% дан ашыгын (анын ичинде Enterobacteriaceae жана Staphylococci) дарылоо кыйынга турат. Кошумчалай кетсек, жетилген биофильмдер планктондук бактериялык клеткаларга салыштырмалуу антибиотиктик дарылоого 1000 эсе туруштук берери маалымдалган, бул негизги терапиялык кыйынчылык болуп эсептелет. Тарыхта жалпы органикалык кошулмалардан алынган микробго каршы беттик каптоочу материалдар колдонулган. Мындай материалдар көбүнчө адамдарга зыян келтирүүчү уулуу компоненттерди камтыса да,25,26 бул бактериялык жугуудан жана материалдын бузулушунан качууга жардам берет.
Биоплёнканын пайда болушунан улам антибиотиктерди дарылоого кеңири жайылган бактериялык каршылык коопсуз колдонула турган эффективдүү микробго каршы мембрана менен капталган бетти иштеп чыгуу зарылдыгына алып келди27. Бактериялык клеткалар адгезиядан улам биопленкаларды түзө албаган физикалык же химиялык жабышчаак бетти иштеп чыгуу бул процесстеги биринчи ыкма27. Экинчи технология - микробго каршы химикаттарды керектүү жерде, өтө концентрацияланган жана ылайыкташтырылган өлчөмдө жеткирүүчү каптамаларды иштеп чыгуу. Бул бактерияларга туруктуу болгон графен/германий29, кара алмаз29 жана ZnO30 кошулган алмаз сымал көмүртек сыяктуу уникалдуу жабуу материалдарын иштеп чыгуу аркылуу жетишилет, бул технология биофильмдин пайда болушунан улам уулуулуктун жана туруктуулуктун өнүгүшүн максималдуу кылат. Мындан тышкары, бактериялык булгануудан узак мөөнөттүү коргоону камсыз кылган микробдорду жок кылуучу химикаттарды камтыган каптамалар барган сайын популярдуу болуп баратат. Үч процедура тең капталган беттерде микробго каршы активдүүлүктү көрсөтүүгө жөндөмдүү болсо да, ар биринин өзүнүн чектөөлөрү бар, аларды колдонуу стратегиясын иштеп чыгууда эске алуу керек.
Учурда базардагы продукцияларга биологиялык активдүү ингредиенттер үчүн коргоочу жабындарды анализдөө жана сыноо үчүн убакыттын жоктугу тоскоол болууда. Компаниялар алардын өнүмдөрү колдонуучуларга керектүү функционалдык аспектилерди берет деп ырасташат, бирок бул учурда рынокто өнүмдөрдүн ийгилиги үчүн тоскоолдук болуп калды. Күмүштөн алынган кошулмалар учурда керектөөчүлөргө жеткиликтүү болгон микробго каршы каражаттардын басымдуу көпчүлүгүндө колдонулат. Бул продуктылар колдонуучуларды микроорганизмдердин потенциалдуу зыяндуу таасиринен коргоо үчүн иштелип чыккан. Кечигип калган микробго каршы таасири жана күмүш кошулмаларынын уулуулугу азыраак зыяндуу альтернативаны иштеп чыгуу үчүн изилдөөчүлөргө басымды күчөтөт36,37. Ичинде жана сыртында иштеген глобалдык антимикробдук жабынды түзүү кыйынчылык бойдон калууда. Бул ден-соолук жана коопсуздук коркунучтары менен коштолот. Адамдарга анча зыяны жок антимикробдук агентти табуу жана аны сактоо мөөнөтү узун каптоочу субстраттарга кантип киргизүүнү аныктоо - эң көп талап кылынган максат38. Акыркы антимикробдук жана антибиофильмдик материалдар бактерияларды түздөн-түз байланыш аркылуу же активдүү агент чыккандан кийин жакын аралыкта жок кылуу үчүн иштелип чыккан. Алар муну баштапкы бактериялык адгезияны токтотуу (анын ичинде бетинде белок катмарынын пайда болушуна жол бербөө) же клетка дубалына кийлигишүү аркылуу бактерияларды өлтүрүү аркылуу жасай алышат.
Негизинен, үстүн каптоо - бул беттик мүнөздөмөлөрдү жакшыртуу үчүн компоненттин бетине дагы бир катмарды колдонуу процесси. Беттик жабуунун максаты - компоненттин жер бетине жакын аймагынын микроструктурасын жана/же курамын өзгөртүү39. Беттик каптоо ыкмалары ар кандай ыкмаларга бөлүнүшү мүмкүн, алар 2а-сүрөттө жалпыланган. Каптаманы түзүү ыкмасына жараша жабуулар жылуулук, химиялык, физикалык жана электрохимиялык категорияларга бөлүнөт.
(а) негизги беттик даярдоо ыкмаларын көрсөткөн ички жазуу, жана (б) муздак чачуу ыкмасынын тандалган артыкчылыктары жана кемчиликтери.
Муздак чачуу технологиясы салттуу термикалык чачуу ыкмалары менен көп окшоштуктарга ээ. Бирок, муздак чачуу процессин жана муздак брызги материалдарын өзгөчө уникалдуу кылган кээ бир негизги фундаменталдуу касиеттери бар. Муздак чачуу технологиясы али башталышында, бирок анын келечеги чоң. Кээ бир учурларда муздак чачуунун уникалдуу касиеттери кадимки термикалык чачуу техникасынын чектөөлөрүн жеңип, чоң артыкчылыктарды берет. Бул порошок субстраттын үстүнө коюу үчүн эритүү керек болгон салттуу термикалык спрей технологиясынын олуттуу чектөөлөрүн жеңет. Албетте, бул салттуу каптоо жараяны нанокристаллдар, нанобөлүкчөлөр, аморфтук жана металлдык көз айнек40, 41, 42 сыяктуу өтө температурага сезгич материалдар үчүн ылайыктуу эмес. Мындан тышкары, термикалык брызги каптоочу материалдар ар дайым көзөнөктүүлүктүн жана оксиддердин жогорку деңгээлине ээ. Муздак чачуу технологиясы термикалык чачыратуу технологиясына караганда көптөгөн олуттуу артыкчылыктарга ээ, мисалы (i) субстратка минималдуу жылуулук киргизүү, (ii) субстрат каптоосун тандоодо ийкемдүүлүк, (iii) фазалык трансформациянын жана дандын өсүшүнүн жоктугу, (iv) жогорку жабышчаак күчү1 .39 (сүрөт 2b). Мындан тышкары, муздак чачыратуучу каптоочу материалдар жогорку коррозияга туруктуулукка, жогорку күчкө жана катуулукка, жогорку электр өткөрүмдүүлүккө жана жогорку тыгыздыкка ээ41. Муздак чачуу процессинин артыкчылыктарына карабастан, бул ыкма дагы эле 2б-сүрөттө көрсөтүлгөндөй кээ бир кемчиликтерге ээ. Al2O3, TiO2, ZrO2, WC сыяктуу таза керамикалык порошокторду каптаганда муздак чачуу ыкмасын колдонууга болбойт. Башка жагынан алганда, керамикалык / металл курама порошок жабуу үчүн чийки зат катары колдонулушу мүмкүн. Ошол эле башка термикалык чачуу ыкмаларына тиешелүү. Татаал беттер жана түтүктөрдүн ички жасалгалары дагы деле кыйын.
Учурдагы иш каптоо үчүн баштапкы материал катары металл айнек порошокторун колдонууга багытталганын эске алсак, бул максатта кадимки термикалык чачууну колдонууга болбойт экени түшүнүктүү. Бул металлдык айнек порошокторунун жогорку температурада кристаллдашуусу менен шартталган.
Медициналык жана тамак-аш өнөр жайларында колдонулган аспаптардын көбү хирургиялык аспаптарды өндүрүү үчүн хромдун курамы 12ден 20 масса%ке чейинки аустениттик дат баспас болоттон жасалган эритмелерден (SUS316 жана SUS304) жасалган. Болот эритмелеринде хром металлын легирлөөчү элемент катары колдонуу стандарттуу болот эритмелеринин коррозияга туруктуулугун бир топ жакшырта ала тургандыгы жалпы кабыл алынган. Дат баспас болоттон жасалган эритмелер, жогорку коррозияга туруктуулугуна карабастан, олуттуу микробго каршы касиетке ээ эмес38,39. Бул алардын жогорку коррозияга туруктуулугу менен айырмаланат. Андан кийин, ал негизинен дат баспас болоттон жасалган биоматериалдардын бетинде бактериялык адгезия жана колонизация менен шартталган инфекциянын жана сезгенүүнүн өнүгүшүн алдын ала айтууга болот. Олуттуу кыйынчылыктар адамдын ден соолугуна түздөн-түз же кыйыр түрдө таасир этиши мүмкүн болгон көптөгөн кесепеттерге алып келиши мүмкүн болгон начар ден соолукка алып келиши мүмкүн болгон бактериялык адгезия жана биофильмдерди түзүү жолдору менен байланышкан олуттуу кыйынчылыктардан улам келип чыгышы мүмкүн.
Бул изилдөө Кувейттин илимди өркүндөтүү фонду (KFAS) тарабынан каржыланган долбоордун биринчи этабы болуп саналат, келишим №. 2010-550401, MA технологиясын колдонуу менен металлдык айнектүү Cu-Zr-Ni үчтүк порошокторду өндүрүүнүн максатка ылайыктуулугун изилдөө (таблица). 1) SUS304 антибактериалдык беттик коргоо пленкасы / каптоо өндүрүү үчүн. Долбоордун 2023-жылдын январында баштала турган экинчи этабы гальваникалык коррозия мүнөздөмөлөрүн жана системанын механикалык касиеттерин деталдуу түрдө изилдейт. Бактериялардын ар кандай түрлөрү үчүн деталдуу микробиологиялык изилдөөлөр жүргүзүлөт.
Бул макалада Zr эритмесинин мазмуну морфологиялык жана структуралык мүнөздөмөлөрдүн негизинде айнек түзүү жөндөмүнө (GFA) тийгизген таасири талкууланат. Мындан тышкары, порошок менен капталган металл айнек / SUS304 курамасынын бактерияга каршы касиеттери да талкууланды. Мындан тышкары, даярдалган металл айнек системаларынын өтө муздатылган суюктук аймагында муздак чачуу учурунда пайда болгон металлдык айнек порошоктордун структуралык өзгөрүү мүмкүнчүлүгүн изилдөө боюнча уланып жаткан иштер жүргүзүлдү. Cu50Zr30Ni20 жана Cu50Zr20Ni30 металлдык айнек эритмелери бул изилдөөдө өкүлчүлүктүү мисалдар катары колдонулган.
Бул бөлүмдө аз энергиялуу шариктерди фрезерлөөдө элементардык Cu, Zr жана Ni порошокторунун морфологиялык өзгөрүүлөрү берилген. Cu50Zr20Ni30 жана Cu50Zr40Ni10дон турган эки башка система иллюстративдик мисал катары колдонулат. МА процессин үч өзүнчө этапка бөлүүгө болот, муну майдалоо стадиясында алынган порошоктун металлографиялык мүнөздөмөсү далилдейт (3-сүрөт).
Шарттуу майдалоонун ар кандай этаптарынан кийин алынган механикалык эритмелердин (МА) порошоктарынын металлографиялык мүнөздөмөлөрү. 3, 12 жана 50 саат бою аз энергия менен тегирменден кийин алынган MA жана Cu50Zr40Ni10 порошоктарынын талаа эмиссиясын сканерлөөчү электрондук микроскопиялык (FE-SEM) сүрөттөрү (a), (c) жана (e) Cu50Zr20Ni30 системасы үчүн, ошол эле МАда көрсөтүлгөн. Убакыттын өтүшү менен алынган Cu50Zr40Ni10 системасынын тиешелүү сүрөттөрү (b), (d) жана (f) бөлүмүндө көрсөтүлгөн.
Шарды фрезерлөөдө металл порошокуна берилүүчү эффективдүү кинетикалык энергияга 1а-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, параметрлердин жыйындысы таасир этет. Буга шарлар менен порошоктордун ортосундагы кагылышуулар, майдалоочу чөйрөнүн ортосунда же ортосуна тыгылып калган порошоктун кысуусу, шарлардын кулап түшүшүнүн таасири, шар тегирмендин кыймылдаткыч денелеринин ортосундагы порошок сүйрөөсүнөн келип чыккан кесүү жана эскирүү жана жүктөлгөн маданият аркылуу тараган кулап түшкөн шарлар аркылуу өткөн сокку толкуну кирет (1а-сүрөт). Элементарные порошки Cu, Zr и Ni были сильно деформированы из-за холодной сварки на ранней стадии МА (3 ч), что привело к образованию крупных частиц порошка (> 1 в диаметре). Элементтүү Cu, Zr жана Ni порошоктору МАнын алгачкы стадиясында (3 с) муздак ширетүүдөн катуу деформацияланган, бул чоң порошок бөлүкчөлөрүнүн (диаметри > 1 мм) пайда болушуна алып келген.Бул чоң композиттик бөлүкчөлөр легирленген элементтердин (Cu, Zr, Ni) калың катмарларынын пайда болушу менен мүнөздөлөт. 3a,b. MA убакыттын 12 саатка чейин көбөйүшү (аралык этап) шар тегирмендин кинетикалык энергиясынын көбөйүшүнө алып келди, бул 3c, шаардагы сүрөттө көрсөтүлгөндөй, курама порошоктун майда порошокторго (200 мкмден аз) ыдырашына алып келди. Бул этапта келтирилген кесүү күчү 3в, г-сүрөттө көрсөтүлгөндөй жука Cu, Zr, Ni кыйытма катмарлары бар жаңы металл бетинин пайда болушуна алып келет. Кабырчыктардын тилкесиндеги катмарларды майдалоонун натыйжасында жаңы фазалардын пайда болушу менен катуу фазалуу реакциялар жүрөт.
МА процессинин туу чокусунда (50 сааттан кийин) үлүш металлография дээрлик байкалган эмес (3е, е-сүрөт), порошоктун жылмаланган бетинде күзгү металлография байкалган. Бул MA процесси аяктады жана бирдиктүү реакция фазасы түзүлдү дегенди билдирет. Сүрөттө көрсөтүлгөн аймактардын элементардык курамы. 3e (I, II, III), f, v, vi) энергия дисперсиялык рентген спектроскопиясы (EDS) менен бирге талаа эмиссиясын сканерлөөчү электрондук микроскопияны (FE-SEM) колдонуу менен аныкталган. (IV).
Таблицада. Легирленген элементтердин 2 элементтик концентрациясы 1-сүрөттө тандалган ар бир аймактын жалпы массасынын пайызы менен көрсөтүлгөн. 3e, f. Бул жыйынтыктарды 1-таблицада келтирилген Cu50Zr20Ni30 жана Cu50Zr40Ni10 баштапкы номиналдык курамы менен салыштыруу бул эки акыркы продуктунун курамы номиналдык композицияларга абдан жакын экенин көрсөтүп турат. Мындан тышкары, 3e,f-сүрөттө келтирилген аймактар ​​үчүн компоненттердин салыштырмалуу маанилери ар бир үлгүнүн курамынын бир аймактан экинчисине олуттуу начарлашын же вариациясын билдирбейт. Бир аймактан экинчи аймакка составында эч кандай өзгөрүү болбогону буга далил. Бул 2-таблицада көрсөтүлгөндөй бирдей эритме порошоктордун өндүрүшүн көрсөтөт.
Cu50 (Zr50-xNix) акыркы продукт порошок FE-SEM micrographs 50 MA жолу кийин алынган, сүрөттө көрсөтүлгөндөй. Бул майдалоо кадамынан кийин порошок ван-дер-Ваальс эффектинин эсебинен агрегатталат, бул 4-сүрөттө көрсөтүлгөндөй диаметри 73төн 126 нмге чейинки өтө майда бөлүкчөлөрдөн турган чоң агрегаттардын пайда болушуна алып келет.
50 саат MA кийин алынган Cu50 (Zr50-xNix) порошок морфологиялык мүнөздөмөлөрү. Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40 системалары үчүн 50 MAдан кийин алынган порошоктордун FE-SEM сүрөттөрү тиешелүүлүгүнө жараша (a), (b), (c) жана (d) көрсөтүлгөн.
Порошокторду муздак спрей берүүчүгө жүктөөдөн мурун, алар адегенде аналитикалык сорттогу этанолдо 15 мүнөттүн ичинде ультрадыбыс менен иштетилип, андан кийин 150°C температурада 2 саат кургатылган. Бул кадам көп учурда каптоо жараянында көптөгөн олуттуу көйгөйлөрдү жаратат агломерация менен ийгиликтүү күрөшүү үчүн жасалышы керек. MA процесси аяктагандан кийин, эритме порошоктарынын бир тектүүлүгүн изилдөө үчүн кошумча изилдөөлөр жүргүзүлдү. fig боюнча. 5a–d FE-SEM микросүрөттөрүн жана Cu50Zr30Ni20 эритмесинин Cu, Zr жана Ni эритүүчү элементтеринин тиешелүү EDS сүрөттөрүн көрсөтөт, тиешелүүлүгүнө жараша 50 саат M убакыттан кийин алынган. Белгилей кетчү нерсе, бул кадамдан кийин алынган эритме порошоктор 5-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, суб-нанометрдик деңгээлден ашкан курамдык термелүүлөрдү көрсөтпөйт, бир тектүү.
Morphology жана MG Cu50Zr30Ni20 порошок элементтердин жергиликтүү бөлүштүрүү FE-SEM/Energy Dispersive рентген спектроскопиясы (EDS) менен 50 MA кийин алынган. (а) (б) Cu-Kα, (c) Zr-Lα жана (г) Ni-Kα SEM жана рентген EDS сүрөтү.
50 сааттык MAдан кийин алынган механикалык эритмеленген Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30 жана Cu50Zr20Ni30 порошоктарынын рентгендик дифракциясынын схемалары Fig. тиешелүүлүгүнө жараша 6a–d. Бул майдалоо баскычынан кийин, ар кандай Zr концентрациясы бар бардык үлгүлөр 6-сүрөттө көрсөтүлгөн мүнөздүү гало диффузия үлгүлөрү менен аморфтук структураларга ээ болгон.
50 саат бою MA кийин Cu50Zr40Ni10 (а), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c) жана Cu50Zr20Ni30 (d) порошок рентгендик дифракция үлгүлөрү. Гало-диффузия схемасы аморфтук фазанын пайда болушун көрсөтүүчү бардык үлгүлөрдөн эч бир өзгөчөлүгү жок байкалды.
Жогорку чечилиштеги талаа эмиссиясынын электрондук микроскопиясы (FE-HRTEM) структуралык өзгөрүүлөргө байкоо жүргүзүү жана ар кандай MA убакта шар тегирменден келип чыккан порошоктун жергиликтүү түзүлүшүн түшүнүү үчүн колдонулган. Cu50Zr30Ni20 жана Cu50Zr40Ni10 порошокторун майдалоонун эрте (6 саат) жана ортоңку (18 саат) этаптарынан кийин FE-HRTEM ыкмасы менен алынган порошоктордун сүрөттөрү 1-сүрөттө көрсөтүлгөн. 7а, тиешелүүлүгүнө жараша. 6 саат MAдан кийин алынган порошоктун жаркыраган талаа сүрөтүнө (BFI) ылайык, порошок fcc-Cu, hcp-Zr жана fcc-Ni элементтеринин так аныкталган чектери бар ири бүртүкчөлөрдөн турат жана 7а-сүрөттө көрсөтүлгөндөй реакция фазасынын пайда болушунун белгилери жок. Кошумчалай кетсек, ортоңку аймактан (а) алынган корреляцияланган тандалган аймактын дифракциясынын үлгүсү (SADP) чоң кристаллиттердин бар экендигин жана реактивдүү фазанын жоктугун көрсөткөн кескин дифракциялык схеманы (сүрөт 7б) ачып берген.
эрте (6 ч) жана орто (18 ч) этаптарынан кийин алынган MA порошок жергиликтүү структуралык мүнөздөмөлөрү. (А) 6 саат бою MA дарылоо кийин (а) Жогорку чечим талаа эмиссиясы берүү электрондук микроскоп (FE-HRTEM) жана (б) Cu50Zr30Ni20 порошок тиешелүү тандалган аймак diffractogram (SADP). 18 сааттык MA кийин алынган Cu50Zr40Ni10 FE-HRTEM сүрөтү (c) көрсөтүлгөн.
Сүрөттө көрсөтүлгөндөй. 7c, 18 саатка чейин МА узактыгынын өсүшү пластикалык деформация менен айкалышта олуттуу тор кемчиликтерге алып келди. МА процессинин бул аралык стадиясында порошокто ар кандай кемчиликтер пайда болот, анын ичинде стекалык каталар, торлордун кемчиликтери жана чекиттик кемчиликтер (7-сүрөт). Бул кемчиликтер ири бүртүкчөлөрдүн дан чек аралары боюнча 20 нмден кичине чоң дандарга бөлүнүшүнө алып келет (7в-сүрөт).
36 саат MA үчүн майдаланган Cu50Z30Ni20 порошокунун жергиликтүү түзүлүшү 8а-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, аморфтук жука матрицага салынган ультра майда нан бүртүкчөлөрүнүн пайда болушу менен мүнөздөлөт. EMF жергиликтүү талдоо нанокластерлер сүрөттө көрсөтүлгөн экенин көрсөттү. 8a тазаланбаган Cu, Zr жана Ni порошок эритмелери менен байланышкан. Матрицадагы Cu курамы ~32 ат.%тен (начар зонада) ~74 ат.%ке (бай зонага) чейин өзгөргөн, бул гетерогендүү продуктулардын пайда болушун көрсөтөт. Кошумчалай кетсек, бул кадамда майдалоодон кийин алынган порошоктордун тиешелүү SADP'лери 8б-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, бул тазаланбаган эритмелөөчү элементтер менен байланышкан курч чекиттер менен бири-бирине дал келген негизги жана экинчилик гало-диффузиялуу аморфтук фазалык шакекчелерди көрсөтөт.
Beyond 36 h-Cu50Zr30Ni20 порошоктун нано масштабдуу жергиликтүү структуралык өзгөчөлүктөрү. (А) Жарык талаа сүрөтү (BFI) жана тиешелүү (б) Cu50Zr30Ni20 порошок SADP 36 саат MA үчүн майдалоо кийин алынган.
MA жараянынын акырына карата (50 ч), Cu50 (Zr50-xNix), X, 10, 20, 30 жана 40 at.% порошок, кошпогондо, сүрөттө көрсөтүлгөндөй, аморфтук фазасынын лабиринттик морфологиясы бар. Ар бир композициянын тиешелүү SADSинде чекиттик дифракция да, курч шакекче формалар да аныкталган эмес. Бул тазаланбаган кристаллдык металлдын жоктугун, тескерисинче, аморфтук эритме порошоктун пайда болушун көрсөтөт. Гало диффузиясынын үлгүлөрүн көрсөткөн бул корреляцияланган SADPs акыркы продукт материалында аморфтук фазалардын өнүгүшү үчүн далил катары колдонулган.
Cu50 MS системасынын акыркы продуктунун жергиликтүү түзүмү (Zr50-xNix). FE-HRTEM жана (а) Cu50Zr40Ni10, (б) Cu50Zr30Ni20, (с) Cu50Zr20Ni30 жана (г) Cu50Zr10Ni40 нын FE-HRTEM жана корреляцияланган nanobeam дифракция үлгүлөрү (NBDP) MA 50 сааттан кийин алынган.
Дифференциалдык сканерлөөчү калориметриянын жардамы менен Cu50(Zr50-xNix) аморфтук системасында Ni (x) курамына жараша айнек өтүү температурасынын (Tg), өтө муздатылган суюктук аймагынын (ΔTx) жана кристаллдашуу температурасынын (Tx) жылуулук туруктуулугу изилденген. (DSC) He газ агымындагы касиеттери. 50 саат бою MAдан кийин алынган Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20 жана Cu50Zr10Ni40 аморфтук эритмелеринин порошоктарынын DSC ийри сызыктары Fig. 10a, b, e, тиешелүүлүгүнө жараша. Аморфтук Cu50Zr20Ni30дун DSC ийри сызыгы 10-сүрөттө өзүнчө көрсөтүлгөн, ал эми DSCде ~700°C чейин ысытылган Cu50Zr30Ni20 үлгүсү 10г-сүрөттө көрсөтүлгөн.
50 саат бою MAдан кийин алынган Cu50(Zr50-xNix) MG порошоктарынын термикалык туруктуулугу айнек өтүү температурасы (Tg), кристаллдашуу температурасы (Tx) жана өтө муздатылган суюктук аймагы (ΔTx) менен аныкталат. 50 саат бою MA кийин Cu50Zr40Ni10 (а), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c) жана (д) Cu50Zr10Ni40 MG эритме порошок дифференциалдык сканерлөө калориметри (DSC) порошок термограммалары. DSCде ~700°Cге чейин ысытылган Cu50Zr30Ni20 үлгүсүнүн рентген нурларынын дифракциясынын үлгүсү (XRD) (d) көрсөтүлгөн.
10-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, ар кандай никель концентрациялары (x) бар бардык композициялар үчүн DSC ийри сызыктары эки башка жагдайды көрсөтөт, бири эндотермикалык жана экинчиси экзотермикалык. Биринчи эндотермиялык окуя Tg туура келет, ал эми экинчи Tx менен байланышкан. Tg жана Tx ортосунда болгон горизонталдык аралык аянты муздатылган суюктук аянты деп аталат (ΔTx = Tx – Tg). Натыйжалар Cu50Zr40Ni10 үлгүсүнүн Tg жана Tx (сүр. 10а) 526°C жана 612°Cде жайгаштырылган мазмунун (x) % 20га чейин 482°C жана 563°C төмөн температура тарапка жылдырарын көрсөтүп турат. °C, 10б-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, тиешелүүлүгүнө жараша Ni мазмунун жогорулатуу менен (x). Демек, ΔTx Cu50Zr40Ni10 Cu50Zr30Ni20 үчүн 86°Сден (10а-сүрөт) 81°Сге чейин төмөндөйт (10б-сүрөт). MC Cu50Zr40Ni10 эритмеси үчүн Tg, Tx жана ΔTx маанилеринин 447°С, 526°С жана 79°С деңгээлине чейин төмөндөшү да байкалган (10б-сүрөт). Бул Ni мазмунунун көбөйүшү MS эритмесинин жылуулук туруктуулугунун төмөндөшүнө алып келерин көрсөтөт. Тескерисинче, MC Cu50Zr20Ni30 эритмесинин Tg (507 °C) мааниси MC Cu50Zr40Ni10 эритмесинен төмөн; ошентсе да, анын Tx ага окшош маанини көрсөтөт (612 °C). Демек, ΔTx жогорураак мааниге ээ (87°C) сүрөттө көрсөтүлгөндөй. 10-кылым
Cu50(Zr50-xNix) MC системасы Cu50Zr20Ni30 MC эритмесин мисал катары колдонуп, курч экзотермикалык чокусу аркылуу fcc-ZrCu5, орторомбдук-Zr7Cu10 жана орторомбдук-ZrNi кристаллдык фазаларга кристаллдашат. Бул фазанын аморфтуктан кристаллдыкка өтүшү DSCде 700 °Cге чейин ысытылган MG үлгүсүнүн (10d-сүрөт) рентгендик дифракциялык анализи менен тастыкталды.
fig боюнча. 11 учурдагы иште аткарылган муздак чачуу процессинде тартылган сүрөттөрдү көрсөтөт. Бул изилдөөдө, 50 саат бою MA кийин синтезделген металл айнек порошок бөлүкчөлөрү (мисалы Cu50Zr20Ni30 колдонуу) антибактериалдык чийки зат катары колдонулган жана дат баспас болоттон жасалган табак (SUS304) муздак спрей капталган. Муздак чачуу ыкмасы термикалык спрей технологиясынын сериясында каптоо үчүн тандалган, анткени ал аморфтук жана нанокристаллдык порошок сыяктуу металлдык метастабилдүү ысыкка сезгич материалдар үчүн колдонулушу мүмкүн болгон термикалык спрей технологиясынын сериясындагы эң эффективдүү ыкма. Фазага баш ийбейт. өтүүлөр. Бул ыкманы тандоодо негизги фактор болуп саналат. Муздак жайгаштыруу процесси бөлүкчөлөрдүн кинетикалык энергиясын пластикалык деформацияга, деформацияга жана субстратка же мурда салынган бөлүкчөлөргө тийгенде жылуулукка айландыруучу жогорку ылдамдыктагы бөлүкчөлөрдү колдонуу менен ишке ашырылат.
Талаа фотосүрөттөрүндө MG/SUS 304 550°Cде беш ырааттуу даярдалган муздак чачуу процедурасы көрсөтүлгөн.
Бөлүкчөлөрдүн кинетикалык энергиясы, ошондой эле жабуунун пайда болуу учурундагы ар бир бөлүкчөнүн импульсу пластикалык деформация (матрицадагы алгачкы бөлүкчөлөр жана бөлүкчөлөр аралык өз ара аракеттешүүлөр жана бөлүкчөлөрдүн өз ара аракеттешүүсү), катуу заттардын аралык түйүндөрү, бөлүкчөлөрдүн ортосундагы айлануу жана бөлүкчөлөрдүн ортосундагы айлануу жана чектөө39, эгерде алардын бардыгын чектөө, деформациялоо39 сыяктуу механизмдер аркылуу энергиянын башка түрлөрүнө айландырылууга тийиш. кирүүчү кинетикалык энергия жылуулук энергиясына жана деформация энергиясына айланат, натыйжада ийкемдүү кагылышуу болот, бул бөлүкчөлөр соккудан кийин жөн эле секирип кетет дегенди билдирет. Белгиленгендей, бөлүкчө/субстрат материалына колдонулган таасир энергиясынын 90% жергиликтүү жылуулукка айландырылат 40 . Мындан тышкары, таасир стресс колдонулганда, бөлүкчө/субстрат байланыш аймагында жогорку пластикалык штаммдары өтө кыска убакыттын ичинде жетишилет41,42.
Пластикалык деформация адатта энергиянын диссипация процесси катары, тагыраак айтканда, фаза аралык аймакта жылуулук булагы катары каралат. Бирок фаза аралык аймактагы температуранын жогорулашы фаза аралык эрүүнүн пайда болушу үчүн же атомдордун өз ара диффузиясынын олуттуу стимулдашуусу үчүн адатта жетишсиз. Жазуучуларга белгилүү болгон эч бир басылма бул металлдык айнек түрүндөгү порошоктордун касиеттеринин муздак спрей ыкмаларын колдонууда пайда болгон порошоктун адгезиясына жана тунуусуна тийгизген таасирин изилдеген эмес.
MG Cu50Zr20Ni30 эритмеси порошоктун BFI 12а-сүрөттө көрүүгө болот, ал SUS 304 субстратына салынган (сүрөт 11, 12б). Сүрөттөн көрүнүп тургандай, капталган порошоктор эч кандай кристаллдык өзгөчөлүктөрү жана тор кемтиги жок назик лабиринт түзүлүшүнө ээ болгондуктан, баштапкы аморфтук түзүлүшүн сактап калышат. Башка жагынан алганда, сүрөт MG-капталган порошок матрицасына кирген нанобөлүкчөлөр тарабынан далилденген чет фазасынын бар экенин көрсөтүп турат (сүрөт. 12a). 12c-сүрөтүндө I аймак менен байланышкан индекстелген нано нурлардын дифракция үлгүсү (NBDP) көрсөтүлгөн (сүрөт 12а). Сүрөттө көрсөтүлгөндөй. 12c, NBDP аморфтук түзүлүштүн алсыз гало-диффузия үлгүсүн көрсөтөт жана кристаллдык чоң кубдук метастабилдүү Zr2Ni фазасына жана тетрагоналдык CuO фазасына туура келген курч тактар ​​менен бирге жашайт. CuO пайда болушун ачык абада үндүн ылдам агымында чачыраткыч пистолеттин соплосунан SUS 304 ге өтүүдө порошоктун кычкылданышы менен түшүндүрүүгө болот. Башка жагынан алганда, металл айнек порошок 30 мүнөт 550 ° C муздак чачуу дарылоо кийин ири куб фазалардын пайда болушуна алып келди.
(а) MG порошоктун FE-HRTEM сүрөтү (б) SUS 304 субстратына (сүрөт киргизилген). (а)да көрсөтүлгөн тегерек символдун NBDP индекси (c) көрсөтүлгөн.
Чоң куб Zr2Ni нанобөлүкчөлөрүн пайда кылуунун бул потенциалдуу механизмин текшерүү үчүн көз карандысыз эксперимент жүргүзүлгөн. Бул экспериментте, порошок SUS 304 субстрат багытында 550 ° C бир атомизатордон чачылган; бирок, күйдүрүү эффектин аныктоо үчүн, порошоктор SUS304 тилкесинде мүмкүн болушунча тезирээк (болжол менен 60 с) алынып салынды. ). Эксперименттердин дагы бир сериясы ишке ашырылды, анда порошок колдонуудан кийин болжол менен 180 секунддан кийин субстраттан алынып салынды.
13a,b-сүрөттөрүндө SUS 304 субстраттарында тиешелүүлүгүнө жараша 60 жана 180 секундада сакталган эки чачыранды материалдын сканерлөөчү электрондук микроскопия (STEM) караңгы талаа (DFI) сүрөттөрү көрсөтүлгөн. 60 секундга сакталган порошок сүрөтүнүн морфологиялык деталдары жок, өзгөчөлүгү жок (13а-сүрөт). Бул дагы XRD тарабынан тастыкталды, ал бул порошоктордун жалпы структурасы аморфтук экенин көрсөттү, муну 14a-сүрөттө көрсөтүлгөн кеңири негизги жана экинчилик дифракциянын чокулары көрсөткөн. Бул порошок баштапкы аморфтук түзүлүшүн сактап турган метастабилдүү/мезофазалык чөкмөлөрдүн жоктугун көрсөтөт. Ал эми, ошол эле температурада (550°C) салынган, бирок субстратта 180 секундга калтырылган порошок 13б-сүрөттөгү жебелерде көрсөтүлгөндөй, наноөлчөмдүү бүртүкчөлөрдүн чөккөндүгүн көрсөттү.