Nature.com сайтына киргениңиз үчүн рахмат. Сиз колдонуп жаткан браузердин версиясында CSS колдоосу чектелүү. Эң жакшы тажрыйба алуу үчүн, жаңыртылган браузерди колдонууну сунуштайбыз (же Internet Explorerде шайкештик режимин өчүрүү). Ошол эле учурда, үзгүлтүксүз колдоону камсыз кылуу үчүн, биз сайтты стилдерсиз жана JavaScriptсиз көрсөтөбүз.
Биопленкалар өнөкөт инфекциялардын өнүгүшүндө, айрыкча медициналык шаймандар катышканда, маанилүү компонент болуп саналат. Бул көйгөй медициналык коомчулук үчүн чоң кыйынчылык жаратат, анткени стандарттуу антибиотиктер биопленкаларды өтө чектелген өлчөмдө гана жок кыла алат. Биопленканын пайда болушунун алдын алуу ар кандай каптоо ыкмаларын жана жаңы материалдарды иштеп чыгууга алып келди. Бул ыкмалар беттерди биопленканын пайда болушуна тоскоол болгон ыкма менен каптоого багытталган. Металл айнек сымал эритмелер, айрыкча жез жана титан металлдарын камтыган эритмелер идеалдуу микробго каршы каптоолор катары пайда болду. Ошол эле учурда, муздак чачыратуу технологиясын колдонуу көбөйдү, анткени ал температурага сезгич материалдарды иштетүү үчүн ылайыктуу ыкма болуп саналат. Бул изилдөөнүн максаттарынын бир бөлүгү механикалык эритме ыкмаларын колдонуу менен үчтүк Cu-Zr-Niден турган жаңы антибактериалдык пленкалуу металл айнекти иштеп чыгуу болгон. Акыркы продуктуну түзгөн тоголок порошок дат баспас болоттон жасалган беттерди төмөнкү температурада муздак чачыратуу менен каптоо үчүн чийки зат катары колдонулат. Металл айнек менен капталган субстраттар дат баспас болотко салыштырмалуу биопленканын пайда болушун жок дегенде 1 логарифмге азайта алды.
Адамзат тарыхында кайсы гана коом болбосун өзүнүн өзгөчө талаптарына жооп берген жаңы материалдарды иштеп чыгып, жайылта алган, бул глобалдашкан экономикада иштин натыйжалуулугун жана рейтингин жакшыртууга алып келген1. Бул ар дайым адамдын бир өлкөдөн же аймактан экинчи өлкөгө саламаттыкты сактоо, билим берүү, өнөр жай, экономика, маданият жана башка тармактарда жетишкендиктерге жетүү үчүн материалдарды жана өндүрүш жабдууларын жана конструкцияларын иштеп чыгуу жана мүнөздөмөлөрдү берүү жөндөмүнө байланыштуу деп эсептелип келген. Прогресс өлкөгө же аймакка карабастан өлчөнөт.2 60 жылдан бери материал таануучу окумуштуулар убактысынын көбүн бир негизги маселеге көңүл бурууга арнап келишет: жаңы жана заманбап материалдарды издөө. Акыркы изилдөөлөр бар материалдардын сапатын жана иштешин жакшыртууга, ошондой эле таптакыр жаңы материалдардын түрлөрүн синтездөөгө жана ойлоп табууга багытталган.
Легирлөөчү элементтерди кошуу, материалдын микроструктурасын өзгөртүү жана жылуулук, механикалык же термомеханикалык иштетүү ыкмаларын колдонуу ар кандай материалдардын механикалык, химиялык жана физикалык касиеттеринин олуттуу жакшырышына алып келди. Андан тышкары, ушул кезге чейин угулбаган кошулмалар ийгиликтүү синтезделген. Бул тынымсыз аракеттер инновациялык материалдардын жаңы үй-бүлөсүн, жалпысынан Advanced Materials2 деп аталган жаңы үй-бүлөсүн пайда кылды. Нанокристалдар, нанобөлүкчөлөр, нанотүтүкчөлөр, кванттык чекиттер, нөлдүк өлчөмдүү, аморфтук металл айнектер жана жогорку энтропиялык эритмелер – бул өткөн кылымдын ортосунан бери дүйнөгө киргизилген өнүккөн материалдардын бир нече гана мисалдары. Акыркы продуктта же аны өндүрүүнүн ортоңку этаптарында жогорку касиеттерге ээ болгон жаңы эритмелерди өндүрүүдө жана иштеп чыгууда көп учурда баланстан чыгуу көйгөйү кошулат. Тең салмактуулуктан олуттуу четтөө үчүн жаңы өндүрүш ыкмаларын колдонуунун натыйжасында, металл айнектер деп аталган метастабилдүү эритмелердин таптакыр жаңы классы ачылды.
1960-жылы Калифорния технологиялык университетинде иштегени металл эритмелеринин концепциясында революция алып келген, ал суюктуктарды секундасына дээрлик миллион градус ылдамдыкта тез катуулантуу менен айнек сымал Au-25 at.% Si эритмелерин синтездеген. 4. Профессор Пол Дувездин ачылышы металл айнектердин (MG) тарыхынын башталышын гана эмес, ошондой эле адамдардын металл эритмелери жөнүндө ой жүгүртүүсүнүн парадигмасынын өзгөрүшүнө алып келген.MG эритмелерин синтездөө боюнча алгачкы пионердик изилдөөлөрдөн бери дээрлик бардык металл айнектер толугу менен төмөнкү ыкмалардын бирин колдонуу менен өндүрүлгөн; (i) эритменин же буунун тез катууланышы, (ii) торчонун атомдук бузулушу, (iii) таза металл элементтеринин ортосундагы катуу абалдагы аморфизация реакциялары жана (iv) метастабилдүү фазалардын катуу абалдагы өткөөлдөрү.
МГ кристаллдар менен байланышкан узак аралыкка созулган атомдук тартиптин жоктугу менен айырмаланат, бул кристаллдардын аныктоочу мүнөздөмөсү. Бүгүнкү күндө металл айнек жаатында чоң жетишкендиктерге жетишилди. Алар катуу абал физикасында гана эмес, металлургияда, беттик химияда, технологияда, биологияда жана башка көптөгөн тармактарда да кызыктуу касиеттерге ээ болгон жаңы материалдар. Бул жаңы типтеги материал катуу металлдардан айырмаланган касиеттерди көрсөтөт, бул аны ар кандай тармактарда технологиялык колдонмолор үчүн кызыктуу талапкер кылат. Алардын бир катар маанилүү касиеттери бар; (i) жогорку механикалык ийкемдүүлүк жана сыйымдуулук, (ii) жогорку магниттик өткөрүмдүүлүк, (iii) төмөнкү коэрцитивдүүлүк, (iv) адаттан тыш коррозияга туруктуулук, (v) температурадан көз карандысыздык. Өткөргүчтүк 6,7.
Механикалык легирлөө (MA)1,8 салыштырмалуу жаңы ыкма болуп саналат, ал алгач 19839-жылы профессор К.К. Кок жана анын кесиптештери тарабынан киргизилген. Алар бөлмө температурасына өтө жакын температурада таза элементтердин аралашмасын майдалоо менен аморфтук Ni60Nb40 порошокторун даярдашкан. Адатта, MA реакциясы реактивдүү материалдын порошокторунун диффузиялык байланышынын ортосунда жүргүзүлөт, алар көбүнчө дат баспас болоттон жасалган шар тегирменине 10 жасалат (1a, b-сүрөт). Ошондон бери бул механикалык жол менен индукцияланган катуу абалдагы реакция ыкмасы аз (1c-сүрөт) жана жогорку энергиялуу шар тегирмендерин, ошондой эле стержен тегирмендерин 11,12,13,14,15, 16 колдонуп, жаңы аморфтук/металлдык айнек эритмесинин порошокторун даярдоо үчүн колдонулуп келет. Атап айтканда, бул ыкма Cu-Ta17 сыяктуу аралашпаган системаларды, ошондой эле салттуу даярдоо жолдору менен алууга мүмкүн болбогон Al-өткөөл металл системалары (TM; Zr, Hf, Nb жана Ta) 18,19 жана Fe-W20 сыяктуу жогорку эрүү температурасына ээ эритмелерди даярдоо үчүн колдонулган. Андан тышкары, MA металл оксиддеринин, карбиддердин, нитриддердин, гидриддердин, көмүртек нанотүтүкчөлөрүнүн өнөр жай масштабындагы нанокристаллдык жана нанокомпозиттик порошок бөлүкчөлөрүн даярдоо үчүн эң күчтүү нанотехнологиялык куралдардын бири болуп эсептелет. наноалмаздар, ошондой эле жогорудан төмөн карай мамиле 1 жана метастабилдүү этаптар аркылуу кеңири турукташтыруу.
Бул изилдөөдө Cu50(Zr50−xNix) металл айнек (MG) каптоосун/SUS 304 даярдоо үчүн колдонулган даярдоо ыкмасын көрсөткөн схема.(а) Аз энергиялуу шар фрезерлөө ыкмасын колдонуу менен ар кандай Ni концентрациялары x (x; 10, 20, 30 жана 40 ат.%) болгон MG эритме порошокторун даярдоо.(а) Баштапкы материал аспап болот шарлары менен бирге аспап цилиндрине жүктөлөт жана (b) He атмосферасы менен толтурулган кол кап кутусуна мөөр басылат.(c) Майдалоо учурундагы шардын кыймылын көрсөткөн майдалоочу идиштин тунук модели. 50 сааттан кийин алынган порошоктун акыркы продуктусу муздак чачыратуу ыкмасын колдонуп SUS 304 негизин каптоо үчүн колдонулган (d).
Көп көлөмдүү материал беттерине (негиздерине) келсек, беттик инженерия баштапкы көп көлөмдүү материалда жок белгилүү бир физикалык, химиялык жана техникалык сапаттарды камсыз кылуу үчүн беттерди (негиздерди) долбоорлоону жана өзгөртүүнү камтыйт. Беттик иштетүү менен натыйжалуу жакшыртылышы мүмкүн болгон кээ бир касиеттерге абразияга туруктуулук, кычкылданууга жана коррозияга туруктуулук, сүрүлүү коэффициенти, био-инерттүүлүк, электрдик касиеттер жана жылуулук изоляциясы кирет, бул бир нечесин атай кетсек болот. Беттин сапатын металлургиялык, механикалык же химиялык ыкмаларды колдонуу менен жакшыртууга болот. Белгилүү процесс катары каптоо жөн гана башка материалдан жасалган көп көлөмдүү объекттин (негиздин) бетине жасалма түрдө чөктүрүлгөн бир же бир нече катмар материал катары аныкталат. Ошентип, каптоолор кандайдыр бир каалаган техникалык же декоративдик касиеттерге жетүү, ошондой эле материалдарды айлана-чөйрө менен күтүлгөн химиялык жана физикалык өз ара аракеттенүүдөн коргоо үчүн жарым-жартылай колдонулат23.
Бир нече микрометрден (10-20 микрометрден төмөн) 30 микрометрден ашык же ал тургай бир нече миллиметрге чейинки калыңдыктагы ылайыктуу беттик коргоочу катмарларды жайгаштыруу үчүн көптөгөн ыкмалар жана ыкмалар колдонулушу мүмкүн. Жалпысынан алганда, каптоо процесстерин эки категорияга бөлүүгө болот: (i) нымдуу каптоо ыкмалары, анын ичинде электрокаптоо, электросиз каптоо жана ысык гальванизациялоо ыкмалары, жана (ii) кургак каптоо ыкмалары, анын ичинде ширетүү, беттөө, физикалык буу чөктүрүү (PVD), химиялык буу чөктүрүү (CVD), термикалык чачыратуу ыкмалары жана жакында эле муздак чачыратуу ыкмалары 24 (1d-сүрөт).
Биопленкалар беттерге кайтарылгыс түрдө жабышкан жана өз алдынча өндүрүлгөн клеткадан тышкаркы полимерлер (EPS) менен курчалган микробдук жамааттар катары аныкталат. Үстүртөн жетилген биопленканын пайда болушу тамак-аш өнөр жайы, суу системалары жана саламаттыкты сактоо чөйрөсү сыяктуу көптөгөн өнөр жай тармактарында олуттуу жоготууларга алып келиши мүмкүн. Адамдарда биопленкалар пайда болгондо, микробдук инфекциялардын 80% дан ашыгын (анын ичинде Enterobacteriaceae жана Staphylococci) дарылоо кыйын. Андан тышкары, жетилген биопленкалар планктондук бактериялык клеткаларга салыштырмалуу антибиотикалык дарылоого 1000 эсе туруктуу экени кабарланган, бул негизги терапиялык кыйынчылык деп эсептелет. Кадимки органикалык кошулмалардан алынган микробго каршы беттик каптоочу материалдар тарыхый жактан колдонулуп келген. Мындай материалдар көбүнчө адамдар үчүн потенциалдуу кооптуу болгон уулуу компоненттерди камтыса да,25,26 ал бактериялардын жугуусуна жана материалдын жок болушуна жол бербөөгө жардам берет.
Бактериялардын биопленканын пайда болушунан улам антибиотиктерди дарылоого кеңири жайылган туруктуулугу коопсуз колдонула турган натыйжалуу микробго каршы мембрана менен капталган бетти иштеп чыгуу зарылдыгына алып келди27. Бактериялык клеткалардын адгезиясынан улам биопленкаларды бириктирүүсүнө жана түзүүсүнө тоскоол болгон физикалык же химиялык антиадгезияланган бетти иштеп чыгуу бул процесстеги биринчи ыкма27. Экинчи технология - микробго каршы химиялык заттарды керектүү жерге, жогорку концентрацияланган жана ылайыкташтырылган өлчөмдө жеткирүүгө мүмкүндүк берген каптоолорду иштеп чыгуу. Буга бактерияларга туруктуу графен/германий28, кара алмаз29 жана ZnO менен легирленген алмаз сымал көмүртек каптоолору30 сыяктуу уникалдуу каптоо материалдарын иштеп чыгуу аркылуу жетишилет, бул технология биопленканын пайда болушунан улам уулуулугун жана каршылыктын өнүгүшүн максималдуу түрдө азайтат. Мындан тышкары, бактериялык булгануудан узак мөөнөттүү коргоону камсыз кылуу үчүн беттерге микробго каршы химиялык заттарды кошкон каптоолор барган сайын популярдуу болуп баратат. Үч процедуранын баары капталган беттерге микробго каршы таасир эте алганы менен, алардын ар биринин колдонуу стратегияларын иштеп чыгууда эске алынышы керек болгон өзүнүн чектөөлөрү бар.
Учурда рынокто бар өнүмдөр биологиялык активдүү ингредиенттер үчүн коргоочу каптоолорду талдоо жана сыноо үчүн убакыттын жетишсиздигинен улам кыйынчылыктарга дуушар болууда. Компаниялар өз продукциялары колдонуучуларга каалаган функционалдык аспектилерди берет деп ырасташат; бирок, бул учурда рынокто бар продукциялардын ийгилигине тоскоолдук жаратты. Күмүштөн алынган кошулмалар азыр керектөөчүлөргө жеткиликтүү болгон микробго каршы терапиялардын басымдуу көпчүлүгүндө колдонулат. Бул продукциялар колдонуучуларды микроорганизмдердин потенциалдуу кооптуу таасиринен коргоо үчүн иштелип чыккан. Күмүш кошулмаларынын кечиктирилген микробго каршы таасири жана ага байланыштуу уулуулугу изилдөөчүлөргө анча зыяндуу эмес альтернативаны иштеп чыгууга басымды күчөтөт36,37. Үйдүн ичинде да, сыртында да иштей турган глобалдык микробго каршы каптоону түзүү дагы эле оор милдет бойдон калууда. Бул ден соолукка жана коопсуздукка байланыштуу тобокелдиктерден улам. Адамдар үчүн анча зыяндуу эмес микробго каршы агентти табуу жана аны узак сактоо мөөнөтү менен каптоочу субстраттарга кантип кошууну түшүнүү - абдан талап кылынган максат38. Эң акыркы микробго каршы жана биофильмге каршы материалдар бактерияларды жакын аралыкта, түз байланыш аркылуу же активдүү агент чыккандан кийин жок кылуу үчүн иштелип чыккан. Алар муну баштапкы бактериялык адгезияны басуу (анын ичинде бетинде белок катмарынын пайда болушуна каршы туруу) же клетка дубалына кийлигишүү менен бактерияларды жок кылуу аркылуу жасай алышат.
Негизинен, беттик каптоо - бул бетке тиешелүү сапаттарды жакшыртуу үчүн компоненттин бетине дагы бир катмарды жайгаштыруу процесси. Беттик каптоонун максаты - компоненттин бетке жакын аймагынын микроструктурасын жана/же курамын ылайыкташтыруу39. Беттик каптоо ыкмаларын ар кандай ыкмаларга бөлүүгө болот, алар 2a-сүрөттө кыскача баяндалган. Каптоолорду каптоону түзүүдө колдонулган ыкмага жараша термикалык, химиялык, физикалык жана электрохимиялык категорияларга бөлүүгө болот.
(а) Бетке колдонулган негизги өндүрүш ыкмаларын көрсөткөн кошумча маалымат жана (б) муздак чачыратуу ыкмасынын тандалган артыкчылыктары жана кемчиликтери.
Муздак чачыратуу технологиясы салттуу термикалык чачыратуу ыкмалары менен көптөгөн окшоштуктарга ээ. Бирок, муздак чачыратуу процессин жана муздак чачыратуу материалдарын өзгөчө уникалдуу кылган кээ бир негизги фундаменталдык касиеттер да бар. Муздак чачыратуу технологиясы али жаңыдан пайда болууда, бирок келечеги кең. Айрым колдонмолордо муздак чачыратуу технологиясынын уникалдуу касиеттери чоң артыкчылыктарды берет, типтүү термикалык чачыратуу ыкмаларынын ички чектөөлөрүн жеңет. Ал салттуу термикалык чачыратуу технологиясынын олуттуу чектөөлөрүн жеңүүнүн жолун сунуштайт, бул учурда порошок субстратка чөгүү үчүн эритилет. Албетте, бул салттуу каптоо процесси нанокристалдар, нанобөлүкчөлөр, аморфтук жана металл айнектер сыяктуу өтө температурага сезгич материалдар үчүн ылайыктуу эмес40, 41, 42. Андан тышкары, термикалык чачыратуу каптоо материалдары ар дайым жогорку деңгээлдеги кеуектүүлүктү жана оксиддерди көрсөтөт. Муздак чачыратуу технологиясы термикалык чачыратуу технологиясына караганда көптөгөн маанилүү артыкчылыктарга ээ, мисалы: (i) субстратка минималдуу жылуулук киргизүү, (ii) субстрат каптоо тандоолорундагы ийкемдүүлүк, (iii) фазалык трансформациянын жана дандын өсүшүнүн жоктугу, (iv) жогорку байланыш күчү1,39 (2b-сүрөт). Мындан тышкары, муздак чачыратуу каптоо материалдары жогорку коррозияга ээ. каршылык, жогорку бекемдик жана катуулук, жогорку электр өткөрүмдүүлүгү жана жогорку тыгыздык41. Муздак чачыратуу процессинин артыкчылыктарына карама-каршы, бул ыкманы колдонуунун дагы эле кемчиликтери бар, бул 2b-сүрөттө көрсөтүлгөн. Al2O3, TiO2, ZrO2, WC ж.б. сыяктуу таза керамикалык порошокторду каптаганда, муздак чачыратуу ыкмасын колдонууга болбойт. Башка жагынан алганда, керамикалык/металл композиттик порошокторду каптоо үчүн чийки зат катары колдонсо болот. Башка термикалык чачыратуу ыкмаларына да ушул эле нерсе тиешелүү. Татаал беттерди жана ички түтүк беттерин чачуу дагы эле кыйын.
Учурдагы иш металл айнек сымал порошокторду чийки каптоочу материалдар катары колдонууга багытталганын эске алганда, кадимки термикалык чачыратууну бул максатта колдонууга болбой турганы айдан ачык. Себеби металл айнек сымал порошоктор жогорку температурада кристаллдашат1.
Медициналык жана тамак-аш өнөр жайында колдонулган шаймандардын көпчүлүгү хирургиялык аспаптарды өндүрүү үчүн 12ден 20% га чейинки хромдун курамы бар аустениттик дат баспас болоттон жасалган эритмелерден (SUS316 жана SUS304) жасалат. Болот эритмелеринде хром металлын легирлөөчү элемент катары колдонуу стандарттуу болот эритмелеринин коррозияга туруктуулугун бир топ жакшырта алат деп жалпы кабыл алынган. Дат баспас болоттон жасалган эритмелер, жогорку коррозияга туруктуулугуна карабастан, олуттуу антимикробдук касиеттерди көрсөтпөйт38,39. Бул алардын жогорку коррозияга туруктуулугуна карама-каршы келет. Андан кийин инфекциянын жана сезгенүүнүн өнүгүшүн алдын ала айтууга болот, бул негизинен дат баспас болоттон жасалган биоматериалдардын бетинде бактериялардын адгезиясы жана колонизациясынан келип чыгат. Бактериялык адгезия жана биофильмдин пайда болуу жолдору менен байланышкан олуттуу кыйынчылыктардан улам олуттуу кыйынчылыктар пайда болушу мүмкүн, бул ден соолуктун начарлашына алып келиши мүмкүн, бул адамдын ден соолугуна түздөн-түз же кыйыр түрдө таасир этиши мүмкүн болгон көптөгөн кесепеттерге алып келиши мүмкүн.
Бул изилдөө Кувейттин Илимди Өнүктүрүү Фонду (KFAS) тарабынан каржыланган, келишим № 2010-550401 долбоорунун биринчи этабы болуп саналат, ал антибактериалдык пленка/SUS304 беттик коргоочу каптоосун өндүрүү үчүн MA технологиясын (1-таблица) колдонуп, металл айнек сымал Cu-Zr-Ni үчилтик порошокторун өндүрүү мүмкүнчүлүгүн изилдөөгө багытталган. Долбоордун экинчи этабы, 2023-жылдын январында баштала турган, системанын электрохимиялык коррозия мүнөздөмөлөрүн жана механикалык касиеттерин деталдуу изилдейт. Ар кандай бактерия түрлөрү үчүн деталдуу микробиологиялык сыноолор жүргүзүлөт.
Бул макалада, морфологиялык жана структуралык мүнөздөмөлөрдүн негизинде Zr легирлөөчү элементтин курамынын айнек түзүү жөндөмүнө (GFA) тийгизген таасири талкууланат. Мындан тышкары, капталган металл айнек порошок каптоосунун/SUS304 композитинин антибактериалдык касиеттери да талкууланды. Андан тышкары, металл айнек системаларынын муздатылган суюк аймагында муздак чачыратуу учурунда металл айнек порошокторунун структуралык трансформациясынын мүмкүнчүлүгүн изилдөө боюнча учурдагы иштер жүргүзүлдү. Бул изилдөөдө мисал катары Cu50Zr30Ni20 жана Cu50Zr20Ni30 металл айнек эритмелери колдонулган.
Бул бөлүмдө аз энергиялуу шар фрезерлөөдөгү элементтик Cu, Zr жана Ni порошокторунун морфологиялык өзгөрүүлөрү келтирилген. Мисал катары, Cu50Zr20Ni30 жана Cu50Zr40Ni10дон турган эки башка система типтүү мисалдар катары колдонулат. MA процессин үч башка этапка бөлүүгө болот, бул майдалоо этабында пайда болгон порошоктун металлографиялык мүнөздөмөсү менен көрсөтүлгөн (3-сүрөт).
Шар фрезерлөө убактысынын ар кандай этаптарынан кийин алынган механикалык эритме (MA) порошокторунун металлографиялык мүнөздөмөлөрү. Cu50Zr20Ni30 системасы үчүн 3, 12 жана 50 сааттык аз энергиялуу шар фрезерлөө убактысынан кийин алынган MA жана Cu50Zr40Ni10 порошокторунун талаа эмиссиясын сканерлөөчү электрондук микроскопия (FE-SEM) сүрөттөрү (а), (в) жана (д) көрсөтүлгөн, ал эми ошол эле MAда убакыттан кийин алынган Cu50Zr40Ni10 системасынын тиешелүү сүрөттөрү (б), (г) жана (ф) көрсөтүлгөн.
Шар фрезерлөө учурунда металл порошогуна өткөрүлүп берилиши мүмкүн болгон эффективдүү кинетикалык энергия 1a сүрөттө көрсөтүлгөндөй, параметрлердин айкалышынан көз каранды. Буга шарлар менен порошоктордун кагылышуусу, майдалоочу чөйрөлөрдүн ортосунда же ортосунда тыгылып калган порошоктун кысылып кесилиши, түшкөн шарлардын соккусу, кыймылдагы шар фрезерлөөчү чөйрөлөрдүн ортосундагы порошоктун сүйрөлүшүнөн улам кесилиш жана эскирүү жана түшүүчү шарлар аркылуу өткөн сокку толкуну кирет (1a сүрөт). Элементтик Cu, Zr жана Ni порошоктору MAнын алгачкы этабында (3 саат) муздак ширетүүдөн улам катуу деформацияланган, натыйжада чоң порошок бөлүкчөлөрү (диаметри >1 мм) пайда болгон. Бул чоң композиттик бөлүкчөлөр 3a, b сүрөттөрүндө көрсөтүлгөндөй, легирлөөчү элементтердин (Cu, Zr, Ni) калың катмарларынын пайда болушу менен мүнөздөлөт. MA убактысын 12 саатка чейин (ортоңку этап) көбөйтүү шар фрезеринин кинетикалык энергиясынын жогорулашына алып келди, натыйжада композиттик порошок майда порошокторго (200 мкмден аз) ажырайт, 3c, d сүрөттөрүндө көрсөтүлгөндөй. Бул этапта колдонулган кесүү күчү 3c, d сүрөттөрүндө көрсөтүлгөндөй, майда Cu, Zr, Ni катмарлары бар жаңы металл бетинин пайда болушуна алып келет. Катмарды тазалоонун натыйжасында, жаңы фазаларды пайда кылуу үчүн кабырчыктардын чек арасында катуу фаза реакциялары жүрөт.
MA процессинин кульминациясында (50 сааттан кийин) кабырчыктуу металлография бир аз гана байкалган (3e, f-сүрөт), бирок порошоктун жылмаланган бети күзгү металлографиясын көрсөткөн. Бул MA процесси аяктаганын жана бирдиктүү реакция фазасы түзүлгөнүн билдирет. 3e-сүрөттө (I, II, III), f, v, vi) индекстелген аймактардын элементтик курамы талаа эмиссиясын сканерлөөчү электрондук микроскопияны (FE-SEM) энергияны дисперсиялык рентген спектроскопиясы (EDS) (IV) менен айкалыштыруу аркылуу аныкталган.
2-таблицада легирлөөчү элементтердин элементтик концентрациялары 3e, f сүрөттөрүндө тандалган ар бир аймактын жалпы салмагынын пайызы катары көрсөтүлгөн. Бул жыйынтыктарды 1-таблицада көрсөтүлгөн Cu50Zr20Ni30 жана Cu50Zr40Ni10 баштапкы номиналдык курамдары менен салыштырганда, бул эки акыркы продуктунун курамдары номиналдык курамдарга абдан окшош маанилерге ээ экенин көрүүгө болот. Андан тышкары, 3e, f сүрөттөрүндө көрсөтүлгөн аймактар ​​үчүн салыштырмалуу компоненттик маанилер ар бир үлгүнүн курамынын бир аймактан экинчи аймакка олуттуу начарлашын же өзгөрүшүн билдирбейт. Муну бир аймактан экинчи аймакка курамдын өзгөрүшү жок экендиги далилдейт. Бул 2-таблицада көрсөтүлгөндөй, бир тектүү эритме порошокторунун өндүрүлүшүн көрсөтүп турат.
Акыркы продукт Cu50(Zr50−xNix) порошогунун FE-SEM микрографиялары 4a–d сүрөттө көрсөтүлгөндөй, 50 MA жолунан кийин алынган, мында x тиешелүү түрдө 10, 20, 30 жана 40 ат.% түзөт. Бул майдалоо этабынан кийин, ван-дер-Ваальс эффектинин натыйжасында порошок агрегаттары пайда болуп, 4-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, диаметри 73төн 126 нмге чейинки өтө майда бөлүкчөлөрдөн турган ири агрегаттарды пайда кылат.
50 сааттык MA убактысынан кийин алынган Cu50(Zr50−xNix) порошокторунун морфологиялык мүнөздөмөлөрү. Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40 системалары үчүн 50 MA убактысынан кийин алынган порошоктордун FE-SEM сүрөттөрү тиешелүүлүгүнө жараша (a), (b), (c) жана (d) көрсөтүлгөн.
Порошокторду муздак чачыраткычка жүктөөрдөн мурун, алар алгач аналитикалык класстагы этанолдо 15 мүнөт ультраүн менен иштетилип, андан кийин 150°C температурада 2 саат кургатылган. Бул кадам каптоо процессинде көп учурда көптөгөн олуттуу көйгөйлөрдү жаратуучу агломерацияга каршы ийгиликтүү күрөшүү үчүн жасалышы керек. MA процесси аяктагандан кийин, эритме порошокторунун бир тектүүлүгүн изилдөө үчүн андан ары мүнөздөмөлөр жүргүзүлдү. 5a–d сүрөтүндө тиешелүүлүгүнө жараша 50 саат М убакыттан кийин алынган Cu50Zr30Ni20 эритмесинин Cu, Zr жана Ni эритме элементтеринин FE-SEM микрографтары жана тиешелүү EDS сүрөттөрү көрсөтүлгөн. Белгилей кетүүчү нерсе, бул кадамдан кийин алынган эритме порошоктору 5-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, субнанометрдик деңгээлден тышкары курамдык өзгөрүүлөрдү көрсөтпөгөндүктөн, бир тектүү.
FE-SEM/энергияны дисперсиялык рентген спектроскопиясы (ЭДС) аркылуу 50 MA жолу колдонулгандан кийин алынган MG Cu50Zr30Ni20 порошогунун морфологиясы жана жергиликтүү элементтик бөлүштүрүлүшү.(а) (b) Cu-Kα, (c) Zr-Lα жана (d) Ni-Kα сүрөттөрүнүн SEM жана рентген ЭДС картасын түзүү.
Механикалык кошулма менен эритилген Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30 жана Cu50Zr20Ni30 порошокторунун рентгендик реактивдүү схемалары 50 сааттык MA убактысынан кийин алынган, тиешелүүлүгүнө жараша 6a–d сүрөттөрүндө көрсөтүлгөн. Фрезерлөөнүн бул этабынан кийин, ар кандай Zr концентрациясындагы бардык үлгүлөр 6-сүрөттө көрсөтүлгөн мүнөздүү гало диффузия схемалары менен аморфтук структураларды көрсөтүштү.
(a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 жана (d) Cu50Zr20Ni30 порошокторунун 50 сааттык MA убактысынан кийинки рентгендик сүрөт үлгүлөрү. Бардык үлгүлөрдө, өзгөчөлөнбөгөндөй, гало диффузиялык сүрөтү көрсөтүлдү, бул аморфтук фазанын пайда болушун билдирет.
Талаа эмиссиясынын жогорку чечилиштеги өткөрүүчү электрондук микроскопиясы (FE-HRTEM) ар кандай MA убакыттарында шар фрезерлөөдөн келип чыккан порошоктордун структуралык өзгөрүүлөрүн байкоо жана жергиликтүү түзүлүшүн түшүнүү үчүн колдонулган. Cu50Zr30Ni20 жана Cu50Zr40Ni10 порошоктору үчүн фрезерлөөнүн алгачкы (6 саат) жана ортоңку (18 саат) этаптарынан кийин алынган порошоктордун FE-HRTEM сүрөттөрү тиешелүүлүгүнө жараша 7a, c сүрөттөрүндө көрсөтүлгөн. MA 6 сааттан кийин алынган порошоктун жаркыраган талаа сүрөтүнө (BFI) ылайык, порошок fcc-Cu, hcp-Zr жана fcc-Ni элементтеринин жакшы аныкталган чек аралары бар ири бүртүкчөлөрдөн турат жана 7a сүрөттө көрсөтүлгөндөй, реакция фазасы пайда болгондугунун эч кандай белгиси жок. Андан тышкары, (а)нын ортоңку аймагынан алынган корреляцияланган тандалган аймактык дифракциялык схема (SADP) чоң кристаллиттердин бар экендигин жана реактивдүү фазанын жоктугун көрсөткөн куспа дифракциялык схеманы көрсөттү (7b-сүрөт).
Эрте (6 саат) жана ортоңку (18 саат) этаптардан кийин алынган MA порошогунун жергиликтүү структуралык мүнөздөмөсү.(а) Талаа эмиссиясынын жогорку чечилиштеги өткөрүүчү электрондук микроскопиясы (FE-HRTEM) жана (b) 6 саат бою MA менен иштетилгенден кийин Cu50Zr30Ni20 порошогунун тиешелүү тандалган аймактык дифракциялык схемасы (SADP). 18 сааттык MA убактысынан кийин алынган Cu50Zr40Ni10дун FE-HRTEM сүрөтү (с) сүрөтүндө көрсөтүлгөн.
7c-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, MA узактыгын 18 саатка чейин узартуу пластикалык деформация менен айкалышкан торчо кемчиликтерине алып келген. MA процессинин бул аралык этабында порошок ар кандай кемчиликтерди көрсөтөт, анын ичинде үймөктөө кемчиликтери, торчо кемчиликтери жана чекит кемчиликтери (7-сүрөт). Бул кемчиликтер ири бүртүкчөлөрдүн бүртүкчөлөрдүн чек аралары боюнча 20 нмден кичине өлчөмдөгү суббүртүкчөлөргө бөлүнүшүнө алып келет (7c-сүрөт).
36 сааттык MA убактысында майдаланган Cu50Z30Ni20 порошогунун жергиликтүү түзүлүшү 8a-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, аморфтук майда матрицага киргизилген ультрамайда нанобүчүрлөрдүн пайда болушуна ээ. Жергиликтүү EDS анализи 8a-сүрөттө көрсөтүлгөн нанокластерлер иштетилбеген Cu, Zr жана Ni порошогун легирлөөчү элементтер менен байланышканын көрсөттү. Ошол эле учурда, матрицадагы Cu курамы ~32 ат.% дан (арык аянт) ~74 ат.% га чейин өзгөрүп, гетерогендик продуктулардын пайда болгонун көрсөтүп турат. Андан тышкары, бул этапта майдалангандан кийин алынган порошоктордун тиешелүү SADPлери 8b-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, аморфтук фазанын гало-диффузияланган биринчилик жана экинчилик шакекчелерин көрсөтөт, алар чийки легирлөөчү элементтер менен байланышкан курч учтар менен дал келет.
36 сааттык Cu50Zr30Ni20 порошогунун наноөлчөмдүү жергиликтүү структуралык өзгөчөлүктөрүнөн тышкары.(а) Жаркыраган талаа сүрөтү (BFI) жана тиешелүү (b) 36 сааттык MA убактысында майдалоодон кийин алынган Cu50Zr30Ni20 порошогунун SADPси.
MA процессинин аягында (50 саат), Cu50(Zr50−xNix), X; 10, 20, 30 жана 40 ат.% порошоктору 9a–d сүрөттөрүндө көрсөтүлгөндөй, сөзсүз түрдө лабиринт сымал аморфтук фазалык морфологияга ээ. Ар бир курамдын тиешелүү SADPсында чекит сымал дифракциялар да, курч шакекче сымал үлгүлөр да аныкталган жок. Бул иштетилбеген кристаллдык металл жок экенин, тескерисинче, аморфтук эритме порошогу пайда болгонун көрсөтүп турат. Гало диффузия үлгүлөрүн көрсөткөн бул корреляцияланган SADPлер акыркы продукт материалында аморфтук фазалардын өнүгүшүнүн далили катары да колдонулган.
MG Cu50 (Zr50−xNix) системасынын акыркы продуктусунун жергиликтүү түзүлүшү. 50 сааттык MAдан кийин алынган (а) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 жана (d) Cu50Zr10Ni40тун FE-HRTEM жана корреляцияланган нано-нур дифракциялык үлгүлөрү (NBDP).
Айнек өтүү температурасынын (Tg), муздатылган суюктук аймагынын (ΔTx) жана кристаллдашуу температурасынын (Tx) аморфтук Cu50(Zr50−xNix) системасынын Ni курамынын (x) функциясы катары жылуулук туруктуулугу He газ агымынын астындагы касиеттердин дифференциалдык сканерлөөчү калориметриясын (DSC) колдонуу менен изилденген. 50 сааттык MA убактысынан кийин алынган Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20 жана Cu50Zr10Ni40 аморфтук эритме порошокторунун DSC издери тиешелүүлүгүнө жараша 10a, b, e сүрөттөрүндө көрсөтүлгөн. Ал эми аморфтук Cu50Zr20Ni30 DSC ийри сызыгы 10c сүрөттөрүндө өзүнчө көрсөтүлгөн. Ошол эле учурда, DSCде ~700 °C чейин ысытылган Cu50Zr30Ni20 үлгүсү 10d сүрөттөрүндө көрсөтүлгөн.
50 сааттык MA убактысынан кийин алынган Cu50(Zr50−xNix) MG порошокторунун термикалык туруктуулугу, айнек өтүү температурасы (Tg), кристаллдашуу температурасы (Tx) жана муздатылган суюктук аймагы (ΔTx) менен индекстелген. (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 жана (e) Cu50Zr10Ni40 MG эритме порошокторунун 50 сааттык MA убактысынан кийинки дифференциалдык сканерлөөчү калориметрдик (DSC) термограммалары. DSCде ~700 °C чейин ысытылган Cu50Zr30Ni20 үлгүсүнүн рентген дифракциясы (XRD) схемасы (d) сүрөтүндө көрсөтүлгөн.
10-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, ар кандай Ni концентрациялары (x) бар бардык курамдардын DSC ийри сызыктары эки башка учурду көрсөтөт, бири эндотермикалык, экинчиси экзотермикалык. Биринчи эндотермикалык окуя Tgге туура келет, ал эми экинчиси Txке байланыштуу. Tg менен Txтин ортосунда болгон горизонталдык аралык аймагы муздатылган суюктук аймагы деп аталат (ΔTx = Tx – Tg). Жыйынтыктар көрсөткөндөй, 526°C жана 612°C температурада жайгашкан Cu50Zr40Ni10 үлгүсүнүн (10a-сүрөт) Tg жана Tx курамы (x) тиешелүүлүгүнө жараша 482°C жана 563°C төмөнкү температура тарабына карай 20 ат.% га жылдырат, 10b-сүрөттө көрсөтүлгөндөй. Натыйжада, Cu50Zr40Ni10дун ΔTx курамы Cu50Zr30Ni20 үчүн 86 °Cден (10a-сүрөт) 81 °Cге чейин төмөндөйт (сүрөт). 10b). MG Cu50Zr40Ni10 эритмеси үчүн Tg, Tx жана ΔTx маанилеринин 447°C, 526°C жана 79°C деңгээлине чейин төмөндөгөнү байкалган (10b-сүрөт). Бул Ni курамынын көбөйүшү MG эритмесинин термикалык туруктуулугунун төмөндөшүнө алып келерин көрсөтүп турат. Ал эми MG Cu50Zr20Ni30 эритмесинин Tg мааниси (507 °C) MG Cu50Zr40Ni10 эритмесине караганда төмөн; ошого карабастан, анын Tx мааниси мурункусуна (612 °C) салыштырмалуу маанини көрсөтөт. Ошондуктан, ΔTx 10c-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, жогорку маанини (87°C) көрсөтөт.
MG Cu50(Zr50−xNix) системасы, MG Cu50Zr20Ni30 эритмесин мисал катары алып, курч экзотермикалык чоку аркылуу fcc-ZrCu5, орторомбикалык-Zr7Cu10 жана орторомбикалык-ZrNi кристаллдык фазаларына кристаллдашат (10c-сүрөт). Бул аморфтуктан кристаллдык фазага өтүү MG үлгүсүнүн рентгенографиясы менен тастыкталган (10d-сүрөт), ал DSCде 700 °C чейин ысытылган.
11-сүрөттө учурдагы иште жүргүзүлгөн муздак чачыратуу процессинде тартылган сүрөттөр көрсөтүлгөн. Бул изилдөөдө 50 сааттык MA убактысынан кийин синтезделген металл айнек сымал порошок бөлүкчөлөрү (мисалы, Cu50Zr20Ni30) антибактериалдык чийки зат катары колдонулган жана дат баспас болоттон жасалган плита (SUS304) муздак чачыратуу технологиясы менен капталган. Муздак чачыратуу ыкмасы термикалык чачыратуу технологияларынын сериясында каптоо үчүн тандалып алынган, анткени ал термикалык чачыратуу сериясындагы эң натыйжалуу ыкма болуп саналат жана фазалык өтүүлөргө дуушар болбогон аморфтук жана нанокристаллдык порошоктор сыяктуу металлдын метастабилдүү температурага сезгич материалдары үчүн колдонулушу мүмкүн. Бул ыкманы тандоодогу негизги фактор болуп саналат. Муздак чачыратуу процесси бөлүкчөлөрдүн кинетикалык энергиясын субстрат же мурда чөктүрүлгөн бөлүкчөлөр менен кагылышуудагы пластикалык деформацияга, деформацияга жана ысыкка айландырган жогорку ылдамдыктагы бөлүкчөлөрдү колдонуу менен жүргүзүлөт.
Талаа сүрөттөрүндө MG каптоосун/SUS 304тү 550 °C температурада катары менен беш жолу даярдоо үчүн колдонулган муздак чачуу процедурасы көрсөтүлгөн.
Бөлүкчөлөрдүн кинетикалык энергиясы, ошентип, каптоо пайда болушундагы ар бир бөлүкчөнүн импульсу пластикалык деформация (субстраттагы баштапкы бөлүкчө жана бөлүкчө-бөлүкчө өз ара аракеттенүүсү жана бөлүкчөлөрдүн өз ара аракеттенүүсү), боштуктардын консолидациясы, бөлүкчө-бөлүкчөнүн айланышы, деформация жана акырында жылуулук 39 сыяктуу механизмдер аркылуу башка энергия түрлөрүнө айландырылышы керек. Андан тышкары, эгерде бардык кинетикалык энергия жылуулукка жана деформация энергиясына айландырылбаса, натыйжада серпилгич кагылышуу пайда болот, бул бөлүкчөлөр соккудан кийин жөн гана кайра секирип кетет дегенди билдирет. Бөлүкчө/субстрат материалына колдонулган сокку энергиясынын 90% жергиликтүү жылуулукка айландырылаары белгиленген 40. Андан тышкары, сокку чыңалуусу колдонулганда, контакт бөлүкчөсүндө/субстрат аймагында өтө кыска убакыттын ичинде жогорку пластикалык деформация ылдамдыгына жетишилет41,42.
Пластикалык деформация, адатта, энергиянын чачырап кетиши процесси, же тактап айтканда, фаза аралык аймактагы жылуулук булагы деп эсептелет. Бирок, фаза аралык аймактагы температуранын жогорулашы, адатта, фаза аралык эрүүнү пайда кылуу же атомдук аралык диффузияны олуттуу түрдө күчөтүү үчүн жетишсиз. Авторлорго белгилүү болгон бир дагы басылма муздак чачыратуу ыкмалары колдонулганда пайда болгон бул металл айнек сымал порошоктордун касиеттеринин порошоктун адгезиясына жана чөкмөсүнө тийгизген таасирин изилдеген эмес.
MG Cu50Zr20Ni30 эритме порошогунун BFI көрсөткүчүн SUS 304 негизине капталган 12a-сүрөттөн көрүүгө болот (11, 12b-сүрөттөр). Сүрөттөн көрүнүп тургандай, капталган порошоктор баштапкы аморфтук түзүлүшүн сактап калышат, анткени аларда кристаллдык өзгөчөлүктөр же торчо кемчиликтери жок назик лабиринттик түзүлүш бар. Башка жагынан алганда, сүрөт MG менен капталган порошок матрицасына киргизилген нанобөлүкчөлөр көрсөткөндөй, тышкы фазанын бар экендигин көрсөтүп турат (12a-сүрөт). 12c-сүрөттө I аймагы менен байланышкан индекстелген нано-нур дифракциясынын үлгүсү (NBDP) көрсөтүлгөн (12a-сүрөт). 12c-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, NBDP аморфтук түзүлүштүн алсыз гало диффузиялык үлгүсүн көрсөтөт жана кристаллдык чоң куб Zr2Ni метастабилдүү жана тетрагоналдык CuO фазасына туура келген курч тактар ​​менен бирге жашайт. CuOнун пайда болушу чачыраткыч пистолеттин соплосунан SUSка өткөндө порошоктун кычкылдануусуна байланыштуу болушу мүмкүн. 304 ачык абада үн ылдамдыгынан жогору агым астында. Башка жагынан алганда, металл айнек сымал порошоктордун девитрификациясы 550 °C температурада 30 мүнөт муздак чачыратмадан кийин чоң куб фазаларынын пайда болушуна жетишти.
(а) (b) SUS 304 негизине капталган MG порошогунун FE-HRTEM сүрөтү (сүрөттүн ичинде). (а)да көрсөтүлгөн тегерек белгинин NBDP индекси (с)да көрсөтүлгөн.
Чоң кубдук Zr2Ni нанобөлүкчөлөрүнүн пайда болушунун бул потенциалдуу механизмин текшерүү үчүн көз карандысыз эксперимент жүргүзүлдү. Бул экспериментте порошоктор SUS 304 субстраты багытында 550 °C температурада чачыраткыч пистолеттен чачыратылган; бирок, порошоктордун күйгүзүүчү таасирин аныктоо үчүн, алар SUS304 тилкесинен мүмкүн болушунча тезирээк (болжол менен 60 секунд) алынып салынган. Дагы бир эксперименттер топтому жүргүзүлдү, анда порошок чөктүрүлгөндөн кийин болжол менен 180 секунддан кийин субстраттан алынып салынган.
13a,b сүрөттөрүндө SUS 304 субстраттарына 60 жана 180 секунд бою чачыратылган эки материалдын сканерлөөчү трансмиссиялык электрондук микроскопиясы (STEM) аркылуу алынган караңгы талаа сүрөттөрү (DFI) көрсөтүлгөн. 60 секунд бою чачыратылган порошоктун сүрөтүндө морфологиялык деталдар жок, ал өзгөчөлүксүздүктү көрсөтөт (13a-сүрөт). Бул ошондой эле XRD менен тастыкталган, ал бул порошоктордун жалпы түзүлүшү аморфтук экенин көрсөткөн, бул 14a-сүрөттө көрсөтүлгөн кеңири биринчилик жана экинчилик дифракциялык максимумдар менен көрсөтүлгөн. Булар метастабилдүү/мезофазалык чөкмөнүн жоктугун көрсөтүп турат, мында порошок баштапкы аморфтук түзүлүшүн сактап калат. Ал эми, ошол эле температурада (550 °C) чачыратылган, бирок субстратта 180 секунд калган порошок 13b-сүрөттөгү жебелер менен көрсөтүлгөндөй, наноөлчөмдөгү бүртүкчөлөрдүн чөкмөсүн көрсөткөн.