Nature.com сайтына кергәнегез өчен рәхмәт. Сез куллана торган браузер версиясендә CSS ярдәме чикләнгән. Иң яхшы тәҗрибә өчен, без сезгә яңартылган браузер кулланырга киңәш итәбез (яки Internet Explorer'да туры килүчәнлек режимын сүндерегез). Шуңа кадәр, ярдәмне дәвам итү өчен, без сайтны стильләрсез һәм JavaScriptсыз күрсәтәчәкбез.
Биопленкалар хроник инфекцияләр үсешендә мөһим компонент булып тора, бигрәк тә медицина җайланмаларына килгәндә. Бу проблема медицина җәмгыяте өчен зур кыенлыклар тудыра, чөнки стандарт антибиотиклар биопленкаларны бик чикләнгән күләмдә генә юк итә ала. Биопленка барлыкка килүен булдырмау төрле каплау ысулларын һәм яңа материалларны эшләүгә китерде. Бу ысуллар өслекләрне биопленка барлыкка килүенә комачаулый торган ысул белән капларга юнәлтелгән. Пыяла сыман металл эретмәләре, бигрәк тә бакыр һәм титан металларын үз эченә алганнары, идеаль антимикроб каплауларга әйләнде. Шул ук вакытта, салкын сиптерү технологиясен куллану артты, чөнки ул температурага сизгер материалларны эшкәртү өчен яраклы ысул. Бу тикшеренүләрнең максатының бер өлеше механик эретмә ысулларын кулланып, Cu-Zr-Ni өчләтәсеннән торган яңа антибактериаль пленкалы металл пыяла эшләү иде. Соңгы продуктны тәшкил итүче сферик порошок түбән температураларда дат басмас корыч өслекләрне салкын сиптерү өчен чимал буларак кулланыла. Металл пыяла белән капланган субстратлар дат басмас корыч белән чагыштырганда биопленка барлыкка килүен ким дигәндә 1 логарифмга киметә алды.
Кешелек тарихы дәвамында теләсә нинди җәмгыять үзенең конкрет таләпләрен канәгатьләндерү өчен яңа материаллар эшләп чыгара һәм аларны кертүне алга сөрә алган, нәтиҗәдә глобальләшкән икътисадта җитештерүчәнлек һәм рейтинг арткан1. Бу һәрвакыт кешенең материаллар һәм җитештерү җиһазларын эшләү сәләтенә, шулай ук ​​бер илдән яки төбәктән икенчесенә сәламәтлек саклау, мәгариф, сәнәгать, икътисад, мәдәният һәм башка өлкәләргә ирешү өчен материаллар җитештерү һәм характеристика ясау сәләтенә бәйле булган. Алгарыш илгә яки төбәккә карамастан үлчәнә2. 60 ел дәвамында материал галимнәре күп вакытларын бер төп бурычка багышлаганнар: яңа һәм алдынгы материаллар эзләү. Соңгы тикшеренүләр гамәлдәге материалларның сыйфатын һәм эшчәнлеген яхшыртуга, шулай ук ​​бөтенләй яңа төр материалларны синтезлауга һәм уйлап табуга юнәлтелгән.
Легирлау элементларын өстәү, материалның микроструктурасын үзгәртү һәм термик, механик яки термомеханик эшкәртү ысулларын куллану төрле материалларның механик, химик һәм физик үзлекләрен сизелерлек яхшыртуга китерде. Моннан тыш, әлегә кадәр билгесез кушылмалар уңышлы синтезланды. Бу тырышлыклар нәтиҗәсендә яңа инновацион материаллар гаиләсе барлыкка килде, алар бергәләп Advanced Materials2 дип атала. Нанокристалллар, нанокисәкчәләр, нанотөрбәләр, квант нокталары, нуль үлчәмле, аморф металлик пыялалар һәм югары энтропияле эретмәләр - узган гасыр уртасыннан бирле дөньяда барлыкка килгән алдынгы материалларның берничә мисалы гына. Яхшыртылган үзлекләргә ия яңа эретмәләрне җитештерүдә һәм эшкәртүдә, соңгы продуктта да, аны җитештерүнең арадаш этапларында да, еш кына дисбаланс проблемасы өстәлә. Тигезлектән сизелерлек тайпылышларга мөмкинлек бирә торган яңа җитештерү ысулларын кертү нәтиҗәсендә, металлик пыялалар дип аталган метастабиль эретмәләрнең яңа классы ачылды.
1960 елда Калифорния технология университетындагы эше металл эретмәләре концепциясендә революция ясады, ул Au-25 at.% Si пыяла эретмәләрен секундына якынча миллион градус тизлектә тиз катыру юлы белән синтезлады. 4 Профессор Пол Дювзның ачышы металл пыялалары (MS) тарихының башлангычын гына түгел, ә кешеләрнең металл эретмәләре турында фикерләүләрендә дә парадигма үзгәрешенә китерде. MS эретмәләрен синтезлау буенча беренче пионер тикшеренүләрдән бирле, барлык металл пыялалар диярлек түбәндәге ысулларның берсе ярдәмендә тулысынча алынды: (i) эретмәнең яки ​​парның тиз катыруы, (ii) атом челтәре бозылуы, (iii) саф металл элементлар арасындагы каты халәт аморфизация реакцияләре һәм (iv) метастабиль фазаларның каты фаза күчешләре.
MGлар кристаллар белән бәйле озын диапазонлы атом тәртибе булмау белән аерылып тора, бу кристалларның төп үзенчәлеге. Хәзерге дөньяда металлик пыяла өлкәсендә зур алгарышка ирешелде. Болар каты тирәлек физикасы өчен генә түгел, ә металлургия, өслек химиясе, технология, биология һәм башка күп өлкәләр өчен дә кызыклы үзлекләргә ия булган яңа материаллар. Бу яңа төр материал каты металлардан аерылып торган үзлекләргә ия, бу аны төрле өлкәләрдә технологик кушымталар өчен кызыклы кандидат итә. Аларның кайбер мөһим үзлекләре бар: (i) югары механик сыгылучанлык һәм ныклык, (ii) югары магнит үткәрүчәнлеге, (iii) түбән коэрцитивлык, (iv) гадәти булмаган коррозиягә чыдамлык, (v) температурага бәйсезлек. Үткәрүчәнлек 6.7.
Механик эретмә (MA)1,8 - чагыштырмача яңа ысул, ул беренче тапкыр 19839 елда профессор К.К. Кок һәм аның хезмәттәшләре тарафыннан кертелгән. Алар чиста элементлар катнашмасын бүлмә температурасына бик якын тирә-юнь температурасында ваклап, аморф Ni60Nb40 порошоклары җитештергәннәр. Гадәттә, MA реакциясе реакторда, гадәттә дат басмас корычтан ясалган, реактив порошокларны диффузион бәйләнеш арасында шарлы тегермәнгә алып барыла. 10 (1a, b рәсем). Шул вакыттан бирле бу механик рәвештә индукцияләнгән каты халәт реакциясе ысулы түбән (1c рәсем) һәм югары энергияле шарлы тегермәннәр һәм стерженьлы тегермәннәр 11,12,13,14,15,16 кулланып яңа аморф/металл пыяла эретмәсе порошокларын әзерләү өчен кулланыла. Аерым алганда, бу ысул Cu-Ta17 кебек кушылмый торган системаларны, шулай ук ​​Al-күчеш металлы (TM, Zr, Hf, Nb һәм Ta)18,19 һәм Fe-W20 системалары кебек югары эрү температурасылы эретмәләрне әзерләү өчен кулланылган. , аны гадәти пешерү ысуллары белән алып булмый. Моннан тыш, MA металл оксидларының, карбидларының, нитридларының, гидридларының, углерод нанотрубкаларының, наноалмазларының нанокристалл һәм нанокомпозит порошок кисәкчәләрен сәнәгать масштабында җитештерү, шулай ук ​​югарыдан аска таба якын килү ярдәмендә киң тотрыклыландыру өчен иң көчле нанотехнологик коралларның берсе дип санала. 1 һәм метастабиль стадияләр.
Бу тикшеренүдә Cu50(Zr50-xNix)/SUS 304 металлик пыяла каплавын әзерләү өчен кулланылган җитештерү ысулын күрсәтүче схема. (а) Түбән энергияле шар фрезерлау ысулын кулланып, төрле концентрациядәге Ni x (x; 10, 20, 30 һәм 40 ат.%) булган MC эретмәсе порошокларын әзерләү. (а) Башлангыч материал корал цилиндрына корал шарлары белән бергә йөкләнә һәм (б) He атмосферасы белән тутырылган перчатка тартмасына ябыла. (в) Тарту вакытында шарның хәрәкәтен күрсәтүче тарту савытының үтә күренмәле моделе. 50 сәгатьтән соң алынган соңгы порошок продукты SUS 304 нигезен салкын сиптерү өчен кулланылды (г).
Күпләп ясалган материал өслекләренә (субстратларга) килгәндә, өслек инженериясе өслекләрне (субстратларны) проектлауны һәм үзгәртүне үз эченә ала, алар башлангыч күпләп ясалган материалда булмаган билгеле бер физик, химик һәм техник үзенчәлекләрне тәэмин итү өчен. Өслекне эшкәртү аша нәтиҗәле рәвештә яхшыртырга мөмкин булган кайбер үзенчәлекләргә абразивлык, оксидлашу һәм коррозиягә чыдамлык, ышкылу коэффициенты, биоинертлык, электр үзлекләре һәм җылылык изоляциясе керә, болар барысы да берничә мисал гына. Өслек сыйфатын металлургик, механик яки химик ысуллар белән яхшыртырга мөмкин. Билгеле процесс буларак, каплау гади генә әйткәндә, башка материалдан ясалган күпләп ясалган әйбер (субстрат) өслегенә ясалма рәвештә кулланылган бер яки берничә материал катламы дип билгеләнә. Шулай итеп, каплаулар өлешчә теләгән техник яки декоратив үзенчәлекләргә ирешү, шулай ук ​​материалларны әйләнә-тирә мохит белән көтелгән химик һәм физик үзара тәэсир итүдән саклау өчен кулланыла23.
Берничә микрометрдан (10-20 микрометрдан кимрәк) алып 30 микрометрдан артык яки хәтта берничә миллиметр калынлыкка кадәр яраклы саклагыч катламнарны куллану өчен төрле ысуллар һәм техникалар кулланылырга мөмкин. Гомумән алганда, каплау процессларын ике категориягә бүлергә мөмкин: (i) дымлы каплау ысуллары, шул исәптән электрокаплау, электрокаплау һәм кайнар гальванизация, һәм (ii) коры каплау ысуллары, шул исәптән паялау, каты каплау, физик пар белән каплау (PVD). ), химик пар белән каплау (CVD), термик сиптерү ысуллары һәм соңгы вакытта салкын сиптерү ысуллары 24 (1d рәсем).
Биопленкалар өслекләргә кире кайтарып булмый торган рәвештә беркетелгән һәм үзеннән-үзе җитештерелгән күзәнәк тышы полимерлары (EPS) белән әйләндереп алынган микроб берләшмәләре буларак билгеләнә. Өстән өлгергән биопленка формалашуы күп тармакларда, шул исәптән азык-төлек эшкәртү, су системалары һәм сәламәтлек саклауда зур югалтуларга китерергә мөмкин. Кешеләрдә биопленкалар формалашу белән, микроб инфекцияләренең 80% тан артыгын (шул исәптән Enterobacteriaceae һәм Staphylococci) дәвалау авыр. Моннан тыш, өлгергән биопленкаларның планктоник бактерия күзәнәкләренә караганда антибиотик дәвалауга 1000 тапкыр күбрәк чыдам булуы турында хәбәр ителә, бу терапевтик яктан зур проблема дип санала. Тарихи яктан, гадәти органик кушылмалардан алынган антимикроб өслек каплау материаллары кулланылган. Мондый материалларда еш кына кешеләр өчен потенциаль зыянлы булган агулы компонентлар булса да,25,26 бу бактерияләрнең таралуын һәм материалларның таркалуын булдырмаска ярдәм итә ала.
Биопленка барлыкка килү сәбәпле, бактерияләрнең антибиотикларга каршы торучанлыгы киң таралган, бу куркынычсыз кулланыла алырлык нәтиҗәле антимикроб мембрана белән капланган өслек булдыру зарурлыгына китерде27. Бактерия күзәнәкләре адгезия аркасында биопленкалар белән бәйләнә һәм формалаштыра алмаган физик яки химик антиадгезив өслек булдыру - бу процессның беренче ысулы27. Икенче технология - антимикроб химик матдәләрне кирәкле урынга, югары концентрацияле һәм махсус күләмдә җиткерә торган капламалар эшләү. Моңа графен/германий28, кара алмаз29 һәм ZnO30 белән кушылган алмазсыман углерод капламалары кебек уникаль каплама материалларын эшләү аша ирешелә, алар бактерияләргә чыдам, бу технология биопленка барлыкка килү аркасында токсиклык һәм каршылык үсешен максимальләштерә. Моннан тыш, бактериаль пычранудан озак вакытлы саклауны тәэмин итүче бактерицид химик матдәләрне үз эченә алган капламалар барган саен популярлаша бара. Өч процедура да капланган өслекләргә антимикроб активлык күрсәтә алса да, һәрберсенең куллану стратегиясен эшләгәндә исәпкә алынырга тиешле үз чикләүләре бар.
Хәзерге вакытта базардагы продуктлар биологик актив ингредиентлар өчен саклагыч капламаларны анализлау һәм сынау өчен вакыт җитмәү сәбәпле тоткарлана. Компанияләр үз продуктлары кулланучыларга кирәкле функциональ аспектлар бирәчәк дип раслыйлар, ләкин бу хәзерге вакытта базардагы продуктларның уңышына киртә булып тора. Көмештән алынган кушылмалар кулланучылар өчен хәзерге вакытта бар булган күпчелек антимикроб препаратларда кулланыла. Бу продуктлар кулланучыларны микроорганизмнарның потенциаль зарарлы йогынтысыннан саклау өчен эшләнгән. Көмеш кушылмаларының тоткарланган антимикроб эффекты һәм аңа бәйле токсиклыгы тикшеренүчеләргә азрак зарарлы альтернатива эшләү өчен басымны арттыра36,37. Эчтән дә, тыштан да эшли торган глобаль антимикроб каплама булдыру авыр булып кала. Бу сәламәтлек һәм куркынычсызлык өчен бәйле куркынычлар белән килә. Кешеләр өчен азрак зарарлы антимикроб агентын табу һәм аны озаграк саклау вакыты белән каплау субстратларына ничек кертергә икәнен аңлау - бик таләп ителгән максат38. Соңгы антимикроб һәм антибиопленка материаллары бактерияләрне якын арада, турыдан-туры контакт аша яки актив агент чыгарылганнан соң үтерү өчен эшләнгән. Алар моны бактерияләрнең башлангыч адгезиясен тоткарлау (шул исәптән өслектә аксым катламы барлыкка килүенә комачаулау) яки күзәнәк тышчасына тәэсир итеп бактерияләрне үтерү юлы белән эшли алалар.
Асылда, өслек каплавы - компонент өслегенә өслек үзенчәлекләрен яхшырту өчен тагын бер катлам куллану процессы. Өслек каплавының максаты - компонентның өслеккә якын өлкәсенең микроструктурасын һәм/яки составын үзгәртү39. Өслек каплавы ысулларын төрле ысулларга бүлергә мөмкин, алар 2а рәсемдә кыскача күрсәтелгән. Каплауларны каплау ясау ысулына карап, термик, химик, физик һәм электрохимик категорияләргә бүлергә мөмкин.
(а) Өслек ясауның төп ысулларын күрсәтүче өстәмә, һәм (б) салкын сиптерү ысулының сайланган өстенлекләре һәм кимчелекләре.
Салкын сиптерү технологиясенең традицион термик сиптерү техникасы белән уртак яклары күп. Шулай да, салкын сиптерү процессын һәм салкын сиптерү материалларын аеруча уникаль итә торган кайбер төп фундаменталь үзенчәлекләре дә бар. Салкын сиптерү технологиясе әле башлангыч этапта, ләкин аның зур киләчәге бар. Кайбер очракларда, салкын сиптерүнең уникаль үзенчәлекләре зур файда китерә, гадәти термик сиптерү техникасының чикләүләрен җиңә. Ул традицион термик сиптерү технологиясенең мөһим чикләүләрен җиңә, анда порошокны субстратка кую өчен эретергә кирәк. Әлбәттә, бу традицион каплау процессы нанокристаллар, нанокисәкчәләр, аморф һәм металлик пыялалар кебек бик температурага сизгер материаллар өчен яраклы түгел40, 41, 42. Моннан тыш, термик сиптерү каплау материаллары һәрвакыт югары дәрәҗәдәге порулык һәм оксидларга ия. Салкын сиптерү технологиясенең термик сиптерү технологиясенә караганда күп кенә мөһим өстенлекләре бар, мәсәлән: (i) субстратка минималь җылылык керүе, (ii) субстрат каплавын сайлауда сыгылучанлык, (iii) фаза трансформациясе һәм бөртек үсүе булмау, (iv) югары ябыштыру көче1 .39 (2b рәсем). Моннан тыш, салкын сиптерү белән каплау материаллары югары коррозиягә чыдамлыкка, югары ныклыкка һәм катылыкка, югары электр үткәрүчәнлегенә һәм югары тыгызлыкка ия41. Салкын сиптерү процессының өстенлекләренә карамастан, бу ысулның кайбер кимчелекләре бар, 2b рәсемдә күрсәтелгәнчә. Al2O3, TiO2, ZrO2, WC һ.б. кебек саф керамик порошокларны каплаганда, салкын сиптерү ысулын кулланып булмый. Икенче яктан, керамик/металл композит порошокларын каплау өчен чимал буларак кулланырга мөмкин. Башка термик сиптерү ысулларына да шул ук кагыла. Катлаулы өслекләрне һәм торба эчке өлешен сиптерү әле дә авыр.
Әлеге эшнең металл пыяла сыман порошокларны каплау өчен башлангыч материаллар буларак куллануга юнәлтелгәнлеген исәпкә алганда, гадәти термик сиптерүне бу максатта кулланып булмавы ачык. Бу металл пыяла сыман порошокларның югары температурада кристаллашуы белән бәйле1.
Медицина һәм азык-төлек сәнәгатендә кулланыла торган инструментларның күбесе хирургия инструментлары җитештерү өчен 12 дән 20 авырлык% ка кадәр хромлы аустенитлы дат басмас корыч эретмәләреннән (SUS316 һәм SUS304) ясала. Корыч эретмәләрендә хром металлын эретмә элементы буларак куллану стандарт корыч эретмәләренең коррозиягә чыдамлыгын сизелерлек яхшырта ала дип гомумән кабул ителә. Дат басмас корыч эретмәләре, югары коррозиягә чыдам булуларына карамастан, антимикроб үзлекләренә ия түгел38,39. Бу аларның югары коррозиягә чыдамлыгы белән капма-каршы килә. Шуннан соң, инфекция һәм ялкынсыну үсешен фаразларга мөмкин, алар, нигездә, дат басмас корыч биоматериаллары өслегендә бактерияләрнең адгезиясе һәм колонизациясе белән бәйле. Бактерияләрнең адгезиясе һәм биофильм формалашу юллары белән бәйле җитди кыенлыклар аркасында җитди кыенлыклар туарга мөмкин, бу исә сәламәтлекнең начарлануына китерергә мөмкин, бу исә кеше сәламәтлегенә турыдан-туры яки турыдан-туры булмаган йогынты ясый ала торган күп нәтиҗәләргә китерергә мөмкин.
Бу тикшеренү - Кувейт Фәнне Алга Китү Фонды (KFAS) тарафыннан финансланган, контракт № 2010-550401, MA технологиясен кулланып металлик пыяла Cu-Zr-Ni өчләтә порошокларын җитештерү мөмкинлеген тикшерү проектының беренче этабы (таблица). 1) SUS304 антибактериаль өслек саклау пленкасы/капламасы җитештерү өчен. Проектның икенче этабы, 2023 елның гыйнварында башланырга тиеш, гальваник коррозия үзенчәлекләрен һәм системаның механик үзлекләрен җентекләп өйрәнәчәк. Төрле бактерияләр өчен җентекле микробиологик сынаулар үткәреләчәк.
Бу мәкаләдә морфологик һәм структураль үзенчәлекләргә нигезләнеп, Zr эретмәсе күләменең пыяла формалаштыру сәләтенә (GFA) йогынтысы карала. Моннан тыш, порошок белән капланган металл пыяла/SUS304 композитының антибактериаль үзлекләре дә тикшерелде. Моннан тыш, металл пыяла системаларының артык суытылган сыеклык өлкәсендә салкын сиптерү вакытында металл пыяла порошокларының структураль трансформациясе мөмкинлеген тикшерү буенча даими эш алып барылды. Бу тикшеренүдә мисаллар буларак Cu50Zr30Ni20 һәм Cu50Zr20Ni30 металл пыяла эретмәләре кулланылды.
Бу бүлектә түбән энергияле шарлы фрезерлау вакытында элементар Cu, Zr һәм Ni порошокларындагы морфологик үзгәрешләр күрсәтелә. Мисаллар буларак, Cu50Zr20Ni30 һәм Cu50Zr40Ni10 дан торган ике төрле система кулланылачак. MA процессын өч аерым этапка бүләргә мөмкин, моны тарту этабында алынган порошокның металлографик характеристикасы күрсәтә (3 нче рәсем).
Шарлы тартуның төрле этапларыннан соң алынган механик эретмәләр порошокларының (MA) металлографик характеристикасы. 3, 12 һәм 50 сәгать дәвамында түбән энергияле шарлы тартудан соң алынган MA һәм Cu50Zr40Ni10 порошокларының кыр эмиссиясен сканерлаучы электрон микроскопиясе (FE-SEM) сурәтләре Cu50Zr20Ni30 системасы өчен, шул ук MAда булганда (a), (c) һәм (e) пунктларында күрсәтелгән. Cu50Zr40Ni10 системасының вакыт узу белән төшерелгән тиешле сурәтләре (b), (d) һәм (f) пунктларында күрсәтелгән.
Шарлы фрезерлау вакытында металл порошогына күчерелергә мөмкин булган эффектив кинетик энергиягә 1а рәсемдә күрсәтелгәнчә, параметрлар комбинациясе тәэсир итә. Моңа шарлар һәм порошоклар арасындагы бәрелүләр, тарту материаллары арасында яки алар арасында тыгылып калган порошокның кисү белән кысылуы, төшкән шарлардан килеп чыккан бәрелүләр, шарлы тегермәннең хәрәкәт итүче җисемнәре арасындагы порошок сөйрәве аркасында килеп чыккан кисү һәм тузу, һәм йөкләнгән культура аша таралучы төшкән шарлар аша үтүче бәрелү дулкыны керә (1а рәсем). Элементарные порошки Ку, Зр и Ни былы сильно деформамированя из-за холодной сварки на раннейдидиди МА (3 ч), что привело к крадованию крупных частиц порошка (> 1 мм в диаметре). Элемент Cu, Zr һәм Ni порошоклары MA башлангыч стадиясендә (3 сәгать) салкын эретеп ябыштыру аркасында нык деформацияләнгән, бу зур порошок кисәкчәләренең (диаметры > 1 мм) барлыкка килүенә китергән.Бу зур композит кисәкчәләр 3a,b рәсемнәрендә күрсәтелгәнчә, эретмә элементларының (Cu, Zr, Ni) калын катламнары барлыкка килү белән характерлана. MA вакытының 12 сәгатькә кадәр артуы (ара этап) шарлы тегермәннең кинетик энергиясенең артуына китерде, бу композит порошокның кечерәк порошокларга (200 мкм дан кимрәк) таркалуына китерде, 3c рәсемдә күрсәтелгәнчә. Бу этапта кулланылган кисү көче 3c, d рәсемнәрендә күрсәтелгәнчә, нечкә Cu, Zr, Ni катламнары белән яңа металл өслеге барлыкка килүгә китерә. Кабырчыклар арасындагы чиктә катламнарны тарту нәтиҗәсендә, яңа фазалар барлыкка килү белән каты фазалы реакцияләр бара.
MA процессының кульминация ноктасында (50 сәгатьтән соң), кабырчыклы металлография сизелмәде диярлек (3e, f рәсем), һәм порошокның ялтыратылган өслегендә көзгеле металлография күзәтелде. Бу MA процессы тәмамланганын һәм бер реакция фазасы барлыкка килгәнен аңлата. 3e рәсемнәрендә (I, II, III), f, v, vi) күрсәтелгән өлкәләрнең элемент составы кыр эмиссиясен сканерлаучы электрон микроскопиясе (FE-SEM) энергия дисперсияле рентген спектроскопиясе (EDS) белән берлектә кулланылып билгеләнде. (IV).
2 нче таблицада легирлау элементларының элемент концентрацияләре 3e, f рәсемнәрендә сайланган һәр өлкәнең гомуми массасының проценты буларак күрсәтелгән. Бу нәтиҗәләрне 1 нче таблицада бирелгән Cu50Zr20Ni30 һәм Cu50Zr40Ni10 башлангыч номиналь составлары белән чагыштыру бу ике соңгы продуктның составларының номиналь составларга бик якын булуын күрсәтә. Моннан тыш, 3e, f рәсемнәрендә күрсәтелгән өлкәләр өчен компонентларның чагыштырма кыйммәтләре һәр үрнәкнең составында бер өлкәдән икенчесенә сизелерлек начарлану яки үзгәрү күзәтелми. Моны бер өлкәдән икенчесенә составта үзгәрешләр булмавы күрсәтә. Бу 2 нче таблицада күрсәтелгәнчә, бердәм легирлау порошоклары җитештерүне күрсәтә.
Cu50(Zr50-xNix) соңгы продукт порошогының FE-SEM микрографияләре 50 MA тапкырдан соң алынды, 4a-d рәсемдә күрсәтелгәнчә, монда x 10, 20, 30 һәм 40 ат.% тәшкил итә. Бу тарту этабыннан соң, ван-дер-Ваальс эффекты аркасында порошок агрегатлары барлыкка килә, бу 4 нче рәсемдә күрсәтелгәнчә, диаметры 73-126 нм булган ультра нечкә кисәкчәләрдән торган зур агрегатлар барлыкка килүенә китерә.
50 сәгатьлек MAдан соң алынган Cu50(Zr50-xNix) порошокларының морфологик үзенчәлекләре. Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40 системалары өчен, 50 MAдан соң алынган порошокларның FE-SEM рәсемнәре тиешенчә (a), (b), (c) һәм (d) пунктларында күрсәтелгән.
Порошокларны салкын сиптергечкә тутырыр алдыннан, алар башта аналитик сортлы этанолда 15 минут дәвамында ультратавыш белән эшкәртелде, аннары 150°C температурада 2 сәгать киптерелде. Бу адымны каплау процессында еш кына күп җитди проблемалар тудыра торган агломерациягә каршы уңышлы көрәшү өчен ясарга кирәк. MA процессы тәмамланганнан соң, эретмә порошокларының бер төрлелеген тикшерү өчен өстәмә тикшеренүләр үткәрелде. 5a–d рәсемнәрендә FE-SEM микрографлары һәм Cu50Zr30Ni20 эретмәсенең Cu, Zr һәм Ni эретмә элементларының 50 сәгать M вакытыннан соң төшерелгән тиешле EDS рәсемнәре күрсәтелгән. Шунысын да билгеләп үтәргә кирәк, бу адымнан соң алынган эретмә порошоклары бер төрле, чөнки алар 5 нче рәсемдә күрсәтелгәнчә, субнанометр дәрәҗәсеннән артык состав тирбәнешләрен күрсәтмиләр.
FE-SEM/Энергия Дисперсиясе Рентген Спектроскопиясе (ЭДС) ярдәмендә 50 MA дан соң алынган MG Cu50Zr30Ni20 порошогында элементларның морфологиясе һәм локаль таралышы. (а) (b) Cu-Kα, (c) Zr-Lα һәм (d) Ni-Kα ның ЭДС һәм рентген ЭДС сурәтләү.
50 сәгатьлек MA дан соң алынган механик кушылма Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30 һәм Cu50Zr20Ni30 порошокларының рентген дифракция үрнәкләре 6a–d рәсемнәрендә күрсәтелгән. Бу тарту этабыннан соң, төрле Zr концентрацияләре булган барлык үрнәкләр дә 6 нчы рәсемдә күрсәтелгән характерлы гало диффузия үрнәкләре белән аморф структураларга ия булган.
Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c) һәм Cu50Zr20Ni30 (d) порошокларының 50 сәгать дәвамында MA белән эшкәртүдән соң рентген дифракциясе үрнәкләре. Барлык үрнәкләрдә дә, искәрмәсез, гало-диффузия үрнәге күзәтелде, бу аморф фаза барлыкка килүен күрсәтә.
Төрле MA вакытларында шарлы фрезерлау нәтиҗәсендә барлыкка килгән порошокларның структура үзгәрешләрен күзәтү һәм җирле структурасын аңлау өчен югары ачыклыклы кыр эмиссиясе электрон микроскопиясе (FE-HRTEM) кулланылды. Cu50Zr30Ni20 һәм Cu50Zr40Ni10 порошокларын тартуның иртә (6 сәгать) һәм арадаш (18 сәгать) этапларыннан соң FE-HRTEM ысулы белән алынган порошокларның рәсемнәре 7a рәсемнәрендә күрсәтелгән. 6 сәгать MA дан соң алынган порошокның якты кыр рәсеменә (BFI) караганда, порошок fcc-Cu, hcp-Zr һәм fcc-Ni элементларының ачык билгеләнгән чикләре булган зур бөртекләрдән тора, һәм 7a рәсемдә күрсәтелгәнчә, реакция фазасы формалашу билгеләре юк. Моннан тыш, урта өлкәдән (а) алынган корреляцияләнгән сайланган мәйдан дифракциясе рәсеме (SADP) кискен дифракция рәсемен күрсәтте (7b рәсем), бу зур кристаллитларның булуын һәм реактив фаза булмавын күрсәтә.
Башлангыч (6 сәгать) һәм уртача (18 сәгать) этаплардан соң алынган MA порошогының локаль структураль үзенчәлекләре. (а) Югары ачыклыклы кыр эмиссиясе тапшыру электрон микроскопиясе (FE-HRTEM) һәм (b) 6 сәгать дәвамында MA белән эшкәртелгәннән соң Cu50Zr30Ni20 порошогының тиешле сайланган мәйдан дифрактографиясе (SADP). 18 сәгатьлек MAдан соң алынган Cu50Zr40Ni10 FE-HRTEM рәсеме (c)да күрсәтелгән.
7в рәсемдә күрсәтелгәнчә, MA вакытының 18 сәгатькә кадәр артуы пластик деформация белән бергә җитди челтәр кимчелекләренә китерде. MA процессының бу арадаш этабында порошокта төрле кимчелекләр барлыкка килә, шул исәптән катламнарның кимүе, челтәр кимчелекләре һәм нокта кимчелекләре (7 нче рәсем). Бу кимчелекләр бөртек чикләре буйлап зур бөртекләрнең 20 нм дан кечерәк суббөркекләргә таркалуына китерә (7в нче рәсем).
36 сәгатьлек марафон вакытында тартылган Cu50Z30Ni20 порошогы локаль структурасы, 8a рәсемдә күрсәтелгәнчә, аморф нечкә матрицага урнаштырылган ультра нечкә нанобөртәкләр барлыкка килү белән характерлана. ЭМӨ локаль анализы 8a рәсемдә күрсәтелгән нанокластерларның эшкәртелмәгән Cu, Zr һәм Ni порошогы эретмәләре белән бәйле булуын күрсәтте. Матрицадагы Cu күләме ~32 ат.% тан (начар зона) ~74 ат.% ка кадәр үзгәрде, бу гетероген продуктлар барлыкка килүен күрсәтә. Моннан тыш, бу этапта тартылганнан соң алынган порошокларның тиешле SADPлары, 8b рәсемдә күрсәтелгәнчә, бу эшкәртелмәгән эретмә элементлары белән бәйле үткен очлар белән капланган беренчел һәм икенчел гало-диффузия аморф фаза боҗраларын күрсәтә.
Beyond 36 h-Cu50Zr30Ni20 порошогының нанокүләмле локаль структура үзенчәлекләре. (a) Якты кыр рәсеме (BFI) һәм аңа туры килә торган (b) 36 сәгатьлек марафон вакытында фрезерланганнан соң алынган Cu50Zr30Ni20 порошогының SADP.
MA процессы ахырына таба (50 сәгать), Cu50(Zr50-xNix), X, 10, 20, 30 һәм 40 ат.% порошоклар, искәрмәсез, аморф фазаның лабиринт морфологиясенә ия, рәсемдә күрсәтелгәнчә. Һәр составның тиешле SADSларында нокта дифракциясе дә, кискен боҗрасыман үрнәкләр дә ачыкланмады. Бу эшкәртелмәгән кристалл металлның булмавын, ә аморф эретмә порошогы барлыкка килүен күрсәтә. Гало диффузия үрнәкләрен күрсәтүче бу корреляцияләнгән SADPлар шулай ук ​​соңгы продукт материалында аморф фазаларның үсеше өчен дәлил буларак кулланылды.
Cu50 MS системасының (Zr50-xNix) соңгы продуктының локаль структурасы. 50 сәгатьлек MA дан соң алынган (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 һәм (d) Cu50Zr10Ni40 ның FE-HRTEM һәм корреляцияләнгән нанонуштак дифракция үрнәкләре (NBDP).
Дифференциаль сканерлау калориметриясен кулланып, пыяла күчү температурасының (Tg), артык суытылган сыеклык өлкәсенең (ΔTx) һәм кристаллашу температурасының (Tx) термик тотрыклылыгы Cu50(Zr50-xNix) аморф системасындагы Ni(x) эчтәлегенә карап өйрәнелде. (DSC) He газ агымындагы үзлекләре. 50 сәгать дәвамында MA дан соң алынган Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20 һәм Cu50Zr10Ni40 аморф эретмәләре порошокларының DSC кәкреләре 10a, b, e рәсемнәрендә күрсәтелгән. Аморф Cu50Zr20Ni30ның DSC кәкресе 10 нчы рәсемдә аерым күрсәтелгән. Шул ук вакытта, DSCда ~700°C кадәр җылытылган Cu50Zr30Ni20 үрнәге 10g рәсемдә күрсәтелгән.
50 сәгать дәвамында MA кулланганнан соң алынган Cu50(Zr50-xNix) MG порошокларының термик тотрыклылыгы пыяла күчү температурасы (Tg), кристаллашу температурасы (Tx) һәм артык суытылган сыеклык өлкәсе (ΔTx) белән билгеләнә. 50 сәгать дәвамында MA кулланганнан соң Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c) һәм (e) Cu50Zr10Ni40 MG эретмә порошокларының дифференциаль сканерлау калориметры (DSC) порошокларының термограммалары. DSCда ~700°C кадәр җылытылган Cu50Zr30Ni20 үрнәгенең рентген дифракциясе (XRD) (d)дә күрсәтелгән.
10 нчы рәсемдә күрсәтелгәнчә, төрле никель концентрацияләре (x) булган барлык составлар өчен DSC кәкреләре ике төрле очракны күрсәтә, берсе эндотермик, икенчесе экзотермик. Беренче эндотермик вакыйга Tg га туры килә, ә икенчесе Tx белән бәйле. Tg һәм Tx арасында булган горизонталь киңлек мәйданы суытылган сыеклык мәйданы дип атала (ΔTx = Tx – Tg). Нәтиҗәләр күрсәткәнчә, 526°C һәм 612°C температурада урнаштырылган Cu50Zr40Ni10 үрнәгенең (10а рәсем) Tg һәм Tx, Ni күләме (x) артканда, 10b рәсемдә күрсәтелгәнчә, (x) эчтәлеген 482°C һәм 563°C түбән температура ягына % белән 20 гә кадәр күчерә. Нәтиҗәдә, Cu50Zr30Ni20 өчен ΔTx Cu50Zr40Ni10 86°C дан (10а рәсем) 81°C га кадәр кими (10б рәсем). MC Cu50Zr40Ni10 эретмәсе өчен Tg, Tx һәм ΔTx кыйммәтләренең 447°C, 526°C һәм 79°C дәрәҗәләренә кадәр кимүе дә күзәтелде (10б рәсем). Бу Ni күләменең артуы MS эретмәсенең термик тотрыклылыгының кимүенә китерә икәнен күрсәтә. Киресенчә, MC Cu50Zr20Ni30 эретмәсенең Tg (507 °C) кыйммәте MC Cu50Zr40Ni10 эретмәсенекеннән түбәнрәк; шулай да, аның Tx кыйммәте аңа охшаш кыйммәт күрсәтә (612 °C). Шуңа күрә, ΔTx кыйммәте югарырак (87 °C), X гасыр рәсемендә күрсәтелгәнчә.
Cu50(Zr50-xNix) MC системасы, мисал буларак, Cu50Zr20Ni30 MC эретмәсен кулланып, кискен экзотермик пик аша fcc-ZrCu5, орторомбик-Zr7Cu10 һәм орторомбик-ZrNi кристалл фазаларына кристаллаша (10c рәсем). Аморфтан кристаллга бу фаза күчүе MG үрнәгенең рентген дифракция анализы белән расланды (10d рәсем), ул DSCда 700 °C кадәр җылытылды.
11 нче рәсемдә хәзерге эштә үткәрелгән салкын сиптерү процессы вакытында төшерелгән фотосурәтләр күрсәтелгән. Бу тикшеренүдә, 50 сәгать дәвамында MA дан соң синтезланган металл пыяласыман порошок кисәкчәләре (мисал буларак Cu50Zr20Ni30 кулланып) антибактериаль чимал буларак кулланылган, һәм дат басмас корыч пластина (SUS304) салкын сиптерү белән капланган. Термик сиптерү технологияләре сериясендә каплау өчен салкын сиптерү ысулы сайланган, чөнки ул термик сиптерү технологияләре сериясендә иң нәтиҗәле ысул булып тора, анда ул аморф һәм нанокристалл порошоклар кебек металлик метастабиль җылылыкка сизгер материаллар өчен кулланылырга мөмкин. Фаза күчешләренә буйсынмый. Бу ысулны сайлауда төп фактор. Салкын утырту процессы кисәкчәләрнең кинетик энергиясен пластик деформациягә, деформациягә һәм субстрат яки элек утыртылган кисәкчәләр белән бәрелү вакытында җылылыкка әйләндерә торган югары тизлекле кисәкчәләр ярдәмендә башкарыла.
Кыр фотосурәтләрендә MG/SUS 304 препаратын 550°C температурада биш тапкыр рәттән әзерләү өчен кулланылган салкын сиптерү процедурасы күрсәтелгән.
Кисәкчәләрнең кинетик энергиясе, шулай ук ​​каплау формалашу вакытында һәр кисәкчәнең импульсы, пластик деформация (матрицадагы беренчел кисәкчәләр һәм кисәкчәләр арасындагы үзара бәйләнешләр һәм кисәкчәләрнең үзара бәйләнешләре), каты матдәләрнең интерстициаль төеннәре, кисәкчәләр арасында әйләнү, деформация һәм җылытуны чикләү 39 кебек механизмнар аша башка энергия төрләренә әйләндерелергә тиеш. Моннан тыш, кергән кинетик энергиянең барысы да җылылык энергиясенә һәм деформация энергиясенә әйләнмәсә, нәтиҗәдә эластик бәрелеш булачак, бу кисәкчәләрнең бәрелүдән соң сикереп чыгуын аңлата. Кисәкчә/субстрат материалына бирелгән бәрелү энергиясенең 90% ы җирле җылылыкка әйләнә дип билгеләп үтелгән 40. Моннан тыш, бәрелү көчәнеше кулланылганда, бик кыска вакыт эчендә кисәкчә/субстрат контакт өлкәсендә югары пластик деформация тизлегенә ирешелә41,42.
Пластик деформация гадәттә энергия тарату процессы, яки, дөресрәге, фазаара өлкәдә җылылык чыганагы буларак карала. Ләкин, фазаара өлкәдә температураның артуы, гадәттә, фазаара эрү яки атомнарның үзара диффузиясен сизелерлек стимуллаштыру өчен җитәрлек түгел. Авторларга билгеле булган бернинди басма да бу металлик пыяла сыман порошокларның үзлекләренең салкын сиптерү ысулларын кулланганда порошок адгезиясенә һәм утыруына йогынтысын тикшермәгән.
MG Cu50Zr20Ni30 эретмәсе порошогы BFI 12a рәсемдә күренә, ул SUS 304 субстратына салынган (11, 12b рәсем). Рәсемнән күренгәнчә, капланган порошоклар үзләренең башлангыч аморф структурасын саклыйлар, чөнки аларда кристалл үзенчәлекләре яки челтәр кимчелекләре булмаган нечкә лабиринт структурасы бар. Икенче яктан, рәсем чит фазаның булуын күрсәтә, моны MG белән капланган порошок матрицасына кертелгән нанокисәкчәләр күрсәтә (12a рәсем). 12c рәсемдә I өлкәсе белән бәйле индексланган нано-нур дифракциясе үрнәге (NBDP) күрсәтелгән (12a рәсем). 12c рәсемдә күрсәтелгәнчә, NBDP аморф структурасының зәгыйфь гало-диффузия үрнәген күрсәтә һәм кристалл зур кубик метастабиль Zr2Ni фазасы һәм тетрагональ CuO фазасы белән туры килә торган кискен нокталар белән бергә яши. CuO барлыкка килүен сиптергеч пистолетның очыннан SUS 304кә тавыш тизлегеннән югарырак агымда ачык һавада хәрәкәт иткәндә порошокның оксидлашуы белән аңлатырга мөмкин. Икенче яктан, металл пыяласыман порошокларның девитрификациясе нәтиҗәсендә 550°C температурада 30 минут дәвамында салкын сиптерүдән соң зур куб фазалары барлыкка килгән.
(a) (b) SUS 304 субстратына салынган MG порошогы FE-HRTEM рәсеме (рәсемдә). (a) пунктында күрсәтелгән түгәрәк символның NBDP индексы (c) пунктында күрсәтелгән.
Зур куб Zr2Ni нанокисәкчәләренең барлыкка килү механизмын тикшерү өчен, бәйсез эксперимент үткәрелде. Бу экспериментта порошоклар атомайзердан 550°C температурада SUS 304 субстраты юнәлешендә сиптерелде; ләкин, яндыру эффектын билгеләү өчен, порошоклар SUS304 тасмасыннан мөмкин кадәр тизрәк (якынча 60 с) алынды. Тагын бер эксперимент сериясе үткәрелде, анда порошок кулланылганнан соң якынча 180 секундтан соң субстраттан алынды.
13a,b рәсемнәрендә SUS 304 субстратларына 60 с һәм 180 с дәвамында сиптерелгән ике материалның сканерлаучы тапшыру электрон микроскопиясе (STEM) караңгы кыр (DFI) рәсемнәре күрсәтелгән. 60 секунд дәвамында сиптерелгән порошок рәсемендә морфологик детальләр юк, бу үзенчәлекләрсезлеген күрсәтә (13a рәсем). Моны рентгенограмма да раслады, ул бу порошокларның гомуми структурасы аморф булуын күрсәтте, моны 14a рәсемдә күрсәтелгән киң беренчел һәм икенчел дифракция пиклары күрсәтә. Бу метастабиль/мезофаза утырмаларының булмавын күрсәтә, аларда порошок үзенең башлангыч аморф структурасын саклый. Киресенчә, шул ук температурада (550°C) сиптерелгән, ләкин субстратта 180 с калдырылган порошок 13b рәсемдәге уклар белән күрсәтелгәнчә, нанозурлы бөртекләрнең утыруын күрсәтте.