Nature.com saytiga tashrif buyurganingiz uchun tashakkur. Siz foydalanayotgan brauzer versiyasida CSS qo'llab-quvvatlashi cheklangan. Eng yaxshi tajriba uchun sizga yangilangan brauzerdan foydalanishingizni tavsiya qilamiz (yoki Internet Explorer-da moslik rejimini o'chirib qo'ying). Shu bilan birga, uzluksiz qo'llab-quvvatlashni ta'minlash uchun biz saytni uslublar va JavaScriptsiz renderlaymiz.
Bioplyonkalar surunkali infeksiyalar rivojlanishida, ayniqsa tibbiy asboblar haqida gap ketganda, muhim tarkibiy qism hisoblanadi. Bu muammo tibbiyot hamjamiyati uchun katta qiyinchilik tug'diradi, chunki standart antibiotiklar bioplyonkalarni juda cheklangan darajada yo'q qilishi mumkin. Bioplyonka hosil bo'lishining oldini olish turli xil qoplama usullari va yangi materiallarning rivojlanishiga olib keldi. Ushbu usullar sirtlarni bioplyonka hosil bo'lishining oldini oladigan tarzda qoplashga qaratilgan. Vitreus metall qotishmalari, ayniqsa mis va titan metallarini o'z ichiga olganlar, ideal antimikrobiyal qoplamalarga aylandi. Shu bilan birga, sovuq purkash texnologiyasidan foydalanish ko'paydi, chunki u haroratga sezgir materiallarni qayta ishlash uchun mos usul hisoblanadi. Ushbu tadqiqotning maqsadlaridan biri mexanik qotishma texnikasidan foydalangan holda Cu-Zr-Ni uchlamchi birikmasidan tashkil topgan yangi antibakterial plyonkali metall oynani ishlab chiqish edi. Yakuniy mahsulotni tashkil etuvchi sharsimon kukun past haroratlarda zanglamaydigan po'latdan yasalgan sirtlarni sovuq purkash uchun xom ashyo sifatida ishlatiladi. Metall shisha bilan qoplangan substratlar zanglamaydigan po'latga nisbatan bioplyonka hosil bo'lishini kamida 1 logga kamaytirishga muvaffaq bo'ldi.
Insoniyat tarixi davomida har qanday jamiyat o'zining o'ziga xos talablarini qondirish uchun yangi materiallarni ishlab chiqish va joriy etishni rag'batlantirishga muvaffaq bo'lgan, bu esa globallashgan iqtisodiyotda unumdorlik va reytingning oshishiga olib kelgan1. Bu har doim insonning materiallar va ishlab chiqarish uskunalarini loyihalash, shuningdek, sog'liqni saqlash, ta'lim, sanoat, iqtisodiyot, madaniyat va boshqa sohalarga erishish uchun materiallarni ishlab chiqarish va tavsiflash qobiliyatiga bog'liq bo'lib kelgan. Taraqqiyot mamlakat yoki mintaqadan qat'i nazar o'lchanadi2. 60 yil davomida materialshunos olimlar ko'p vaqtni bitta asosiy vazifaga bag'ishladilar: yangi va ilg'or materiallarni qidirish. So'nggi tadqiqotlar mavjud materiallarning sifati va samaradorligini oshirishga, shuningdek, butunlay yangi turdagi materiallarni sintez qilish va ixtiro qilishga qaratilgan.
Qotishma elementlarining qo'shilishi, materialning mikrotuzilmasini o'zgartirish va termal, mexanik yoki termomekanik ishlov berish usullarini qo'llash turli materiallarning mexanik, kimyoviy va fizik xususiyatlarini sezilarli darajada yaxshilanishiga olib keldi. Bundan tashqari, shu paytgacha noma'lum bo'lgan birikmalar muvaffaqiyatli sintez qilindi. Ushbu doimiy sa'y-harakatlar natijasida Advanced Materials2 deb nomlanuvchi yangi innovatsion materiallar oilasi paydo bo'ldi. Nanokristallar, nanopartikullar, nanotubalar, kvant nuqtalari, nol o'lchovli, amorf metall oynalar va yuqori entropiyali qotishmalar o'tgan asrning o'rtalaridan beri dunyoda paydo bo'lgan ilg'or materiallarning ba'zi misollaridir. Yaxshilangan xususiyatlarga ega yangi qotishmalarni ishlab chiqarish va rivojlantirishda, ham yakuniy mahsulotda, ham uni ishlab chiqarishning oraliq bosqichlarida, ko'pincha nomutanosiblik muammosi qo'shiladi. Muvozanatdan sezilarli darajada chetga chiqishga imkon beradigan yangi ishlab chiqarish texnikalarining joriy etilishi natijasida metall oynalar deb nomlanuvchi metastabil qotishmalarning butunlay yangi sinfi kashf etildi.
Uning 1960-yilda Caltechdagi ishi metall qotishmalari konsepsiyasida inqilob qildi, u suyuqliklarni sekundiga deyarli million daraja tezlikda tez qotib, Au-25 at.% Si shishasimon qotishmalarni sintez qildi. 4 Professor Pol Duvesning kashfiyoti nafaqat metall oynalar (MS) tarixining boshlanishini belgilab berdi, balki odamlarning metall qotishmalari haqida qanday fikrda bo'lishida paradigma o'zgarishiga olib keldi. MS qotishmalarini sintez qilish bo'yicha birinchi kashshof tadqiqotlardan beri deyarli barcha metall oynalar quyidagi usullardan biri yordamida to'liq olindi: (i) eritma yoki bug'ning tez qotishi, (ii) atom panjarasi buzilishi, (iii) sof metall elementlar orasidagi qattiq holat amorfizatsiya reaksiyalari va (iv) metastabil fazalarning qattiq fazali o'tishlari.
MGlar kristallar bilan bog'liq uzoq masofali atom tartibining yo'qligi bilan ajralib turadi, bu esa kristallarning o'ziga xos xususiyati hisoblanadi. Zamonaviy dunyoda metall shisha sohasida katta yutuqlarga erishildi. Bu nafaqat qattiq jismlar fizikasi, balki metallurgiya, sirt kimyosi, texnologiya, biologiya va boshqa ko'plab sohalar uchun ham qiziqarli xususiyatlarga ega bo'lgan yangi materiallardir. Ushbu yangi turdagi material qattiq metallardan farqli xususiyatlarga ega, bu uni turli sohalarda texnologik qo'llanmalar uchun qiziqarli nomzodga aylantiradi. Ular ba'zi muhim xususiyatlarga ega: (i) yuqori mexanik egiluvchanlik va oqim kuchi, (ii) yuqori magnit o'tkazuvchanlik, (iii) past koersitivlik, (iv) g'ayrioddiy korroziyaga chidamlilik, (v) haroratga bog'liq emaslik. O'tkazuvchanlik 6.7.
Mexanik qotishma (MA)1,8 nisbatan yangi usul bo'lib, birinchi marta 19839-yilda professor K.K.Kok va uning hamkasblari tomonidan joriy etilgan. Ular sof elementlar aralashmasini xona haroratiga juda yaqin atrof-muhit haroratida maydalash orqali amorf Ni60Nb40 kukunlarini ishlab chiqarishgan. Odatda, MA reaksiyasi reaktiv kukunlarini reaktorda, odatda zanglamaydigan po'latdan yasalgan holda, shar tegirmoniga diffuziya bog'lanishi o'rtasida amalga oshiriladi. 10 (1a, b-rasm). O'shandan beri bu mexanik ravishda induktsiyalangan qattiq holat reaksiya usuli past (1c-rasm) va yuqori energiyali shar tegirmonlari va sterjen tegirmonlari11,12,13,14,15,16 dan foydalangan holda yangi amorf/metall shisha qotishma kukunlarini tayyorlash uchun ishlatilgan. Xususan, bu usul Cu-Ta17 kabi aralashmaydigan tizimlarni, shuningdek, Al-o'tish metalli (TM, Zr, Hf, Nb va Ta)18,19 va Fe-W20 tizimlari kabi yuqori erish nuqtasi qotishmalarini tayyorlash uchun ishlatilgan. , an'anaviy pishirish usullari yordamida olinmaydi. Bundan tashqari, MA metall oksidlari, karbidlar, nitridlar, gidridlar, uglerod nanotubalari, nanoolmoslarning nanokristalli va nanokompozit kukun zarralarini sanoat miqyosida ishlab chiqarish, shuningdek, yuqoridan pastga yondashuv yordamida keng stabilizatsiya qilish uchun eng kuchli nanotexnologik vositalardan biri hisoblanadi. 1 va metastabil bosqichlar.
Ushbu tadqiqotda Cu50(Zr50-xNix)/SUS 304 metall shisha qoplamasini tayyorlash uchun qo'llanilgan ishlab chiqarish usulini ko'rsatuvchi sxema. (a) Kam energiyali sharli frezalash usuli yordamida turli konsentratsiyali Ni x (x; 10, 20, 30 va 40 at.%) MC qotishma kukunlarini tayyorlash. (a) Boshlang'ich material asbob po'lat sharlari bilan birga asbob silindriga yuklanadi va (b) He atmosferasi bilan to'ldirilgan qo'lqop qutisiga muhrlanadi. (c) Silliqlash paytida sharning harakatini ko'rsatuvchi silliqlash idishining shaffof modeli. 50 soatdan keyin olingan yakuniy kukun mahsuloti SUS 304 substratini sovuq purkash bilan qoplash uchun ishlatilgan (d).
Ommaviy material sirtlari (substratlari) haqida gap ketganda, sirt muhandisligi asl ommaviy materialda mavjud bo'lmagan ma'lum fizik, kimyoviy va texnik xususiyatlarni ta'minlash uchun sirtlarni (substratlarni) loyihalash va o'zgartirishni o'z ichiga oladi. Sirtni qayta ishlash orqali samarali ravishda yaxshilanishi mumkin bo'lgan ba'zi xususiyatlarga aşınma, oksidlanish va korroziyaga chidamlilik, ishqalanish koeffitsienti, bioinertlik, elektr xususiyatlari va issiqlik izolyatsiyasi kiradi, bularning barchasini aytib o'tish mumkin. Sirt sifati metallurgiya, mexanik yoki kimyoviy usullar bilan yaxshilanishi mumkin. Ma'lumki, qoplama shunchaki boshqa materialdan tayyorlangan ommaviy buyum (substrat) yuzasiga sun'iy ravishda qo'llaniladigan bir yoki bir nechta material qatlami sifatida belgilanadi. Shunday qilib, qoplamalar qisman kerakli texnik yoki dekorativ xususiyatlarga erishish, shuningdek, materiallarni atrof-muhit bilan kutilgan kimyoviy va fizik o'zaro ta'sirlardan himoya qilish uchun ishlatiladi23.
Bir necha mikrometrdan (10-20 mikrometrdan past) 30 mikrometrdan ortiq yoki hatto bir necha millimetr qalinlikdagi himoya qatlamlarini qo'llash uchun turli xil usul va texnikalardan foydalanish mumkin. Umuman olganda, qoplama jarayonlarini ikki toifaga bo'lish mumkin: (i) ho'l qoplama usullari, jumladan, elektrokaplama, elektrokaplama va issiq galvanizatsiya, va (ii) quruq qoplama usullari, jumladan, lehimlash, qattiq qoplama, fizik bug' cho'ktirish (PVD), kimyoviy bug' cho'ktirish (CVD), termal purkash texnikalari va yaqinda sovuq purkash texnikalari 24 (1d-rasm).
Bioplyonkalar sirtlarga qaytarib bo'lmaydigan tarzda biriktirilgan va o'z-o'zidan ishlab chiqarilgan hujayradan tashqari polimerlar (EPS) bilan o'ralgan mikrobial jamoalar sifatida ta'riflanadi. Yuzaki yetuk bioplyonkaning shakllanishi oziq-ovqat mahsulotlarini qayta ishlash, suv tizimlari va sog'liqni saqlash kabi ko'plab sohalarda katta yo'qotishlarga olib kelishi mumkin. Odamlarda bioplyonkalarning shakllanishi bilan mikrobial infeksiyalarning 80% dan ortig'ini (shu jumladan Enterobacteriaceae va Staphylococci) davolash qiyin. Bundan tashqari, yetuk bioplyonkalar planktonik bakterial hujayralarga qaraganda antibiotiklar bilan davolashga 1000 baravar ko'proq chidamli ekanligi haqida xabar berilgan, bu esa katta terapevtik muammo hisoblanadi. Tarixan, keng tarqalgan organik birikmalardan olingan antimikrob sirt qoplama materiallari ishlatilgan. Bunday materiallar ko'pincha odamlar uchun zararli bo'lishi mumkin bo'lgan zaharli komponentlarni o'z ichiga olsa-da,25,26 bu bakteriyalar yuqishi va materialning parchalanishining oldini olishga yordam beradi.
Bioplyonka hosil bo'lishi tufayli antibiotiklar bilan davolashga bakteriyalarning keng tarqalgan qarshiligi xavfsiz qo'llanilishi mumkin bo'lgan samarali antimikrob membranali qoplamali sirtni yaratish zaruratiga olib keldi27. Bakterial hujayralar yopishishi tufayli bioplyonkalarga bog'lana olmaydigan va hosil qila olmaydigan fizik yoki kimyoviy anti-yopishqoq sirtni ishlab chiqish bu jarayonning birinchi yondashuvidir27. Ikkinchi texnologiya antimikrob kimyoviy moddalarni kerakli joyga, yuqori konsentratsiyalangan va moslashtirilgan miqdorda yetkazib beradigan qoplamalarni ishlab chiqishdir. Bunga bakteriyalarga chidamli grafen/germaniy28, qora olmos29 va ZnO30 bilan lehimlangan olmosga o'xshash uglerod qoplamalari kabi noyob qoplama materiallarini ishlab chiqish orqali erishiladi, bu texnologiya bioplyonka hosil bo'lishi tufayli toksiklik va qarshilikning rivojlanishini maksimal darajada oshiradi. Bundan tashqari, bakterial ifloslanishdan uzoq muddatli himoya ta'minlaydigan germitsid kimyoviy moddalarni o'z ichiga olgan qoplamalar tobora ommalashib bormoqda. Uchala protsedura ham qoplangan sirtlarga antimikrob ta'sir ko'rsatishga qodir bo'lsa-da, ularning har biri qo'llash strategiyasini ishlab chiqishda e'tiborga olinishi kerak bo'lgan o'ziga xos cheklovlarga ega.
Hozirgi bozorda mavjud bo'lgan mahsulotlar biologik faol moddalar uchun himoya qoplamalarini tahlil qilish va sinovdan o'tkazish uchun vaqt yetishmasligi tufayli qiyinchiliklarga duch kelmoqda. Kompaniyalar o'z mahsulotlari foydalanuvchilarga kerakli funktsional jihatlarni taqdim etishini da'vo qilmoqdalar, ammo bu bozorda mavjud bo'lgan mahsulotlarning muvaffaqiyatiga to'sqinlik qilmoqda. Kumushdan olingan birikmalar iste'molchilar uchun mavjud bo'lgan antimikroblarning aksariyat qismida qo'llaniladi. Ushbu mahsulotlar foydalanuvchilarni mikroorganizmlarning potentsial zararli ta'siridan himoya qilish uchun mo'ljallangan. Kumush birikmalarining kechiktirilgan antimikrob ta'siri va unga bog'liq toksikligi tadqiqotchilarga kamroq zararli alternativani ishlab chiqish bosimini oshiradi36,37. Ichkaridan ham, tashqaridan ham ishlaydigan global antimikrob qoplamasini yaratish qiyinchilik bo'lib qolmoqda. Bu sog'liq va xavfsizlik bilan bog'liq xavflar bilan birga keladi. Odamlar uchun kamroq zararli bo'lgan antimikrob agentini kashf etish va uni uzoqroq saqlash muddati bilan qoplama substratlariga qanday kiritishni aniqlash juda ko'p talab qilinadigan maqsaddir38. Eng so'nggi antimikrob va antibioplyonka materiallari bakteriyalarni yaqin masofada, to'g'ridan-to'g'ri aloqa orqali yoki faol agent chiqarilgandan keyin o'ldirish uchun mo'ljallangan. Ular buni dastlabki bakteriyalarning yopishishini inhibe qilish (shu jumladan, sirtda oqsil qatlami hosil bo'lishining oldini olish) yoki hujayra devoriga aralashish orqali bakteriyalarni o'ldirish orqali amalga oshirishlari mumkin.
Asosan, sirt qoplamasi - bu sirt xususiyatlarini yaxshilash uchun komponent yuzasiga yana bir qatlamni qo'llash jarayoni. Sirt qoplamasining maqsadi komponentning sirtga yaqin qismining mikrotuzilmasini va/yoki tarkibini o'zgartirishdir39. Sirt qoplamasi usullarini turli usullarga bo'lish mumkin, ular 2a-rasmda umumlashtirilgan. Qoplamani yaratish uchun ishlatiladigan usulga qarab, qoplamalarni termal, kimyoviy, fizik va elektrokimyoviy toifalarga bo'lish mumkin.
(a) Asosiy sirt ishlab chiqarish texnikasini ko'rsatuvchi qo'shimcha va (b) sovuq purkash usulining tanlangan afzalliklari va kamchiliklari.
Sovuq purkash texnologiyasi an'anaviy termal purkash texnikalari bilan ko'p umumiylikka ega. Biroq, sovuq purkash jarayoni va sovuq purkash materiallarini ayniqsa noyob qiladigan ba'zi asosiy fundamental xususiyatlar ham mavjud. Sovuq purkash texnologiyasi hali boshlang'ich bosqichda, ammo uning kelajagi katta. Ba'zi hollarda, sovuq purkashning noyob xususiyatlari katta foyda keltiradi va an'anaviy termal purkash texnikalarining cheklovlarini bartaraf etadi. U an'anaviy termal purkash texnologiyasining muhim cheklovlarini bartaraf etadi, bunda kukun substratga cho'ktirish uchun eritilishi kerak. Shubhasiz, bu an'anaviy qoplama jarayoni nanokristallar, nanopartikullar, amorf va metall oynalar kabi juda haroratga sezgir materiallar uchun mos emas40, 41, 42. Bundan tashqari, termal purkash qoplama materiallari har doim yuqori darajadagi g'ovaklik va oksidlarga ega. Sovuq purkash texnologiyasi termal purkash texnologiyasiga nisbatan ko'plab muhim afzalliklarga ega, masalan: (i) substratga minimal issiqlik kirishi, (ii) substrat qoplamasini tanlashda moslashuvchanlik, (iii) fazaviy o'zgarish va don o'sishi yo'qligi, (iv) yuqori yopishqoqlik kuchi1 .39 (2b-rasm). Bundan tashqari, sovuq purkash qoplama materiallari yuqori korroziyaga chidamlilik, yuqori mustahkamlik va qattiqlik, yuqori elektr o'tkazuvchanligi va yuqori zichlikka ega41. Sovuq purkash jarayonining afzalliklariga qaramay, bu usul hali ham ba'zi kamchiliklarga ega, bu 2b-rasmda ko'rsatilgan. Al2O3, TiO2, ZrO2, WC va boshqalar kabi sof keramik kukunlarni qoplashda sovuq purkash usulidan foydalanib bo'lmaydi. Boshqa tomondan, keramik/metall kompozit kukunlari qoplamalar uchun xom ashyo sifatida ishlatilishi mumkin. Xuddi shu narsa boshqa termal purkash usullariga ham tegishli. Qiyin yuzalar va quvurlar ichki qismlarini purkash hali ham qiyin.
Ushbu ish metall shishasimon kukunlarni qoplamalar uchun boshlang'ich material sifatida ishlatishga qaratilganligini hisobga olsak, an'anaviy termal purkashni bu maqsadda qo'llash mumkin emasligi aniq. Buning sababi metall shishasimon kukunlarning yuqori haroratlarda kristallanishi1 bilan bog'liq.
Tibbiyot va oziq-ovqat sanoatida ishlatiladigan asboblarning aksariyati jarrohlik asboblarini ishlab chiqarish uchun xrom miqdori 12 dan 20% gacha bo'lgan ostenitik zanglamaydigan po'lat qotishmalaridan (SUS316 va SUS304) tayyorlanadi. Po'lat qotishmalarida qotishma elementi sifatida xrom metallidan foydalanish standart po'lat qotishmalarining korroziyaga chidamliligini sezilarli darajada oshirishi mumkinligi odatda qabul qilinadi. Zanglamaydigan po'lat qotishmalari, yuqori korroziyaga chidamliligiga qaramay, sezilarli antimikrob xususiyatlarga ega emas38,39. Bu ularning yuqori korroziyaga chidamliligi bilan farq qiladi. Shundan so'ng, asosan zanglamaydigan po'lat biomateriallar yuzasida bakteriyalarning yopishishi va kolonizatsiyasi tufayli yuzaga keladigan infeksiya va yallig'lanishning rivojlanishini bashorat qilish mumkin. Bakterial yopishish va bioplyonka hosil bo'lish yo'llari bilan bog'liq jiddiy qiyinchiliklar tufayli jiddiy qiyinchiliklar paydo bo'lishi mumkin, bu esa sog'liqning yomonlashishiga olib kelishi mumkin, bu esa inson salomatligiga bevosita yoki bilvosita ta'sir qilishi mumkin bo'lgan ko'plab oqibatlarga olib kelishi mumkin.
Ushbu tadqiqot Quvayt Fanni Rivojlantirish Jamg'armasi (KFAS) tomonidan moliyalashtiriladigan, 2010-550401-sonli shartnoma asosida amalga oshirilgan, MA texnologiyasidan foydalangan holda metall shishasimon Cu-Zr-Ni uchlamchi kukunlarini ishlab chiqarish imkoniyatini o'rganish bo'yicha loyihaning birinchi bosqichidir (jadval). 1) SUS304 antibakterial sirt himoya plyonkasi/qoplamini ishlab chiqarish uchun. Loyihaning 2023-yil yanvar oyida boshlanishi rejalashtirilgan ikkinchi bosqichida galvanik korroziya xususiyatlari va tizimning mexanik xususiyatlari batafsil o'rganiladi. Turli xil bakteriyalar uchun batafsil mikrobiologik testlar o'tkaziladi.
Ushbu maqolada morfologik va strukturaviy xususiyatlarga asoslangan holda Zr qotishmasi miqdorining shisha hosil qilish qobiliyatiga (GFA) ta'siri muhokama qilinadi. Bundan tashqari, kukun bilan qoplangan metall shisha/SUS304 kompozitining antibakterial xususiyatlari ham muhokama qilindi. Bundan tashqari, tayyorlangan metall shisha tizimlarining o'ta sovutilgan suyuqlik mintaqasida sovuq purkash paytida metall shisha kukunlarining strukturaviy o'zgarishi ehtimolini o'rganish bo'yicha doimiy ishlar olib borildi. Ushbu tadqiqotda Cu50Zr30Ni20 va Cu50Zr20Ni30 metall shisha qotishmalari namunalar sifatida ishlatilgan.
Ushbu bo'limda kam energiyali sharli frezalash jarayonida elementar Cu, Zr va Ni kukunlaridagi morfologik o'zgarishlar keltirilgan. Cu50Zr20Ni30 va Cu50Zr40Ni10 dan iborat ikkita turli tizimlar misollar sifatida ishlatiladi. MA jarayonini uchta alohida bosqichga bo'lish mumkin, bu maydalash bosqichida olingan kukunning metallografik tavsifidan dalolat beradi (3-rasm).
Sharsimon maydalashning turli bosqichlaridan so'ng olingan mexanik qotishmalar kukunlarining (MA) metallografik xususiyatlari. 3, 12 va 50 soat davomida kam energiyali sharsimon maydalashdan so'ng olingan MA va Cu50Zr40Ni10 kukunlarining dala emissiyasini skanerlash elektron mikroskopiyasi (FE-SEM) tasvirlari Cu50Zr20Ni30 tizimi uchun, xuddi shu MA da bo'lganida (a), (c) va (e) da ko'rsatilgan. Vaqt o'tishi bilan olingan Cu50Zr40Ni10 tizimining mos keladigan tasvirlari (b), (d) va (f) da ko'rsatilgan.
Sharsimon tegirmonlash jarayonida metall kukuniga o'tkazilishi mumkin bo'lgan samarali kinetik energiya 1a-rasmda ko'rsatilgandek, bir qator parametrlar kombinatsiyasiga ta'sir qiladi. Bunga sharlar va kukunlar o'rtasidagi to'qnashuvlar, maydalash vositalari orasida yoki ular orasida qotib qolgan kukunning siljish siqilishi, tushayotgan sharlardan kelib chiqadigan zarbalar, sharsimon tegirmonning harakatlanuvchi jismlari orasidagi kukunning tortilishi natijasida yuzaga keladigan siljish va aşınma va yuklangan kultura orqali tarqaladigan tushayotgan sharlardan o'tadigan zarba to'lqini kiradi (1a-rasm). Elementarnye poroshki Cu, Zr i Ni byli silno deformirovany iz-za xolodnoy svarki na ranney stadii MA (3 ch), chto privelo k obrazovaniyu krupnyx chastits poroshka (> 1 mm v diametr). Elementar Cu, Zr va Ni kukunlari MA ning dastlabki bosqichida (3 soat) sovuq payvandlash natijasida jiddiy deformatsiyaga uchradi, bu esa katta kukun zarrachalarining (diametri > 1 mm) hosil bo'lishiga olib keldi.Bu yirik kompozit zarrachalar qotishma elementlarning (Cu, Zr, Ni) qalin qatlamlarining hosil bo'lishi bilan tavsiflanadi, bu 3a, b-rasmlarda ko'rsatilgan. MA vaqtining 12 soatgacha (oraliq bosqich) oshishi shar tegirmonining kinetik energiyasining oshishiga olib keldi, bu esa kompozit kukunning kichikroq kukunlarga (200 mkm dan kam) parchalanishiga olib keldi, bu 3c-rasm, shaharda ko'rsatilgan. Ushbu bosqichda qo'llaniladigan siljish kuchi 3c, d-rasmlarda ko'rsatilgandek, yupqa Cu, Zr, Ni uchi qatlamlari bo'lgan yangi metall yuzasining hosil bo'lishiga olib keladi. Parchalar chegarasida qatlamlarni maydalash natijasida yangi fazalar hosil bo'lishi bilan qattiq fazali reaksiyalar sodir bo'ladi.
MA jarayonining avj nuqtasida (50 soatdan keyin), parcha metallografiyasi deyarli sezilmadi (3e-rasm, f) va kukunning sayqallangan yuzasida oyna metallografiyasi kuzatildi. Bu MA jarayoni yakunlanganini va bitta reaksiya fazasi yaratilganligini anglatadi. 3e-rasmlarda (I, II, III), f, v, vi) ko'rsatilgan mintaqalarning elementar tarkibi energiya dispersiyasi rentgen spektroskopiyasi (EDS) bilan birgalikda dala emissiyasini skanerlash elektron mikroskopiyasi (FE-SEM) yordamida aniqlandi. (IV).
Jadvalda 2 ta qotishma elementlarning elementar konsentratsiyasi 3e, f-rasmlarda tanlangan har bir mintaqaning umumiy massasiga nisbatan foiz sifatida ko'rsatilgan. Ushbu natijalarni 1-jadvalda keltirilgan Cu50Zr20Ni30 va Cu50Zr40Ni10 ning boshlang'ich nominal tarkibi bilan taqqoslash shuni ko'rsatadiki, bu ikkita yakuniy mahsulotning tarkibi nominal tarkibga juda yaqin. Bundan tashqari, 3e, f-rasmlarda keltirilgan mintaqalar uchun komponentlarning nisbiy qiymatlari har bir namunaning tarkibida bir mintaqadan boshqasiga sezilarli darajada yomonlashuv yoki o'zgarishni ko'rsatmaydi. Bu bir mintaqadan boshqasiga tarkibda o'zgarish yo'qligi bilan tasdiqlanadi. Bu 2-jadvalda ko'rsatilganidek, bir xil qotishma kukunlari ishlab chiqarilishini ko'rsatadi.
Cu50(Zr50-xNix) yakuniy mahsulot kukunining FE-SEM mikrograflari 4a-d-rasmda ko'rsatilgandek, 50 MA martadan keyin olingan, bu yerda x mos ravishda 10, 20, 30 va 40 at.% ga teng. Ushbu maydalash bosqichidan so'ng, kukun agregatlari van der Waals effekti tufayli hosil bo'ladi, bu esa 4-rasmda ko'rsatilgandek, diametri 73 dan 126 nm gacha bo'lgan ultra mayda zarrachalardan tashkil topgan yirik agregatlarning hosil bo'lishiga olib keladi.
50 soatlik MA dan keyin olingan Cu50(Zr50-xNix) kukunlarining morfologik xususiyatlari. Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40 tizimlari uchun 50 MA dan keyin olingan kukunlarning FE-SEM tasvirlari mos ravishda (a), (b), (c) va (d) da ko'rsatilgan.
Kukunlarni sovuq purkagichga yuklashdan oldin, ular avval analitik sinf etanolida 15 daqiqa davomida ultratovush bilan ishlov berildi va keyin 150°C da 2 soat davomida quritildi. Qoplama jarayonida ko'pincha jiddiy muammolarga olib keladigan aglomeratsiyaga qarshi muvaffaqiyatli kurashish uchun bu qadam qo'yilishi kerak. MA jarayoni tugagandan so'ng, qotishma kukunlarining bir xilligini o'rganish uchun qo'shimcha tadqiqotlar o'tkazildi. 5a–d-rasmda mos ravishda 50 soatlik M vaqtidan keyin olingan Cu50Zr30Ni20 qotishmasining Cu, Zr va Ni qotishma elementlarining FE-SEM mikrograflari va tegishli EDS tasvirlari ko'rsatilgan. Shuni ta'kidlash kerakki, ushbu bosqichdan so'ng olingan qotishma kukunlari bir xil, chunki ular 5-rasmda ko'rsatilganidek, subnanometr darajasidan tashqarida hech qanday tarkib tebranishlarini ko'rsatmaydi.
FE-SEM/Energiya Dispersiyasi X-Nurlari Spektroskopiyasi (EDS) yordamida 50 MA dan keyin olingan MG Cu50Zr30Ni20 kukunidagi elementlarning morfologiyasi va mahalliy tarqalishi. (a) (b) Cu-Kα, (c) Zr-Lα va (d) Ni-Kα ning SEM va rentgen EDS tasviri.
50 soatlik MA dan keyin olingan mexanik qotishmali Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30 va Cu50Zr20Ni30 kukunlarining rentgen difraksiyasi naqshlari mos ravishda 6a–d-rasmlarda ko'rsatilgan. Ushbu maydalash bosqichidan so'ng, turli Zr konsentratsiyalariga ega bo'lgan barcha namunalar 6-rasmda ko'rsatilgan xarakterli halo diffuziya naqshlariga ega amorf tuzilishga ega edi.
Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c) va Cu50Zr20Ni30 (d) kukunlarining 50 soat davomida MA dan keyin rentgen difraksiyasi naqshlari. Barcha namunalarda istisnosiz halo-diffuziya naqshlari kuzatildi, bu amorf fazaning hosil bo'lishini ko'rsatadi.
Yuqori aniqlikdagi maydon emissiyasi uzatish elektron mikroskopiyasi (FE-HRTEM) turli MA vaqtlarida sharsimon frezalash natijasida hosil bo'lgan kukunlarning strukturaviy o'zgarishlarini kuzatish va mahalliy tuzilishini tushunish uchun ishlatilgan. Cu50Zr30Ni20 va Cu50Zr40Ni10 kukunlarini maydalashning dastlabki (6 soat) va oraliq (18 soat) bosqichlaridan so'ng FE-HRTEM usuli bilan olingan kukunlarning tasvirlari mos ravishda 7a-rasmda ko'rsatilgan. 6 soat MA dan keyin olingan kukunning yorqin maydon tasviriga (BFI) ko'ra, kukun fcc-Cu, hcp-Zr va fcc-Ni elementlarining aniq belgilangan chegaralariga ega bo'lgan yirik donalardan iborat bo'lib, 7a-rasmda ko'rsatilganidek, reaksiya fazasining shakllanish belgilari yo'q. Bundan tashqari, o'rta mintaqadan (a) olingan korrelyatsiyalangan tanlangan maydon difraksiyasi naqshi (SADP) katta kristallitlarning mavjudligini va reaktiv fazaning yo'qligini ko'rsatuvchi o'tkir difraksiyasi naqshini (7b-rasm) aniqladi.
Dastlabki (6 soat) va oraliq (18 soat) bosqichlardan so'ng olingan MA kukunining mahalliy strukturaviy xususiyatlari. (a) Yuqori aniqlikdagi maydon emissiya uzatish elektron mikroskopiyasi (FE-HRTEM) va (b) 6 soat davomida MA bilan ishlov berilgandan so'ng Cu50Zr30Ni20 kukunining mos keladigan tanlangan maydon difraktogrammasi (SADP). 18 soatlik MA dan so'ng olingan Cu50Zr40Ni10 ning FE-HRTEM tasviri (c) da ko'rsatilgan.
7c-rasmda ko'rsatilganidek, MA davomiyligining 18 soatgacha oshishi plastik deformatsiya bilan birgalikda jiddiy panjara nuqsonlariga olib keldi. MA jarayonining ushbu oraliq bosqichida kukunda turli xil nuqsonlar, jumladan, ustma-ust tushish yoriqlari, panjara nuqsonlari va nuqta nuqsonlari paydo bo'ladi (7-rasm). Bu nuqsonlar don chegaralari bo'ylab yirik donalarning 20 nm dan kichikroq subdonalarga parchalanishiga olib keladi (7c-rasm).
36 soatlik MA davomida maydalangan Cu50Z30Ni20 kukunining mahalliy tuzilishi 8a-rasmda ko'rsatilgandek, amorf yupqa matritsaga joylashtirilgan ultra yupqa nanodonchalar hosil bo'lishi bilan tavsiflanadi. EMFning mahalliy tahlili shuni ko'rsatdiki, 8a-rasmda ko'rsatilgan nanoklasterlar ishlov berilmagan Cu, Zr va Ni kukuni qotishmalari bilan bog'liq. Matritsadagi Cu miqdori ~32 at.% dan (kambag'al zona) ~74 at.% gacha (boy zona) o'zgarib turdi, bu esa heterojen mahsulotlarning hosil bo'lishini ko'rsatadi. Bundan tashqari, ushbu bosqichda maydalangandan so'ng olingan kukunlarning mos keladigan SADPlari 8b-rasmda ko'rsatilgandek, ushbu ishlov berilmagan qotishma elementlari bilan bog'liq o'tkir uchlar bilan bir xil bo'lgan birlamchi va ikkilamchi halo-diffuziya amorf faza halqalarini ko'rsatadi.
Beyond 36 h-Cu50Zr30Ni20 kukunining nanoskalali mahalliy strukturaviy xususiyatlari. (a) Yorqin maydon tasviri (BFI) va mos keladigan (b) 36 soatlik MA davomida frezalashdan so'ng olingan Cu50Zr30Ni20 kukunining SADPsi.
MA jarayonining oxiriga yaqin (50 soat), istisnosiz Cu50(Zr50-xNix), X, 10, 20, 30 va 40 at.% kukunlari amorf fazaning labirint morfologiyasiga ega, bu rasmda ko'rsatilgan. Har bir tarkibning mos keladigan SADSlarida na nuqta difraksiyasi, na o'tkir halqasimon naqshlar aniqlanmadi. Bu ishlov berilmagan kristalli metallning yo'qligini, balki amorf qotishma kukunining hosil bo'lishini ko'rsatadi. Halo diffuziya naqshlarini ko'rsatuvchi bu o'zaro bog'liq SADPlar ham yakuniy mahsulot materialida amorf fazalarning rivojlanishi uchun dalil sifatida ishlatilgan.
Cu50 MS tizimining (Zr50-xNix) yakuniy mahsulotining mahalliy tuzilishi. 50 soatlik MA dan so'ng olingan (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 va (d) Cu50Zr10Ni40 ning FE-HRTEM va korrelyatsiyalangan nano-nurli difraktsiya naqshlari (NBDP).
Differensial skanerlash kalorimetriyasi yordamida Cu50(Zr50-xNix) amorf tizimidagi Ni(x) tarkibiga qarab, shisha o'tish harorati (Tg), o'ta sovutilgan suyuqlik mintaqasi (ΔTx) va kristallanish harorati (Tx) ning termal barqarorligi o'rganildi. (DSC) xususiyatlari He gaz oqimida. 50 soat davomida MA dan keyin olingan Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20 va Cu50Zr10Ni40 amorf qotishmalari kukunlarining DSC egri chiziqlari mos ravishda 10a, b, e-rasmlarda ko'rsatilgan. Amorf Cu50Zr20Ni30 ning DSC egri chizig'i esa 10-asrda alohida ko'rsatilgan. Shu bilan birga, DSC da ~700°C gacha qizdirilgan Cu50Zr30Ni20 namunasi 10g-rasmda ko'rsatilgan.
50 soat davomida MA dan keyin olingan Cu50(Zr50-xNix) MG kukunlarining termal barqarorligi shisha o'tish harorati (Tg), kristallanish harorati (Tx) va o'ta sovutilgan suyuqlik mintaqasi (ΔTx) bilan aniqlanadi. 50 soat davomida MA dan keyin Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c) va (e) Cu50Zr10Ni40 MG qotishma kukunlarining differentsial skanerlash kalorimetri (DSC) kukunlarining termogrammalari. DSC da ~700°C gacha qizdirilgan Cu50Zr30Ni20 namunasining rentgen difraksiyasi naqshi (XRD) (d) da ko'rsatilgan.
10-rasmda ko'rsatilgandek, turli nikel konsentratsiyalariga (x) ega bo'lgan barcha tarkiblar uchun DSC egri chiziqlari ikkita turli holatni ko'rsatadi, biri endotermik, ikkinchisi esa ekzotermik. Birinchi endotermik hodisa Tg ga, ikkinchisi esa Tx bilan bog'liq. Tg va Tx o'rtasida mavjud bo'lgan gorizontal oraliq maydoni subsovutilgan suyuqlik maydoni (ΔTx = Tx – Tg) deb ataladi. Natijalar shuni ko'rsatadiki, 526°C va 612°C haroratda joylashtirilgan Cu50Zr40Ni10 namunasining (10a-rasm) Tg va Tx Ni miqdorining (x) oshishi bilan (x) tarkibini mos ravishda 482°C va 563°C past harorat tomoniga % da 20 ga siljitadi. °C, 10b-rasmda ko'rsatilgandek. Natijada, Cu50Zr30Ni20 uchun ΔTx Cu50Zr40Ni10 86°C dan (10a-rasm) 81°C gacha pasayadi (10b-rasm). MC Cu50Zr40Ni10 qotishmasi uchun Tg, Tx va ΔTx qiymatlarining 447°C, 526°C va 79°C darajalariga pasayishi ham kuzatildi (10b-rasm). Bu Ni miqdorining oshishi MS qotishmasining termal barqarorligining pasayishiga olib kelishini ko'rsatadi. Aksincha, MC Cu50Zr20Ni30 qotishmasining Tg (507 °C) qiymati MC Cu50Zr40Ni10 qotishmasining qiymatidan pastroq; shunga qaramay, uning Tx qiymati unga (612 °C) o'xshash qiymatni ko'rsatadi. Shuning uchun, ΔTx 10-rasmda ko'rsatilgandek yuqori qiymatga (87 °C) ega.
Misol tariqasida Cu50Zr20Ni30 MC qotishmasidan foydalangan holda Cu50(Zr50-xNix) MC tizimi o'tkir ekzotermik cho'qqi orqali fcc-ZrCu5, ortorombik-Zr7Cu10 va ortorombik-ZrNi kristalli fazalariga kristallanadi (10c-rasm). Amorfdan kristallga bu fazaviy o'tish DSCda 700 °C gacha qizdirilgan MG namunasining rentgen difraksiya tahlili bilan tasdiqlandi (10d-rasm).
11-rasmda ushbu ishda amalga oshirilgan sovuq purkash jarayonida olingan fotosuratlar ko'rsatilgan. Ushbu tadqiqotda 50 soat davomida MA dan keyin sintezlangan metall shishasimon kukun zarralari (misol sifatida Cu50Zr20Ni30 dan foydalanilgan) antibakterial xom ashyo sifatida ishlatilgan va zanglamaydigan po'latdan yasalgan plastinka (SUS304) sovuq purkash bilan qoplangan. Sovuq purkash usuli termal purkash texnologiyalari seriyasida qoplama uchun tanlangan, chunki u amorf va nanokristal kukunlari kabi metall metastabil issiqlikka sezgir materiallar uchun ishlatilishi mumkin bo'lgan termal purkash texnologiyalari seriyasidagi eng samarali usuldir. Fazali o'tishlarga bog'liq emas. Bu usulni tanlashda asosiy omil hisoblanadi. Sovuq cho'ktirish jarayoni zarrachalarning kinetik energiyasini substrat yoki ilgari cho'ktirilgan zarrachalar bilan zarbada plastik deformatsiyaga, deformatsiyaga va issiqlikka aylantiradigan yuqori tezlikdagi zarrachalar yordamida amalga oshiriladi.
Dala fotosuratlarida MG/SUS 304 ni ketma-ket besh marta 550°C da tayyorlash uchun qo'llanilgan sovuq purkash usuli ko'rsatilgan.
Zarrachalarning kinetik energiyasi, shuningdek, qoplama hosil bo'lishi paytida har bir zarrachaning impulsi plastik deformatsiya (matritsadagi birlamchi zarrachalar va zarrachalararo o'zaro ta'sirlar va zarrachalarning o'zaro ta'siri), qattiq jismlarning interstitsial tugunlari, zarrachalar orasidagi aylanish, deformatsiya va cheklovchi isitish 39 kabi mexanizmlar orqali boshqa energiya shakllariga aylantirilishi kerak. Bundan tashqari, agar kiruvchi kinetik energiyaning barchasi issiqlik energiyasi va deformatsiya energiyasiga aylantirilmasa, natijada elastik to'qnashuv bo'ladi, ya'ni zarrachalar zarbadan keyin shunchaki sakrab chiqadi. Zarracha/substrat materialiga qo'llaniladigan zarba energiyasining 90% mahalliy issiqlikka aylantirilishi qayd etilgan 40. Bundan tashqari, zarba kuchlanishi qo'llanilganda, juda qisqa vaqt ichida zarracha/substrat aloqa sohasida yuqori plastik kuchlanish tezligiga erishiladi41,42.
Plastik deformatsiya odatda energiya tarqalishi jarayoni, aniqrog'i, sirtlararo sohada issiqlik manbai sifatida qaraladi. Biroq, sirtlararo sohada haroratning oshishi odatda sirtlararo erishning paydo bo'lishi yoki atomlarning o'zaro diffuziyasining sezilarli darajada rag'batlantirilishi uchun etarli emas. Mualliflarga ma'lum bo'lgan hech bir nashrda sovuq purkash texnikasidan foydalanganda yuzaga keladigan kukun yopishishi va cho'kishiga ushbu metall shishasimon kukunlarning xususiyatlarining ta'siri o'rganilmagan.
MG Cu50Zr20Ni30 qotishma kukunining BFI ni SUS 304 substratiga yotqizilgan 12a-rasmda ko'rish mumkin (11, 12b-rasm). Rasmdan ko'rinib turibdiki, qoplangan kukunlar asl amorf tuzilishini saqlab qoladi, chunki ular hech qanday kristalli xususiyatlar yoki panjara nuqsonlarisiz nozik labirint tuzilishiga ega. Boshqa tomondan, tasvir MG bilan qoplangan kukun matritsasiga kiritilgan nanopartikullar tomonidan tasdiqlanganidek, begona fazaning mavjudligini ko'rsatadi (12a-rasm). 12c-rasmda I mintaqasi bilan bog'liq indekslangan nano-nur difraksiyasi naqshi (NBDP) ko'rsatilgan (12a-rasm). 12c-rasmda ko'rsatilganidek, NBDP amorf tuzilishning zaif halo-diffuziya naqshini namoyish etadi va kristalli katta kubik metastabil Zr2Ni fazasi va tetragonal CuO fazasiga mos keladigan o'tkir dog'lar bilan birga yashaydi. CuO ning hosil bo'lishini purkagich tabancasining uchidan SUS 304 ga ochiq havoda ovozdan yuqori oqimda harakatlanayotganda kukunning oksidlanishi bilan izohlash mumkin. Boshqa tomondan, metall shishasimon kukunlarning devitrifikatsiyasi natijasida 550°C da 30 daqiqa davomida sovuq purkash bilan ishlov berilgandan so'ng katta kubik fazalar hosil bo'ldi.
(a) (b) SUS 304 substratiga qo'yilgan MG kukunining FE-HRTEM tasviri (rasm qo'shilgan). (a) da ko'rsatilgan yumaloq belgining NBDP indeksi (c) da ko'rsatilgan.
Katta kubik Zr2Ni nanopartikullarining hosil bo'lishining ushbu potentsial mexanizmini sinab ko'rish uchun mustaqil tajriba o'tkazildi. Ushbu tajribada kukunlar atomizatordan 550°C da SUS 304 substrati yo'nalishi bo'yicha purkaldi; ammo, tavlanish effektini aniqlash uchun kukunlar SUS304 tasmasidan iloji boricha tezroq (taxminan 60 soniya) olib tashlandi. Yana bir qator tajribalar o'tkazildi, unda kukun qo'llanilgandan taxminan 180 soniya o'tgach substratdan olib tashlandi.
13a,b-rasmlarda SUS 304 substratlariga mos ravishda 60 va 180 soniya davomida surtilgan ikkita purkalgan materialning skanerlovchi uzatish elektron mikroskopiyasi (STEM) qorong'u maydon (DFI) tasvirlari ko'rsatilgan. 60 soniya davomida surtilgan kukun tasvirida morfologik tafsilotlar yo'q, bu xususiyatsizlikni ko'rsatadi (13a-rasm). Buni XRD ham tasdiqladi, bu 14a-rasmda ko'rsatilgan keng birlamchi va ikkilamchi diffraktsiya cho'qqilari bilan ko'rsatilganidek, bu kukunlarning umumiy tuzilishi amorf ekanligini ko'rsatdi. Bu metastabil/mezofaza cho'kmalarining yo'qligini ko'rsatadi, bunda kukun asl amorf tuzilishini saqlab qoladi. Aksincha, bir xil haroratda (550°C) surtilgan, ammo substratda 180 soniya davomida qoldirilgan kukun 13b-rasmdagi strelkalar bilan ko'rsatilganidek, nanosfera donalarining cho'kishini ko'rsatdi.