Nature.com saytiga tashrif buyurganingiz uchun tashakkur. Siz foydalanayotgan brauzer versiyasida CSS uchun cheklangan qo'llab-quvvatlash mavjud. Eng yaxshi tajriba uchun sizga yangilangan brauzerdan foydalanishingizni tavsiya qilamiz (yoki Internet Explorer-da moslik rejimini o'chirib qo'ying). Shu bilan birga, doimiy qo'llab-quvvatlashni ta'minlash uchun biz saytni uslublar va JavaScriptsiz namoyish qilamiz.
Bioplyonkalar surunkali infeksiyalar rivojlanishida, ayniqsa tibbiy asboblar ishtirok etganda muhim tarkibiy qism hisoblanadi. Bu muammo tibbiyot hamjamiyati uchun katta qiyinchilik tug'diradi, chunki standart antibiotiklar bioplyonkalarni juda cheklangan darajada yo'q qila oladi. Bioplyonka hosil bo'lishining oldini olish turli xil qoplama usullari va yangi materiallarning rivojlanishiga olib keldi. Bu usullar sirtlarni bioplyonka hosil bo'lishiga to'sqinlik qiladigan tarzda qoplashga qaratilgan. Metall shishasimon qotishmalar, ayniqsa mis va titan metallarini o'z ichiga olganlar, ideal antimikrobiyal qoplamalar sifatida paydo bo'ldi. 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 uchlamchi Cu-Zr-Ni dan 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 qoplamasi 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 talablariga javob beradigan yangi materiallarni ishlab chiqish va joriy etishni rag'batlantirishga muvaffaq bo'lgan, bu esa globallashgan iqtisodiyotda ishlash va reytingning yaxshilanishiga olib kelgan1. Bu har doim insonning bir mamlakat yoki mintaqadan boshqasiga sog'liqni saqlash, ta'lim, sanoat, iqtisodiyot, madaniyat va boshqa sohalarda yutuqlarga erishish uchun materiallar va ishlab chiqarish uskunalari hamda materiallar ishlab chiqarish va tavsiflash uchun dizaynlarni ishlab chiqish qobiliyatiga bog'liq bo'lib kelgan. Taraqqiyot mamlakat yoki mintaqadan qat'i nazar o'lchanadi.2 60 yil davomida materialshunos olimlar o'z vaqtlarining ko'p qismini bitta asosiy muammoga e'tibor qaratishga bag'ishladilar: yangi va zamonaviy materiallarni izlash. So'nggi tadqiqotlar mavjud materiallarning sifati va ishlashini yaxshilashga, shuningdek, butunlay yangi turdagi materiallarni sintez qilish va ixtiro qilishga qaratilgan.
Qotishma elementlarining qo'shilishi, material mikrotuzilmasining modifikatsiyasi va termal, mexanik yoki termomexanik ishlov berish texnikalarini qo'llash turli xil materiallarning mexanik, kimyoviy va fizik xususiyatlarida sezilarli yaxshilanishlarga olib keldi. Bundan tashqari, shu paytgacha misli ko'rilmagan birikmalar muvaffaqiyatli sintez qilindi. Ushbu doimiy sa'y-harakatlar natijasida yangi innovatsion materiallar oilasi paydo bo'ldi, ular birgalikda Advanced Materials2 deb nomlanadi. Nanokristalllar, nanopartikullar, nanotubalar, kvant nuqtalari, nol o'lchovli, amorf metall oynalar va yuqori entropiyali qotishmalar o'tgan asrning o'rtalaridan beri dunyoga kiritilgan ilg'or materiallarning ba'zi misollaridir. Yakuniy mahsulotda yoki uni ishlab chiqarishning oraliq bosqichlarida yuqori xususiyatlarga ega yangi qotishmalarni ishlab chiqarish va ishlab chiqishda ko'pincha muvozanatdan chiqish muammosi qo'shiladi. Muvozanatdan sezilarli darajada chetga chiqish uchun yangi ishlab chiqarish texnikalarini qo'llash natijasida metall oynalar deb nomlanuvchi metastabil qotishmalarning butunlay yangi sinfi kashf etildi.
Uning 1960-yilda Caltechdagi ishi metall qotishmalari konsepsiyasida inqilobni keltirib chiqardi, u suyuqliklarni sekundiga deyarli million daraja tezlikda tez qotib, shishasimon Au-25 at.% Si qotishmalarini sintez qildi. 4. Professor Pol Duwezning kashfiyoti nafaqat metall oynalar (MG) tarixining boshlanishini e'lon qildi, balki odamlarning metall qotishmalari haqidagi fikrlash tarzida paradigma o'zgarishiga olib keldi. MG qotishmalarini sintez qilish bo'yicha dastlabki kashshof tadqiqotlardan beri deyarli barcha metall oynalar quyidagi usullardan biri yordamida to'liq ishlab chiqarilgan; (i) eritma yoki bug'ning tez qotishi, (ii) panjaraning atomik buzilishi, (iii) sof metall elementlar orasidagi qattiq holat amorfizatsiya reaksiyalari va (iv) metastabil fazalarning qattiq holatga o'tishi.
MGlar kristallar bilan bog'liq uzoq masofali atom tartibining yo'qligi bilan ajralib turadi, bu esa kristallarning o'ziga xos xususiyati hisoblanadi. Bugungi dunyoda metall shisha sohasida katta yutuqlarga erishildi. Ular nafaqat qattiq jismlar fizikasida, balki metallurgiya, sirt kimyosi, texnologiya, biologiya va boshqa ko'plab sohalarda ham qiziqish uyg'otadigan qiziqarli xususiyatlarga ega yangi materiallardir. Ushbu yangi turdagi material qattiq metallardan farqli xususiyatlarni namoyish etadi, bu esa 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) haroratdan mustaqillik. O'tkazuvchanlik 6,7.
Mexanik qotishma (MA)1,8 nisbatan yangi usul bo'lib, birinchi marta 19839-yilda professor CC Kock va hamkasblari tomonidan joriy etilgan. Ular amorf Ni60Nb40 kukunlarini sof elementlar aralashmasini xona haroratiga juda yaqin atrof-muhit haroratida maydalash orqali tayyorladilar. Odatda, MA reaksiyasi reaktiv material kukunlarini reaktorda diffuziv bog'lash o'rtasida amalga oshiriladi, odatda zanglamaydigan po'latdan yasalgan shar tegirmoni 10 ga (1a, b-rasm). O'shandan beri, bu mexanik ravishda induktsiyalangan qattiq holat reaksiya texnikasi past (1c-rasm) va yuqori energiyali shar tegirmonlari, shuningdek, sterjen tegirmonlari 11,12,13,14,15, 16 dan foydalangan holda yangi amorf/metall shisha qotishma kukunlarini tayyorlash uchun ishlatilgan. Xususan, bu usul Cu-Ta17 kabi aralashmaydigan tizimlarni, shuningdek, an'anaviy tayyorlash yo'llari yordamida olinmaydigan Al-o'tish metall tizimlari (TM; Zr, Hf, Nb va Ta) 18,19 va Fe-W20 kabi yuqori erish nuqtasi qotishmalarini tayyorlash uchun ishlatilgan. Bundan tashqari, MA metall oksidlari, karbidlar, nitridlar, gidridlar, uglerod nanotubalarining sanoat miqyosidagi nanokristalli va nanokompozit kukun zarralarini tayyorlash uchun eng kuchli nanotexnologiya vositalaridan biri hisoblanadi. nanodiamonds, shuningdek, yuqoridan pastga yondashuv 1 va metastabil bosqichlar orqali keng stabilizatsiya.
Ushbu tadqiqotda Cu50(Zr50−xNix) metall shisha (MG) qoplamasi/SUS 304 ni tayyorlash uchun ishlatiladigan ishlab chiqarish usulini ko'rsatuvchi sxema.(a) Kam energiyali sharli frezalash texnikasidan foydalangan holda turli Ni konsentratsiyalari x (x; 10, 20, 30 va 40 at.%) bo'lgan MG 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 shar harakatini ko'rsatuvchi silliqlash idishining shaffof modeli. 50 soatdan keyin olingan kukunning yakuniy mahsuloti sovuq purkash usuli yordamida SUS 304 substratini 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 qarshiligi, oksidlanish va korroziyaga chidamlilik, ishqalanish koeffitsienti, bioinertlik, elektr xususiyatlari va issiqlik izolyatsiyasi kiradi. Sirt sifati metallurgiya, mexanik yoki kimyoviy usullar yordamida yaxshilanishi mumkin. Ma'lum jarayon sifatida qoplama shunchaki boshqa materialdan tayyorlangan ommaviy buyum (substrat) yuzasiga sun'iy ravishda qo'yilgan bitta yoki bir nechta material qatlami sifatida ta'riflanadi. 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 yoki hatto bir necha millimetrdan qalinlikdagi mos sirt himoya qatlamlarini qo'llash uchun ko'plab usul va texnikalar qo'llanilishi mumkin. Umuman olganda, qoplama jarayonlarini ikki toifaga bo'lish mumkin: (i) elektrokaplama, elektrolitsiz qoplama va issiq galvanizatsiya usullarini o'z ichiga olgan nam qoplama usullari va (ii) quruq qoplama usullari, jumladan, payvandlash, sirt qoplamasi, fizik bug' cho'ktirish (PVD), kimyoviy bug' cho'ktirish (CVD), termal purkash texnikalari va yaqinda sovuq purkash texnikalari 24 (1d-rasm).
Biofilmlar 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 biofilm hosil bo'lishi oziq-ovqat sanoati, suv tizimlari va sog'liqni saqlash muhiti kabi ko'plab sanoat tarmoqlarida katta yo'qotishlarga olib kelishi mumkin. Odamlarda biofilmlar hosil bo'lganda, mikrobial infeksiyalarning 80% dan ortig'ini (shu jumladan Enterobacteriaceae va Staphylococci) davolash qiyin. Bundan tashqari, yetuk biofilmlar planktonik bakterial hujayralarga qaraganda antibiotiklar bilan davolashga 1000 baravar ko'proq chidamli ekanligi haqida xabar berilgan, bu esa katta terapevtik muammo hisoblanadi. An'anaviy organik birikmalardan olingan antimikrob sirt qoplama materiallari tarixan ishlatilgan. Garchi bunday materiallar ko'pincha odamlar uchun xavfli bo'lgan zaharli komponentlarni o'z ichiga olsa-da,25,26 bu bakteriyalar yuqishi va materiallarning yo'q qilinishining oldini olishga yordam berishi mumkin.
Bioplyonka hosil bo'lishi tufayli bakteriyalarning antibiotiklarga keng tarqalgan qarshiligi xavfsiz qo'llanilishi mumkin bo'lgan samarali antimikrobiyal membrana bilan qoplangan sirtni yaratish zaruratiga olib keldi27. Bakterial hujayralarning yopishishi tufayli bioplyonkalarni bog'lashi va hosil qilishiga to'sqinlik qiladigan fizik yoki kimyoviy antiadherent sirtni ishlab chiqish bu jarayonning birinchi yondashuvidir27. Ikkinchi texnologiya antimikrobiyal kimyoviy moddalarni kerakli joyga, yuqori konsentratsiyalangan va moslashtirilgan miqdorda yetkazib berish imkonini beruvchi qoplamalarni ishlab chiqishdir. Bunga bakteriyalarga chidamli grafen/germaniy28, qora olmos29 va ZnO bilan lehimlangan olmosga o'xshash uglerod qoplamalari30 kabi noyob qoplama materiallarini ishlab chiqish orqali erishiladi, bu texnologiya bioplyonka hosil bo'lishi tufayli toksiklik va qarshilik rivojlanishini sezilarli darajada kamaytiradi. Bundan tashqari, bakterial ifloslanishdan uzoq muddatli himoya qilish uchun sirtlarga germitsid kimyoviy moddalarni qo'shadigan qoplamalar tobora ommalashib bormoqda. Uchala protsedura ham qoplangan sirtlarga antimikrobiyal ta'sir ko'rsatishga qodir bo'lsa-da, ularning har biri qo'llash strategiyalarini ishlab chiqishda e'tiborga olinishi kerak bo'lgan o'z cheklovlariga ega.
Hozirgi kunda bozorda mavjud bo'lgan mahsulotlar biologik faol moddalar uchun himoya qoplamalarini tahlil qilish va sinovdan o'tkazish uchun vaqt yetarli emasligi sababli 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 qildi. Kumushdan olingan birikmalar iste'molchilar uchun mavjud bo'lgan antimikrobiyal terapiyalarning aksariyat qismida qo'llaniladi. Ushbu mahsulotlar foydalanuvchilarni mikroorganizmlarning potentsial xavfli ta'siridan himoya qilish uchun ishlab chiqilgan. Kumush birikmalarining kechiktirilgan antimikrobiyal ta'siri va unga bog'liq toksikligi tadqiqotchilarga kamroq zararli alternativani ishlab chiqish bosimini oshiradi36,37. Uy ichida va tashqarida ishlaydigan global antimikrobiyal qoplamani yaratish hali ham qiyin vazifa bo'lib qolmoqda. Buning sababi sog'liq va xavfsizlik uchun bog'liq xavflardir. Odamlar uchun kamroq zararli bo'lgan antimikrobiyal agentni kashf etish va uni uzoqroq saqlash muddati bilan qoplama substratlariga qanday kiritishni aniqlash juda talab qilinadigan maqsaddir38. Eng so'nggi antimikrobiyal 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 qatlamining shakllanishiga qarshi turish) yoki hujayra devoriga aralashish orqali bakteriyalarni o'ldirish orqali amalga oshirishlari mumkin.
Asosan, sirt qoplamasi - bu sirtga bog'liq xususiyatlarni yaxshilash uchun komponent yuzasiga yana bir qatlam qo'yish jarayoni. Sirt qoplamasining maqsadi komponentning sirtga yaqin qismining mikrotuzilmasini va/yoki tarkibini moslashtirishdir39. Sirt qoplamasi texnikasini 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) Sirt uchun ishlatiladigan asosiy ishlab chiqarish texnikalari va (b) sovuq purkash texnikasining tanlangan afzalliklari va kamchiliklari ko'rsatilgan qo'shimcha.
Sovuq purkash texnologiyasi an'anaviy termal purkash usullari bilan ko'plab o'xshashliklarga 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 yorqin kelajakka ega. Muayyan qo'llanmalarda sovuq purkashning noyob xususiyatlari katta foyda keltiradi va odatiy termal purkash usullarining ichki cheklovlarini bartaraf etadi. Bu an'anaviy termal purkash texnologiyasining muhim cheklovlarini bartaraf etish yo'lini taqdim etadi, bu vaqt ichida kukun substratga cho'kish 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 oksidlarni namoyish etadi. 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'sishining yo'qligi, (iv) yuqori bog'lanish kuchi1,39 (2b-rasm). Bundan tashqari, sovuq purkash qoplama materiallari yuqori korroziyaga ega. qarshilik, yuqori mustahkamlik va qattiqlik, yuqori elektr o'tkazuvchanligi va yuqori zichlik41. Sovuq purkash jarayonining afzalliklaridan farqli o'laroq, 2b-rasmda ko'rsatilganidek, ushbu texnikadan foydalanishning ba'zi kamchiliklari mavjud. 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 usullari uchun ham amal qiladi. Murakkab yuzalar va ichki quvur yuzalarini purkash hali ham qiyin.
Hozirgi ish metall shishasimon kukunlarni xom qoplama materiallari sifatida ishlatishga qaratilganligini hisobga olsak, an'anaviy termal purkash usulidan bu maqsadda foydalanib bo'lmasligi aniq. Buning sababi, metall shishasimon kukunlar yuqori haroratlarda kristallanadi1.
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, infektsiya va yallig'lanishning rivojlanishini bashorat qilish mumkin, bu asosan zanglamaydigan po'lat biomateriallar yuzasida bakteriyalarning yopishishi va kolonizatsiyasi tufayli yuzaga keladi. 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 loyihaning birinchi bosqichi bo'lib, u antibakterial plyonka/SUS304 sirt himoya qoplamasini ishlab chiqarish uchun MA texnologiyasidan (1-jadval) foydalangan holda metall shishasimon Cu-Zr-Ni uchlamchi kukunlarini ishlab chiqarish imkoniyatini o'rganishga qaratilgan. Loyihaning 2023-yil yanvar oyida boshlanishi rejalashtirilgan ikkinchi bosqichida tizimning elektrokimyoviy korroziya xususiyatlari va mexanik xususiyatlari batafsil o'rganiladi. Turli bakteriyalar turlari uchun batafsil mikrobiologik testlar o'tkaziladi.
Ushbu maqolada, Zr qotishma elementi tarkibining shisha hosil qilish qobiliyatiga (GFA) ta'siri morfologik va strukturaviy xususiyatlarga asoslanib muhokama qilinadi. Bundan tashqari, qoplangan metall shisha kukunli qoplamasi/SUS304 kompozitining antibakterial xususiyatlari ham muhokama qilindi. Bundan tashqari, ishlab chiqarilgan metall shisha tizimlarining subsovutiladigan suyuqlik mintaqasida sovuq purkash paytida metall shisha kukunlarining strukturaviy o'zgarishi ehtimolini o'rganish bo'yicha joriy ishlar olib borildi. Ushbu tadqiqotda namunaviy misollar sifatida Cu50Zr30Ni20 va Cu50Zr20Ni30 metall shisha qotishmalari ishlatilgan.
Ushbu bo'limda kam energiyali sharli frezalashda elementar Cu, Zr va Ni kukunlarining morfologik o'zgarishlari keltirilgan. Tasviriy misollar sifatida Cu50Zr20Ni30 va Cu50Zr40Ni10 dan iborat ikkita turli tizimlar vakillik misollari sifatida ishlatiladi. MA jarayonini uch xil bosqichga bo'lish mumkin, bu maydalash bosqichida hosil bo'lgan kukunning metallografik tavsifida ko'rsatilgan (3-rasm).
Sharsimon frezalash vaqtining turli bosqichlaridan so'ng olingan mexanik qotishma (MA) kukunlarining metallografik xususiyatlari. Cu50Zr20Ni30 tizimi uchun 3, 12 va 50 soatlik kam energiyali sharsimon frezalash vaqtlaridan so'ng olingan MA va Cu50Zr40Ni10 kukunlarining dala emissiyasini skanerlash elektron mikroskopiyasi (FE-SEM) tasvirlari (a), (c) va (e) da ko'rsatilgan, shu bilan birga Cu50Zr40Ni10 tizimining vaqt o'tishi bilan olingan mos keladigan tasvirlari (b), (d) va (f) da ko'rsatilgan.
Sharsimon frezalash jarayonida metall kukuniga o'tkazilishi mumkin bo'lgan samarali kinetik energiya 1a-rasmda ko'rsatilgandek parametrlarning kombinatsiyasiga ta'sir qiladi. Bunga sharlar va kukunlar o'rtasidagi to'qnashuvlar, maydalash vositalari orasida yoki ular orasida qotib qolgan kukunning siqilish bilan kesilishi, tushayotgan sharlarning zarbasi, harakatlanuvchi sharsimon frezalash vositalari orasidagi kukunning tortilishi natijasida siljish va aşınma va hosil yuklari orqali tarqaladigan tushayotgan sharlar orqali o'tadigan zarba to'lqini kiradi (1a-rasm). Elementar Cu, Zr va Ni kukunlari MA ning dastlabki bosqichida (3 soat) sovuq payvandlash tufayli jiddiy deformatsiyaga uchradi, natijada katta kukun zarralari (diametri >1 mm) paydo bo'ldi. Bu yirik kompozit zarralar 3a, b-rasmda ko'rsatilgandek, qotishma elementlarning (Cu, Zr, Ni) qalin qatlamlarining hosil bo'lishi bilan tavsiflanadi. MA vaqtini 12 soatgacha (oraliq bosqich) oshirish sharsimon tegirmonning kinetik energiyasining oshishiga olib keldi, natijada kompozit kukun mayda kukunlarga (200 µm dan kam) parchalandi, bu 3c, d-rasmda ko'rsatilgandek. Ushbu bosqichda qo'llaniladigan siljish kuchi 3c, d-rasmlarda ko'rsatilgandek, mayda Cu, Zr, Ni iz qatlamlari bilan yangi metall yuzasining hosil bo'lishiga olib keladi. Qatlamni tozalash natijasida yangi fazalarni hosil qilish uchun parchalar chegarasida qattiq faza reaksiyalari sodir bo'ladi.
MA jarayonining avj nuqtasida (50 soatdan keyin), qatlamli metallografiya faqat zaif ko'rinardi (3e, f-rasm), ammo kukunning sayqallangan yuzasi oyna metallografiyasini ko'rsatdi. Bu MA jarayoni yakunlanganini va bitta reaksiya fazasi yaratilganligini anglatadi. 3e-rasmda (I, II, III), f, v, vi) indekslangan mintaqalarning elementar tarkibi energiya dispersiyasi rentgen spektroskopiyasi (EDS) (IV) bilan birgalikda dala emissiyasini skanerlash elektron mikroskopiyasi (FE-SEM) yordamida aniqlandi.
2-jadvalda qotishma elementlarning elementar konsentratsiyalari 3e, f-rasmda tanlangan har bir mintaqaning umumiy og'irligiga nisbatan foiz sifatida ko'rsatilgan. Ushbu natijalarni 1-jadvalda keltirilgan Cu50Zr20Ni30 va Cu50Zr40Ni10 boshlang'ich nominal tarkibi bilan taqqoslaganda, ushbu ikkita yakuniy mahsulotning tarkibi nominal tarkiblarga juda o'xshash qiymatlarga ega ekanligini ko'rish mumkin. Bundan tashqari, 3e, f-rasmda keltirilgan mintaqalar uchun nisbiy komponent qiymatlari har bir namunaning tarkibida bir mintaqadan boshqasiga sezilarli darajada yomonlashuv yoki tebranishlarni anglatmaydi. Bu bir mintaqadan boshqasiga tarkibda hech qanday o'zgarish yo'qligi bilan tasdiqlanadi. Bu 2-jadvalda ko'rsatilganidek, bir hil qotishma kukunlari ishlab chiqarilishiga ishora qiladi.
Yakuniy mahsulot Cu50(Zr50−xNix) 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 frezalash bosqichidan so'ng, kukun agregatlari van der Waals effekti tufayli hosil bo'ladi, natijada 4-rasmda ko'rsatilgandek, diametri 73 dan 126 nm gacha bo'lgan ultra mayda zarrachalardan iborat katta agregatlar hosil bo'ladi.
50 soatlik MA vaqtidan keyin olingan Cu50(Zr50−xNix) kukunlarining morfologik xususiyatlari. Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40 tizimlari uchun 50 MA vaqtidan 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 jarayoni davomida ko'pincha ko'plab jiddiy muammolarni keltirib chiqaradigan aglomeratsiyaga qarshi muvaffaqiyatli kurashish uchun bu qadam qo'yilishi kerak. MA jarayoni tugagandan so'ng, qotishma kukunlarining bir xilligini o'rganish uchun qo'shimcha tavsiflar o'tkazildi. 5a–d-rasmda mos ravishda 50 soat M vaqtdan 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 keyin ishlab chiqarilgan qotishma kukunlari bir xil, chunki ular 5-rasmda ko'rsatilganidek, subnanometr darajasidan tashqarida hech qanday tarkibiy tebranishlarni ko'rsatmaydi.
FE-SEM/energiya dispersiyasi rentgen spektroskopiyasi (EDS) yordamida 50 MA martadan keyin olingan MG Cu50Zr30Ni20 kukunining morfologiyasi va mahalliy elementar taqsimoti.(a) (b) Cu-Kα, (c) Zr-Lα va (d) Ni-Kα tasvirlarining SEM va rentgen EDS xaritasi.
Mexanik qotishma bilan qoplangan Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30 va Cu50Zr20Ni30 kukunlarining XRD naqshlari mos ravishda 6a–d-rasmda ko'rsatilgan. Frezalashning ushbu bosqichidan so'ng, turli xil Zr konsentratsiyalariga ega barcha namunalar 6-rasmda ko'rsatilgan xarakterli halo diffuziya naqshlariga ega amorf tuzilmalarni ko'rsatdi.
(a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 va (d) Cu50Zr20Ni30 kukunlarining 50 soatlik MA vaqtidan keyin rentgen tasvirlari. Barcha namunalarda istisnosiz halo diffuziya tasviri kuzatildi, bu amorf fazaning hosil bo'lishini anglatadi.
Turli MA vaqtlarida sharsimon frezalash natijasida hosil bo'lgan kukunlarning strukturaviy o'zgarishlarini kuzatish va mahalliy tuzilishini tushunish uchun dala emissiyasi yuqori aniqlikdagi uzatish elektron mikroskopiyasi (FE-HRTEM) ishlatilgan. Cu50Zr30Ni20 va Cu50Zr40Ni10 kukunlari uchun frezalashning dastlabki (6 soat) va oraliq (18 soat) bosqichlaridan keyin olingan kukunlarning FE-HRTEM tasvirlari mos ravishda 7a, c-rasmlarda ko'rsatilgan. MA 6 soatdan keyin hosil bo'lgan kukunning yorqin maydon tasviriga (BFI) ko'ra, kukun fcc-Cu, hcp-Zr va fcc-Ni elementlarining aniq belgilangan chegaralariga ega bo'lgan katta donalardan iborat va 7a-rasmda ko'rsatilganidek, reaksiya fazasi hosil bo'lganligi haqida hech qanday belgi yo'q. Bundan tashqari, (a) ning o'rta mintaqasidan olingan korrelyatsiyalangan tanlangan maydon difraksiyasi naqshi (SADP) katta kristallitlarning mavjudligini va reaktiv fazaning yo'qligini ko'rsatuvchi cho'qqi difraksiyasi naqshini aniqladi (7b-rasm).
Dastlabki (6 soat) va oraliq (18 soat) bosqichlardan so'ng olingan MA kukunining mahalliy strukturaviy tavsifi.(a) Dala emissiyasi yuqori aniqlikdagi uzatish elektron mikroskopiyasi (FE-HRTEM) va (b) 6 soat davomida MA bilan ishlov berilgandan so'ng Cu50Zr30Ni20 kukunining mos keladigan tanlangan maydon difraksiyasi naqshi (SADP). 18 soatlik MA vaqtidan so'ng olingan Cu50Zr40Ni10 ning FE-HRTEM tasviri (c) da ko'rsatilgan.
7c-rasmda ko'rsatilgandek, MA davomiyligini 18 soatgacha uzaytirish plastik deformatsiya bilan birgalikda jiddiy panjara nuqsonlariga olib keldi. MA jarayonining ushbu oraliq bosqichida kukun turli xil nuqsonlarni, jumladan, ustma-ust tushish yoriqlarini, panjara nuqsonlarini va nuqta nuqsonlarini ko'rsatadi (7-rasm). Bu nuqsonlar yirik donalarning o'z dona chegaralari bo'ylab 20 nm dan kichik o'lchamdagi subdonalarga bo'linishiga olib keladi (7c-rasm).
36 soatlik MA vaqti davomida maydalangan Cu50Z30Ni20 kukunining mahalliy tuzilishi amorf mayda matritsaga joylashtirilgan ultra yupqa nanodonchalar hosil qiladi, bu 8a-rasmda ko'rsatilgan. Mahalliy EDS tahlili shuni ko'rsatdiki, 8a-rasmda ko'rsatilgan nanoklasterlar qayta ishlanmagan Cu, Zr va Ni kukuni qotishma elementlari bilan bog'liq edi. Shu bilan birga, matritsadagi Cu miqdori ~32 at.% (yog'siz maydon) dan ~74 at.% (boy maydon) gacha 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'rsatilganidek, xom qotishma elementlari bilan bog'liq o'tkir uchlar bilan bir-biriga mos keladigan amorf fazaning halo-diffuziyalanuvchi birlamchi va ikkilamchi halqalarini ko'rsatadi.
36 h-Cu50Zr30Ni20 kukunidan tashqari nanoskalali mahalliy strukturaviy xususiyatlar.(a) Yorqin maydon tasviri (BFI) va mos keladigan (b) 36 soatlik MA vaqti davomida frezalashdan so'ng olingan Cu50Zr30Ni20 kukunining SADPsi.
MA jarayonining oxiriga yaqin (50 soat), Cu50(Zr50−xNix), X; 10, 20, 30 va 40 at.% kukunlari 9a-d-rasmda ko'rsatilgandek, labirint amorf faza morfologiyasiga ega. Har bir tarkibning mos keladigan SADPsida na nuqtaga o'xshash diffraktsiyalar, na o'tkir halqasimon naqshlar aniqlanmadi. Bu shuni ko'rsatadiki, ishlov berilmagan kristalli metall mavjud emas, balki amorf qotishma kukuni hosil bo'ladi. Halo diffuziya naqshlarini ko'rsatadigan bu o'zaro bog'liq SADPlar ham yakuniy mahsulot materialida amorf fazalarning rivojlanishi uchun dalil sifatida ishlatilgan.
MG Cu50 (Zr50−xNix) tizimining 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).
Shisha o'tish harorati (Tg), sovutilgan suyuqlik mintaqasi (ΔTx) va kristallanish harorati (Tx) ning amorf Cu50(Zr50−xNix) tizimining Ni miqdori (x) funksiyasi sifatidagi termal barqarorligi He gaz oqimi ostida xususiyatlarning differentsial skanerlash kalorimetriyasi (DSC) yordamida o'rganildi. 50 soatlik MA vaqtidan keyin olingan Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20 va Cu50Zr10Ni40 amorf qotishma kukunlarining DSC izlari mos ravishda 10a, b, e-rasmlarda ko'rsatilgan. Amorf Cu50Zr20Ni30 ning DSC egri chizig'i 10c-rasmda alohida ko'rsatilgan. Shu bilan birga, DSC da ~700 °C gacha qizdirilgan Cu50Zr30Ni20 namunasi 10d-rasmda ko'rsatilgan.
50 soatlik MA vaqtidan keyin olingan Cu50(Zr50−xNix) MG kukunlarining termal barqarorligi, shisha o'tish harorati (Tg), kristallanish harorati (Tx) va sovutilmagan suyuqlik mintaqasi (ΔTx) bilan indekslanadi. (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 va (e) Cu50Zr10Ni40 MG qotishma kukunlarining 50 soatlik MA vaqtidan keyin differentsial skanerlash kalorimetri (DSC) termogrammalari. DSC da ~700 °C gacha qizdirilgan Cu50Zr30Ni20 namunasining rentgen difraksiya (XRD) naqshi (d) da ko'rsatilgan.
10-rasmda ko'rsatilgandek, turli Ni konsentratsiyalariga (x) ega bo'lgan barcha tarkiblarning DSC egri chiziqlari ikkita turli holatni ko'rsatadi, biri endotermik, ikkinchisi esa ekzotermik. Birinchi endotermik hodisa Tg ga mos keladi, ikkinchisi esa Tx ga bog'liq. Tg va Tx o'rtasida mavjud bo'lgan gorizontal oraliq mintaqasi subsovutilgan suyuqlik mintaqasi (ΔTx = Tx – Tg) deb ataladi. Natijalar shuni ko'rsatadiki, 526°C va 612°C da joylashgan Cu50Zr40Ni10 namunasining Tg va Tx, 10b-rasmda ko'rsatilgandek, Ni miqdori (x) oshishi bilan (x) tarkibini mos ravishda 482°C va 563°C past harorat tomoniga 20 at.% ga siljitadi. Natijada, Cu50Zr40Ni10 ning ΔTx qiymati Cu50Zr30Ni20 uchun 86 °C dan (10a-rasm) 81 °C gacha pasayadi (10a-rasm). 10b). MG Cu50Zr40Ni10 qotishmasi uchun Tg, Tx va ΔTx qiymatlari 447°C, 526°C va 79°C darajagacha pasayganligi ham kuzatildi (10b-rasm). Bu Ni miqdorining oshishi MG qotishmasining termal barqarorligining pasayishiga olib kelishini ko'rsatadi. Aksincha, MG Cu50Zr20Ni30 qotishmasining Tg qiymati (507 °C) MG Cu50Zr40Ni10 qotishmasining qiymatidan pastroq; shunga qaramay, uning Tx qiymati avvalgisiga (612 °C) o'xshash qiymatni ko'rsatadi. Shuning uchun, ΔTx 10c-rasmda ko'rsatilgandek yuqori qiymatni (87 °C) ko'rsatadi.
MG Cu50(Zr50−xNix) tizimi, MG Cu50Zr20Ni30 qotishmasini misol qilib olib, o'tkir ekzotermik cho'qqi orqali fcc-ZrCu5, ortorombik-Zr7Cu10 va ortorombik-ZrNi kristall fazalariga kristallanadi (10c-rasm). Bu amorfdan kristallga o'tish MG namunasining rentgenografiyasi bilan tasdiqlandi (10d-rasm), u DSCda 700 °C gacha qizdirildi.
11-rasmda ushbu ishda amalga oshirilgan sovuq purkash jarayonida olingan fotosuratlar ko'rsatilgan. Ushbu tadqiqotda 50 soatlik MA vaqtidan keyin sintezlangan metall shishaga o'xshash kukun zarralari (misol sifatida Cu50Zr20Ni30 ni olamiz) antibakterial xom ashyo sifatida ishlatilgan va zanglamaydigan po'lat plastinka (SUS304) sovuq purkash texnologiyasi bilan qoplangan. Sovuq purkash usuli termal purkash texnologiyalari seriyasida qoplama uchun tanlangan, chunki u termal purkash seriyasidagi eng samarali usul bo'lib, fazaviy o'tishlarga duchor bo'lmagan amorf va nanokristal kukunlari kabi metall metastabil haroratga sezgir materiallar uchun ishlatilishi mumkin. Bu usulni tanlashda asosiy omil hisoblanadi. Sovuq purkash jarayoni zarrachalarning kinetik energiyasini substrat yoki ilgari cho'ktirilgan zarrachalar bilan zarbada plastik deformatsiya, kuchlanish va issiqlikka aylantiradigan yuqori tezlikdagi zarrachalardan foydalanish orqali amalga oshiriladi.
Dala fotosuratlarida 550 °C da MG qoplamasi/SUS 304 ni ketma-ket besh marta tayyorlash uchun ishlatiladigan sovuq purkash usuli ko'rsatilgan.
Zarrachalarning kinetik energiyasi va shuning uchun qoplama hosil bo'lishidagi har bir zarrachaning impulsi plastik deformatsiya (substratdagi boshlang'ich zarracha va zarracha-zarracha o'zaro ta'siri va zarracha o'zaro ta'siri), bo'shliqlarning konsolidatsiyasi, zarracha-zarracha aylanishi, kuchlanish va oxir-oqibat issiqlik 39 kabi mexanizmlar orqali boshqa energiya shakllariga aylantirilishi kerak. Bundan tashqari, agar barcha kiruvchi kinetik energiya issiqlik va kuchlanish energiyasiga aylantirilmasa, natijada elastik to'qnashuv yuzaga keladi, ya'ni zarrachalar zarbadan keyin shunchaki orqaga qaytadi. Zarracha/substrat materialiga qo'llaniladigan zarba energiyasining 90% mahalliy issiqlikka aylantirilishi ta'kidlangan 40. Bundan tashqari, zarba kuchlanishi qo'llanilganda, kontakt zarracha/substrat mintaqasida juda qisqa vaqt ichida yuqori plastik kuchlanish tezligiga erishiladi41,42.
Plastik deformatsiya odatda energiya tarqalishi jarayoni yoki aniqrog'i, sirtlararo sohada issiqlik manbai hisoblanadi. Biroq, sirtlararo sohada haroratning oshishi odatda sirtlararo erish hosil qilish yoki atomlararo diffuziyani sezilarli darajada oshirish uchun etarli emas. Mualliflarga ma'lum bo'lgan hech bir nashrda sovuq purkash usullari qo'llanilganda yuzaga keladigan bu metall shishasimon kukunlarning xususiyatlarining kukun yopishishi va cho'kishiga ta'siri o'rganilmagan.
MG Cu50Zr20Ni30 qotishma kukunining BFI ni SUS 304 substratiga qoplangan 12a-rasmda ko'rish mumkin (11, 12b-rasmlar). 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, rasm MG bilan qoplangan kukun matritsasiga kiritilgan nanopartikullar tomonidan ko'rsatilgandek, tashqi fazaning mavjudligini ko'rsatadi (12a-rasm). 12c-rasmda I mintaqasi bilan bog'liq indekslangan nano-nur difraksiyasi naqshi (NBDP) tasvirlangan (12a-rasm). 12c-rasmda ko'rsatilganidek, NBDP amorf tuzilishning zaif halo diffuziya naqshini namoyish etadi va kristalli katta kubik Zr2Ni metastabil va tetragonal CuO fazasiga mos keladigan o'tkir dog'lar bilan birga yashaydi. CuO ning hosil bo'lishi purkagichning uchidan SUSga o'tayotganda kukunning oksidlanishi bilan bog'liq bo'lishi mumkin. 304 ochiq havoda ovozdan yuqori oqim ostida. Boshqa tomondan, metall shishasimon kukunlarning devitrifikatsiyasi 550 °C da 30 daqiqa davomida sovuq purkash bilan ishlov berilgandan so'ng katta kubik fazalarning hosil bo'lishiga erishdi.
(a) (b) SUS 304 substratiga qoplangan MG kukunining FE-HRTEM tasviri (rasmning ichki qismi). (a) da ko'rsatilgan dumaloq belgining NBDP indeksi (c) da ko'rsatilgan.
Katta kubik Zr2Ni nanopartikullarining hosil bo'lishining ushbu potentsial mexanizmini tekshirish uchun mustaqil tajriba o'tkazildi. Ushbu tajribada kukunlar purkagich tabancasidan 550 °C da SUS 304 substrati yo'nalishi bo'yicha purkaldi; ammo, kukunlarning tavlanish ta'sirini aniqlash uchun ular SUS304 tasmasidan iloji boricha tezroq (taxminan 60 soniya) olib tashlandi. Yana bir tajriba to'plami o'tkazildi, unda kukun yotqizilgandan taxminan 180 soniya o'tgach substratdan olib tashlandi.
13a, b-rasmlarda SUS 304 substratlariga mos ravishda 60 va 180 soniya davomida purkalgan ikkita materialning skanerlash orqali olingan transmissiya elektron mikroskopiyasi (STEM) orqali olingan qorong'u maydon tasvirlari (DFI) ko'rsatilgan. 60 soniya davomida purkalgan 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 maksimalari bilan ko'rsatilganidek, bu kukunlarning umumiy tuzilishi amorf ekanligini ko'rsatdi. Bular metastabil/mezofaza cho'kmasining yo'qligini ko'rsatadi, bu yerda kukun asl amorf tuzilishini saqlab qoladi. Aksincha, bir xil haroratda (550 °C) purkalgan, ammo substratda 180 soniya davomida qoldirilgan kukun, 13b-rasmdagi strelkalar bilan ko'rsatilganidek, nano o'lchamdagi donalarning cho'kmasini ko'rsatdi.