Nature.com сайтына кіргеніңіз үшін рахмет.Сіз пайдаланып жатқан шолғыш нұсқасында шектеулі CSS қолдауы бар.Ең жақсы тәжірибе үшін жаңартылған шолғышты пайдалануды ұсынамыз (немесе Internet Explorer шолғышында үйлесімділік режимін өшіріңіз).Әзірше, үздіксіз қолдауды қамтамасыз ету үшін біз сайтты стильсіз және JavaScriptсіз көрсетеміз.
Биопленкалар созылмалы инфекциялардың дамуының маңызды құрамдас бөлігі болып табылады, әсіресе медициналық құрылғыларға қатысты.Бұл мәселе медициналық қауымдастық үшін үлкен қиындық тудырады, өйткені стандартты антибиотиктер биопленкаларды өте шектеулі дәрежеде ғана жоя алады.Биопленканың пайда болуының алдын алу әртүрлі жабын әдістері мен жаңа материалдардың дамуына әкелді.Бұл әдістер беттерді биофильмнің пайда болуына жол бермейтін етіп жабуға бағытталған.Шыны тәрізді металл қорытпалары, әсіресе құрамында мыс және титан металдары бар, тамаша микробқа қарсы жабынға айналды.Сонымен қатар, температураға сезімтал материалдарды өңдеу үшін қолайлы әдіс болғандықтан, суық бүрку технологиясын қолдану артты.Бұл зерттеу мақсатының бір бөлігі механикалық легірлеу әдістерін қолдана отырып, Cu-Zr-Ni үштіктен тұратын жаңа антибактериалды қабықшалы металл әйнегін жасау болды.Соңғы өнімді құрайтын сфералық ұнтақ төменгі температурада тот баспайтын болаттан жасалған беттерді суық бүрку үшін шикізат ретінде пайдаланылады.Металл әйнекпен қапталған субстраттар тот баспайтын болатпен салыстырғанда биофильмнің түзілуін кем дегенде 1 журналға айтарлықтай азайта алды.
Адамзат тарихында кез келген қоғам өзінің нақты талаптарын қанағаттандыру үшін жаңа материалдарды енгізуді дамытып, ілгерілете алды, нәтижесінде жаһанданған экономикада өнімділік пен рейтинг жоғарылады1.Ол әрқашан адамның материалдар мен өндірістік жабдықты жобалау қабілетіне, сондай-ақ бір елден немесе аймақтан екінші елге денсаулық, білім, өнеркәсіп, экономика, мәдениет және басқа салаларға жету үшін материалдарды өндіру және сипаттау конструкцияларына жатқызылған.Прогресс елге немесе аймаққа қарамастан өлшенеді2.60 жыл бойы материалтанушылар көп уақытын бір негізгі міндетке арнады: жаңа және жетілдірілген материалдарды іздеу.Соңғы зерттеулер бар материалдардың сапасы мен өнімділігін арттыруға, сондай-ақ материалдардың мүлдем жаңа түрлерін синтездеуге және ойлап табуға бағытталған.
Легірлеуші ​​элементтерді қосу, материалдың микроқұрылымын өзгерту және термиялық, механикалық немесе термомеханикалық өңдеу әдістерін қолдану әртүрлі материалдардың механикалық, химиялық және физикалық қасиеттерінің айтарлықтай жақсаруына әкелді.Сонымен қатар, осы уақытқа дейін белгісіз қосылыстар сәтті синтезделді.Бұл табанды күш-жігер инновациялық материалдардың жаңа тобын тудырды, жалпы алғанда Advanced Materials2 деп аталады.Нанокристалдар, нанобөлшектер, нанотүтіктер, кванттық нүктелер, нөлдік өлшемді, аморфты металл шынылары және жоғары энтропиялық қорытпалар өткен ғасырдың ортасынан бері әлемде пайда болған озық материалдардың кейбір мысалдары ғана.Соңғы өнімде де, оны өндірудің аралық кезеңдерінде де қасиеттері жақсартылған жаңа қорытпаларды өндіру және әзірлеу кезінде теңгерімсіздік мәселесі жиі қосылады.Тепе-теңдіктен айтарлықтай ауытқуға мүмкіндік беретін жаңа өндіріс әдістерін енгізу нәтижесінде металдық шынылар деп аталатын метатұрақты қорытпалардың мүлдем жаңа класы ашылды.
1960 жылы Калтехтегі оның жұмысы секундына миллион градусқа жуық сұйықтықтарды тез қатаю арқылы Au-25 at.% Si шыны тәрізді қорытпаларды синтездеген кезде металл қорытпалары тұжырымдамасында төңкеріс жасады.4 Профессор Пол Дювстың ашқан жаңалығы металл көзілдірік (МС) тарихының бастауын ғана емес, сонымен қатар адамдардың метал қорытпалары туралы ойының парадигмасының өзгеруіне әкелді.MS қорытпаларының синтезіндегі ең алғашқы ізашар зерттеулерден бастап барлық дерлік металдық шынылар келесі әдістердің бірін қолдану арқылы толығымен алынды: (i) балқыманың немесе будың жылдам қатуы, (ii) атомдық тордың бұзылуы, (iii) таза металдық элементтер арасындағы қатты күйдегі аморфизация реакциялары және (iv) қатты фазалардың метаболизмге қабілетті фазалық ауысуы.
MGs кристалдармен байланысты ұзақ диапазондағы атомдық тәртіптің жоқтығымен ерекшеленеді, бұл кристалдардың анықтаушы сипаттамасы болып табылады.Қазіргі әлемде металл шыны саласында үлкен жетістіктерге қол жеткізілді.Бұл қатты дене физикасы үшін ғана емес, сонымен қатар металлургия, беттік химия, технология, биология және басқа да көптеген салалар үшін қызығушылық тудыратын қызықты қасиеттері бар жаңа материалдар.Материалдың бұл жаңа түрі қатты металдардан ерекшеленетін қасиеттерге ие, бұл оны әртүрлі салаларда технологиялық қолдану үшін қызықты үміткер етеді.Олардың кейбір маңызды қасиеттері бар: (i) жоғары механикалық икемділік және аққыштық беріктігі, (ii) жоғары магниттік өткізгіштік, (iii) төмен коэрцивтілік, (iv) әдеттен тыс коррозияға төзімділік, (v) температураға тәуелсіз.Өткізгіштік 6.7.
Механикалық легірлеу (МА)1,8 салыстырмалы түрде жаңа әдіс болып табылады, оны алғаш рет 1983 жылы профессор К.К.Кок және оның әріптестері енгізген.Олар бөлме температурасына өте жақын қоршаған орта температурасында таза элементтер қоспасын ұнтақтау арқылы аморфты Ni60Nb40 ұнтақтарын шығарды.Әдетте, МА реакциясы реактордағы реактордағы, әдетте тот баспайтын болаттан жасалған, шарикті диірменге диффузиялық байланысы арасында жүзеге асырылады.10 (1а, б-сурет).Содан бері бұл механикалық индукцияланған қатты күйдегі реакция әдісі төмен (1c-сурет) және жоғары энергиялы шар диірмендері мен штангалы диірмендерді11,12,13,14,15,16 пайдалана отырып, жаңа аморфты/металл шыны қорытпасын ұнтақтарды дайындау үшін қолданылды.Атап айтқанда, бұл әдіс Cu-Ta17 сияқты араласпайтын жүйелерді, сондай-ақ Al-өтпелі металл (TM, Zr, Hf, Nb және Ta) 18,19 және Fe-W20 жүйелері сияқты балқу температурасы жоғары қорытпаларды дайындау үшін қолданылған., оны әдеттегі пісіру әдістерімен алу мүмкін емес.Сонымен қатар, MA металл оксидтерінің, карбидтердің, нитридтердің, гидридтердің, көміртекті нанотүтіктердің, наноалмаздардың нанокристалды және нанокомпозитті ұнтақ бөлшектерін өнеркәсіптік ауқымда өндіруге арналған ең қуатты нанотехнологиялық құралдардың бірі болып саналады, сондай-ақ жоғарыдан төмен көзқарасты қолдана отырып, кең тұрақтандыру.1 және метатұрақты кезеңдері.
Осы зерттеуде Cu50(Zr50-xNix)/SUS 304 металл әйнек жабынын дайындау үшін қолданылған дайындау әдісін көрсететін схема.(а) Төмен энергиялы шарлы фрезер әдісін қолдана отырып, әртүрлі Ni x (x; 10, 20, 30 және 40 at.%) концентрациясы бар MC қорытпасының ұнтақтарын дайындау.(а) Бастапқы материал аспаптық болат шарлармен бірге аспап цилиндріне салынады және (b) He атмосферасы бар қолғап қорапшасына жабылады.(c) Тегістеу кезінде шардың қозғалысын бейнелейтін тегістеу ыдысының мөлдір үлгісі.50 сағаттан кейін алынған соңғы ұнтақ өнім SUS 304 субстратын (d) салқын бүрку үшін пайдаланылды.
Сусымалы материалдың беттеріне (субстраттарына) келетін болсақ, беттік инженерия бастапқы сусымалы материалда жоқ белгілі бір физикалық, химиялық және техникалық қасиеттерді қамтамасыз ету үшін беттерді (субстраттарды) жобалауды және өзгертуді қамтиды.Беттік өңдеу арқылы тиімді жақсартуға болатын кейбір қасиеттерге тозуға, тотығуға және коррозияға төзімділікке, үйкеліс коэффициентіне, биоинерттілікке, электрлік қасиеттерге және жылу оқшаулауға жатады.Бетінің сапасын металлургиялық, механикалық немесе химиялық әдістермен жақсартуға болады.Белгілі процесс ретінде жабын басқа материалдан жасалған көлемді объектінің (субстраттың) бетіне жасанды түрде қолданылатын материалдың бір немесе бірнеше қабаттары ретінде анықталады.Осылайша, жабындар ішінара қажетті техникалық немесе сәндік қасиеттерге қол жеткізу үшін, сондай-ақ материалдарды қоршаған ортамен күтілетін химиялық және физикалық әрекеттесулерден қорғау үшін қолданылады23.
Қалыңдығы бірнеше микрометрден (10-20 микрометрден төмен) 30 микрометрден астам немесе тіпті бірнеше миллиметрге дейін қолайлы қорғаныс қабаттарын қолдану үшін әртүрлі әдістер мен әдістерді қолдануға болады.Жалпы алғанда, жабу процестерін екі санатқа бөлуге болады: (i) дымқыл жабын әдістері, оның ішінде электропландау, электропландау және ыстық мырыштау және (ii) дәнекерлеу, қатты қаптау, физикалық бу тұндыру (PVD) қоса алғанда, құрғақ жабын әдістері.), химиялық буларды тұндыру (CVD), термиялық бүрку әдістері және жақында суық бүрку әдістері 24 (1d-сурет).
Биопленкалар беттерге қайтымсыз бекінген және өзін-өзі өндіретін жасушадан тыс полимерлермен (EPS) қоршалған микробтық қауымдастықтар ретінде анықталады.Үстірт жетілген биофильмнің қалыптасуы көптеген салаларда, соның ішінде тамақ өңдеу, су жүйелері және денсаулық сақтау салаларында айтарлықтай шығындарға әкелуі мүмкін.Адамдарда биофильмдердің пайда болуымен микробтық инфекциялардың 80% -дан астамын емдеу қиынға соғады (оның ішінде Enterobacteriaceae және Staphylococci).Сонымен қатар, үлкен терапевтік міндет болып саналатын планктондық бактериялық жасушалармен салыстырғанда жетілген биопленкалардың антибиотиктермен емдеуге 1000 есе төзімділігі туралы хабарланды.Тарихи түрде қарапайым органикалық қосылыстардан алынған микробқа қарсы бетті жабатын материалдар қолданылған.Мұндай материалдарда адам үшін ықтимал зиянды улы компоненттер жиі болса да,25,26 бұл бактериялардың берілуін және материалдың деградациясын болдырмауға көмектеседі.
Биопленканың түзілуіне байланысты антибиотикалық емдеуге кең таралған бактериялық төзімділік қауіпсіз қолдануға болатын тиімді микробқа қарсы мембранамен қапталған бетті жасау қажеттілігіне әкелді27.Бактерия жасушалары адгезияға байланысты биоқабықшалар түзе алмайтын физикалық немесе химиялық адгезияға қарсы бетті дамыту бұл процестің бірінші тәсілі болып табылады27.Екінші технология - микробқа қарсы химиялық заттарды дәл қажет жерде, жоғары концентрацияланған және арнайы мөлшерде жеткізетін жабындарды жасау.Бұған бактерияларға төзімді графен/германий29, қара алмаз29 және ZnO30 қоспасы бар алмаз тәрізді көміртекті жабындар сияқты бірегей жабын материалдарын әзірлеу арқылы қол жеткізілді, бұл технология биоқапка түзілуіне байланысты уыттылық пен төзімділіктің дамуын барынша арттырады.Сонымен қатар, бактериялық ластанудан ұзақ мерзімді қорғауды қамтамасыз ететін микроцидтік химиялық заттар бар жабындар барған сайын танымал болып келеді.Барлық үш процедура жабынмен қапталған беттерде микробқа қарсы белсенділік көрсетуге қабілетті болғанымен, әрқайсысының қолдану стратегиясын әзірлеу кезінде ескеру қажет өз шектеулері бар.
Қазіргі уақытта нарықтағы өнімдерге биологиялық белсенді ингредиенттерге арналған қорғаныс жабындарын талдау және сынау үшін уақыттың болмауы кедергі келтіреді.Компаниялар өз өнімдері пайдаланушыларға қажетті функционалдық аспектілерді береді деп мәлімдейді, бірақ бұл қазіргі уақытта нарықтағы өнімдердің табысты болуына кедергі болды.Қазіргі уақытта тұтынушыларға қол жетімді микробқа қарсы препараттардың басым көпшілігінде күмістен алынған қосылыстар қолданылады.Бұл өнімдер пайдаланушыларды микроорганизмдердің ықтимал зиянды әсерінен қорғауға арналған.Кешіктірілген антимикробтық әсер және күміс қосылыстарының соған байланысты уыттылығы зерттеушілерге зияндылығы аз баламаны әзірлеуге қысымды арттырады36,37.Ішінде де, сыртында да жұмыс істейтін жаһандық антимикробтық жабынды жасау қиын болып қала береді.Бұл денсаулық пен қауіпсіздікке байланысты қауіптермен бірге келеді.Адамға зияны аз микробқа қарсы агентті табу және оны сақтау мерзімі ұзағырақ жабындық субстраттарға қалай енгізу керектігін анықтау - көптен күткен мақсат38.Ең соңғы микробқа қарсы және антибиофильді материалдар бактерияларды тікелей байланыс арқылы немесе белсенді агент шығарылғаннан кейін жақын қашықтықта өлтіруге арналған.Олар мұны бастапқы бактериялық адгезияны тежеу ​​(соның ішінде бетінде ақуыз қабатының пайда болуын болдырмау) немесе жасуша қабырғасына кедергі жасау арқылы бактерияларды өлтіру арқылы жасай алады.
Негізінде, беттік жабын - бұл бет сипаттамаларын жақсарту үшін компоненттің бетіне басқа қабатты қолдану процесі.Беттік жабынның мақсаты компоненттің бетке жақын аймағының микроқұрылымын және/немесе құрамын өзгерту болып табылады39.Беттік жабу әдістерін әртүрлі әдістерге бөлуге болады, олар 2а-суретте жинақталған.Қаптауды жасау әдісіне байланысты жабындарды термиялық, химиялық, физикалық және электрохимиялық категорияларға бөлуге болады.
(a) негізгі бетті дайындау әдістерін көрсететін кірістіру және (b) суық бүрку әдісінің таңдалған артықшылықтары мен кемшіліктері.
Суық бүрку технологиясының дәстүрлі термиялық бүріккіш техникасымен ортақ ұқсастықтары бар.Дегенмен, суық бүрку процесін және суық бүріккіш материалдарды ерекше бірегей ететін кейбір негізгі іргелі қасиеттер бар.Суық бүрку технологиясы әлі қалыптасу сатысында, бірақ оның болашағы зор.Кейбір жағдайларда суық бүркудің бірегей қасиеттері әдеттегі термиялық бүрку техникасының шектеулерін еңсере отырып, үлкен артықшылықтар береді.Ол ұнтақты субстратқа қою үшін балқыту керек болатын дәстүрлі термиялық бүріккіш технологиясының елеулі шектеулерін еңсереді.Әлбетте, бұл дәстүрлі жабу процесі нанокристалдар, нанобөлшектер, аморфты және металл шынылар40, 41, 42 сияқты температураға өте сезімтал материалдарға жарамайды. Сонымен қатар, термиялық бүріккіш жабын материалдары әрқашан кеуектілік пен оксидтердің жоғары деңгейіне ие.Суық бүрку технологиясының термиялық бүрку технологиясымен салыстырғанда (i) субстратқа минималды жылу түсуі, (ii) субстрат жабынын таңдаудағы икемділік, (iii) фазалық түрлендірудің және дәннің өсуінің болмауы, (iv) жоғары жабысқақ беріктік1 .39 (2б-сурет) сияқты көптеген маңызды артықшылықтарға ие.Сонымен қатар, суық бүріккіш жабын материалдары жоғары коррозияға төзімділікке, жоғары беріктік пен қаттылыққа, жоғары электр өткізгіштікке және жоғары тығыздыққа ие41.Суық бүрку процесінің артықшылықтарына қарамастан, бұл әдіс әлі де 2б-суретте көрсетілгендей кейбір кемшіліктерге ие.Al2O3, TiO2, ZrO2, WC және т.б. сияқты таза керамикалық ұнтақтарды жабу кезінде суық бүрку әдісін қолдануға болмайды.Екінші жағынан, керамикалық/металл композиттік ұнтақтарды жабындар үшін шикізат ретінде пайдалануға болады.Бұл басқа термиялық бүрку әдістеріне де қатысты.Күрделі беттер мен құбырлардың ішкі бөліктерін бүрку әлі де қиын.
Бұл жұмыс металл шыны тәрізді ұнтақтарды жабындар үшін бастапқы материал ретінде пайдалануға бағытталғанын ескерсек, бұл мақсатта әдеттегі термиялық бүрку әдісін қолдануға болмайтыны анық.Бұл металл шыны тәрізді ұнтақтардың жоғары температурада кристалдануымен байланысты1.
Медициналық және тамақ өнеркәсібінде қолданылатын құралдардың көпшілігі хирургиялық аспаптарды өндіру үшін хром мөлшері 12-ден 20 масса% дейінгі аустениттік баспайтын болаттан жасалған қорытпалардан (SUS316 және SUS304) жасалған.Болат қорытпаларында легирлеуші ​​элемент ретінде хром металын пайдалану стандартты болат қорытпаларының коррозияға төзімділігін айтарлықтай жақсартуға мүмкіндік беретіні жалпы қабылданған.Тот баспайтын болаттан жасалған қорытпалар, жоғары коррозияға төзімділігіне қарамастан, айтарлықтай микробқа қарсы қасиеттерге ие емес38,39.Бұл олардың жоғары коррозияға төзімділігімен ерекшеленеді.Осыдан кейін инфекция мен қабынудың дамуын болжауға болады, бұл негізінен тот баспайтын болаттан жасалған биоматериалдардың бетінде бактериялық адгезия мен колонизацияға байланысты.Адам денсаулығына тікелей немесе жанама әсер ететін көптеген салдарға әкелуі мүмкін денсаулықтың нашарлауына әкелетін бактериялық адгезия мен биофильмнің пайда болу жолдарымен байланысты елеулі қиындықтарға байланысты елеулі қиындықтар туындауы мүмкін.
Бұл зерттеу Кувейт ғылымды дамыту қоры (KFAS) қаржыландыратын жобаның бірінші кезеңі болып табылады, келісім-шарт №.2010-550401, MA технологиясын қолдана отырып металл шыны тәрізді Cu-Zr-Ni үштік ұнтақтарын өндірудің орындылығын зерттеу (кесте).1) SUS304 бактерияға қарсы бетті қорғайтын пленканы/жабынды өндіру үшін.2023 жылдың қаңтарында басталатын жобаның екінші кезеңі гальваникалық коррозияның сипаттамалары мен жүйенің механикалық қасиеттерін егжей-тегжейлі зерттейді.Бактериялардың әртүрлі түрлеріне егжей-тегжейлі микробиологиялық сынақтар жүргізіледі.
Бұл мақалада Zr қорытпасының мазмұнының морфологиялық және құрылымдық сипаттамаларға негізделген шыны түзу қабілетіне (GFA) әсері қарастырылады.Сонымен қатар, ұнтақпен қапталған металл шыны/SUS304 композитінің бактерияға қарсы қасиеттері де талқыланды.Сонымен қатар, дайындалған металл шыны жүйелерінің қатты салқындатылған сұйық аймағында суық бүрку кезінде пайда болатын металл шыны ұнтақтарының құрылымдық түрлену мүмкіндігін зерттеу бойынша ағымдағы жұмыстар жүргізілді.Бұл зерттеуде мысал ретінде Cu50Zr30Ni20 және Cu50Zr20Ni30 металдық шыны қорытпалары қолданылды.
Бұл бөлімде төмен энергиялы шарларды фрезерлеу кезіндегі элементар Cu, Zr және Ni ұнтақтарының морфологиялық өзгерістері берілген.Көрсеткіш мысалдар ретінде Cu50Zr20Ni30 және Cu50Zr40Ni10 құрайтын екі түрлі жүйе пайдаланылады.MA процесін үш бөлек кезеңге бөлуге болады, бұл ұнтақтау сатысында алынған ұнтақтың металлографиялық сипаттамасымен дәлелденеді (3-сурет).
Шарларды ұнтақтаудың әртүрлі кезеңдерінен кейін алынған механикалық қорытпалардың (МА) ұнтақтарының металлографиялық сипаттамалары.3, 12 және 50 сағат бойы энергиясы төмен шарикті фрезерлеуден кейін алынған MA және Cu50Zr40Ni10 ұнтақтарының далалық эмиссиялық сканерлеуші ​​электрондық микроскопия (FE-SEM) кескіндері (a), (c) және (e) Cu50Zr20Ni30 жүйесі үшін, сол MA-да көрсетілген.Уақыттан кейін түсірілген Cu50Zr40Ni10 жүйесінің сәйкес суреттері (b), (d) және (f) тармақтарында көрсетілген.
Шарды фрезерлеу кезінде металл ұнтағына берілуі мүмкін тиімді кинетикалық энергияға 1а-суретте көрсетілгендей параметрлердің комбинациясы әсер етеді.Бұған шарлар мен ұнтақтар арасындағы соқтығыстар, ұнтақтау ортасының арасында немесе арасында тұрып қалған ұнтақтың ығысуымен қысылуы, шарлардың құлауынан болатын соққылар, шар диірменінің қозғалатын денелері арасындағы ұнтақ кедергісі нәтижесінде пайда болатын ығысу және тозу және жүктелген мәдениет арқылы таралатын құлап жатқан шарлар арқылы өтетін соққы толқыны кіреді (1а-сурет). Элементарные порошки Cu, Zr және Ni были сильно деформирование из-за холодной сварки на ранней стадии МА (3 ч), ол привело к образованию крупных частиц порошка (> 1 в диаметре). Элементтік Cu, Zr және Ni ұнтақтары MA ерте сатысында (3 сағ) суық дәнекерлеу нәтижесінде қатты деформацияланды, бұл үлкен ұнтақ бөлшектерінің (диаметрі > 1 мм) пайда болуына әкелді.Бұл ірі композиттік бөлшектер күріште көрсетілгендей легирленген элементтердің (Cu, Zr, Ni) қалың қабаттарының түзілуімен сипатталады.3а,б.MA уақытының 12 сағатқа дейін ұлғаюы (аралық кезең) шар диірменінің кинетикалық энергиясының жоғарылауына әкелді, бұл композициялық ұнтақтың кішірек ұнтақтарға (200 мкм-ден аз) ыдырауына әкелді, 3c суретте көрсетілгендей, қала .Бұл кезеңде түсірілген ығысу күші 3в, г-суретте көрсетілгендей жұқа Cu, Zr, Ni икемді қабаттары бар жаңа металл бетінің пайда болуына әкеледі.Қабыршақтардың беткі жағындағы қабаттардың ұнтақталуы нәтижесінде жаңа фазалардың пайда болуымен қатты фазалық реакциялар жүреді.
MA процесінің шарықтау шегінде (50 сағаттан кейін) үлпек металлографиясы әрең байқалды (3е, е-сурет), ал ұнтақтың жылтыратылған бетінде айна металлографиясы байқалды.Бұл MA процесі аяқталды және бір реакция фазасы жасалды дегенді білдіреді.Суретте көрсетілген аймақтардың элементтік құрамы.3e (I, II, III), f, v, vi) энергетикалық дисперсиялық рентгендік спектроскопиямен (EDS) бірге өрістік эмиссиялық сканерлеуші ​​электрондық микроскопия (FE-SEM) көмегімен анықталды.(IV).
Кестеде.Легірлеуші ​​элементтердің 2 элементтік концентрациясы күріште таңдалған әрбір аймақтың жалпы массасына пайызбен көрсетілген.3e, f.Бұл нәтижелерді 1-кестеде келтірілген Cu50Zr20Ni30 және Cu50Zr40Ni10 бастапқы номиналды құрамдарымен салыстыру осы екі соңғы өнімнің құрамы номиналды құрамдарға өте жақын екенін көрсетеді.Сонымен қатар, 3e,f-суретте келтірілген аймақтар үшін құрамдастардың салыстырмалы мәндері әрбір сынама құрамының бір аймақтан екіншісіне айтарлықтай нашарлауын немесе өзгеруін көрсетпейді.Бір өңірден екінші аймаққа құрамның өзгермейтіндігі осының айғағы.Бұл 2-кестеде көрсетілгендей біркелкі қорытпа ұнтақтарының өндірісін көрсетеді.
Cu50(Zr50-xNix) соңғы өнім ұнтағының FE-SEM микросуреттері 4a-d-суретте көрсетілгендей 50 MA уақыттан кейін алынды, мұнда x сәйкесінше 10, 20, 30 және 40 ат.%.Осы ұнтақтау қадамынан кейін ұнтақ ван-дер-Ваальс эффектісі есебінен 4-суретте көрсетілгендей диаметрі 73-тен 126 нм-ге дейінгі ультра ұсақ бөлшектерден тұратын ірі агрегаттардың түзілуіне әкелетін ұнтақ агрегаттары пайда болады.
50 сағаттық МА кейін алынған Cu50(Zr50-xNix) ұнтақтарының морфологиялық сипаттамасы.Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40 жүйелері үшін 50 MA кейін алынған ұнтақтардың FE-SEM кескіндері сәйкесінше (a), (b), (c) және (d) тармақтарында көрсетілген.
Ұнтақтарды суық бүріккіш фидерге салмас бұрын, олар алдымен аналитикалық сортты этанолда 15 минут бойы ультрадыбыспен өңделді, содан кейін 150°C температурада 2 сағат кептірілді.Агломерациямен сәтті күресу үшін бұл қадамды жасау керек, бұл көбінесе жабу процесінде көптеген күрделі мәселелерді тудырады.MA процесі аяқталғаннан кейін қорытпа ұнтақтарының біртектілігін зерттеу үшін қосымша зерттеулер жүргізілді.Суретте.5a–d 50 сағат M уақытынан кейін алынған Cu50Zr30Ni20 қорытпасының Cu, Zr және Ni легирлеуші ​​элементтерінің сәйкес FE-SEM микросуреттерін және сәйкес EDS кескіндерін көрсетеді.Бұл қадамнан кейін алынған қорытпа ұнтақтары біртекті екенін атап өткен жөн, өйткені олар 5-суретте көрсетілгендей суб-нанометрлік деңгейден асатын құрамның ауытқуын көрсетпейді.
FE-SEM/Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) арқылы 50 MA-дан кейін алынған MG Cu50Zr30Ni20 ұнтағы элементтерінің морфологиясы және жергілікті таралуы.(a) (b) Cu-Kα, (c) Zr-Lα және (d) Ni-Kα SEM және рентгендік EDS кескіні.
50 сағаттық MA-дан кейін алынған механикалық легирленген Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30 және Cu50Zr20Ni30 ұнтақтарының рентгендік дифракциялық үлгілері күріште көрсетілген.тиісінше 6a–d.Осы ұнтақтау кезеңінен кейін әртүрлі Zr концентрациясы бар барлық үлгілер 6-суретте көрсетілген гало диффузиясының тән үлгілері бар аморфты құрылымдарға ие болды.
50 сағат бойы MA-дан кейін Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c) және Cu50Zr20Ni30 (d) ұнтақтарының рентгендік дифракция үлгілері.Барлық үлгілерде аморфты фазаның түзілуін көрсететін гало-диффузия үлгісі байқалды.
Құрылымдық өзгерістерді байқау және әртүрлі MA уақыттарында шарикті фрезерлеу нәтижесінде пайда болатын ұнтақтардың жергілікті құрылымын түсіну үшін жоғары ажыратымдылықтағы өріс эмиссиясының электронды микроскопиясы (FE-HRTEM) пайдаланылды.Cu50Zr30Ni20 және Cu50Zr40Ni10 ұнтақтарын ұнтақтаудың ерте (6 сағ) және аралық (18 сағ) кезеңдерінен кейін FE-HRTEM әдісімен алынған ұнтақтардың суреттері күріш.тиісінше 7a.6 сағ МА-дан кейін алынған ұнтақтың жарқын өрістік кескіні (BFI) бойынша, ұнтақ fcc-Cu, hcp-Zr және fcc-Ni элементтерінің нақты анықталған шекаралары бар ірі түйіршіктерден тұрады және 7а-суретте көрсетілгендей реакция фазасының түзілу белгілері жоқ.Сонымен қатар, ортаңғы аймақтан (а) алынған корреляциялық таңдалған аумақтық дифракция үлгісі (SADP) үлкен кристаллиттер бар екенін және реактивті фазаның жоқтығын көрсететін күрт дифракция үлгісін (7б-сурет) көрсетті.
Ерте (6 сағ) және аралық (18 сағ) кезеңдерден кейін алынған MA ұнтағының жергілікті құрылымдық сипаттамалары.(a) 6 сағат бойы MA өңдеуден кейін жоғары ажыратымдылықтағы өріс эмиссиясының электронды микроскопиясы (FE-HRTEM) және (b) Cu50Zr30Ni20 ұнтағының сәйкес таңдалған аймақ дифрактограммасы (SADP).18 сағаттық MA кейін алынған Cu50Zr40Ni10 FE-HRTEM кескіні (c) көрсетілген.
Суретте көрсетілгендей.7c, MA ұзақтығының 18 сағатқа дейін ұлғаюы пластикалық деформациямен бірге күрделі тор ақауларына әкелді.MA процесінің осы аралық сатысында ұнтақта әртүрлі ақаулар пайда болады, соның ішінде қабаттасу ақаулары, тор ақаулары және нүкте ақаулары (сурет 7).Бұл ақаулар астық шекаралары бойымен ірі дәндердің мөлшері 20 нм-ден кіші астық түйіршіктерге бөлінуін тудырады (7в-сурет).
36 сағ MA ұнтақталған Cu50Z30Ni20 ұнтағының жергілікті құрылымы 8а-суретте көрсетілгендей аморфты жұқа матрицаға енгізілген ультра жұқа нано түйіршіктердің пайда болуымен сипатталады.ЭҚК жергілікті талдауы күріште көрсетілген нанокластерлерді көрсетті.8a өңделмеген Cu, Zr және Ni ұнтақ қорытпаларымен байланысты.Матрицадағы Cu мөлшері ~32 at.% (нашар аймақ) - ~74 at.% (бай аймақ) дейін өзгерді, бұл гетерогенді өнімдердің түзілуін көрсетеді.Сонымен қатар, осы қадамда ұнтақтаудан кейін алынған ұнтақтардың сәйкес SADP-лері 8b-суретте көрсетілгендей, осы өңделмеген легирлеуші ​​элементтермен байланысты өткір нүктелермен қабаттасатын бастапқы және қайталама гало-диффузиялық аморфты фазалық сақиналарды көрсетеді.
Beyond 36 h-Cu50Zr30Ni20 ұнтағының наноөлшемді жергілікті құрылымдық ерекшеліктері.(a) Жарқын өріс кескіні (BFI) және сәйкес (b) 36 сағат MA үшін ұнтақтаудан кейін алынған Cu50Zr30Ni20 ұнтағының SADP.
MA процесінің соңына қарай (50 сағ), Cu50(Zr50-xNix), X, 10, 20, 30 және 40% ұнтақтарында, суретте көрсетілгендей, аморфты фазаның лабиринттік морфологиясы бар.Әрбір композицияның сәйкес SADS-те нүктелік дифракция да, өткір сақиналы үлгілер де анықталмады.Бұл өңделмеген кристалдық металдың жоқтығын, керісінше аморфты қорытпа ұнтағының пайда болуын көрсетеді.Гало диффузия үлгілерін көрсететін осы корреляцияланған SADP-тер соңғы өнім материалында аморфты фазалардың дамуының дәлелі ретінде де пайдаланылды.
Cu50 MS жүйесінің соңғы өнімінің жергілікті құрылымы (Zr50-xNix).(a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 және (d) Cu50Zr10Ni40 FE-HRTEM және корреляцияланған нано сәулелік дифракция үлгілері (NBDP) MA 50 сағаттан кейін алынған.
Дифференциалды сканерлеу калориметриясын пайдаланып, Cu50(Zr50-xNix) аморфты жүйедегі Ni (x) мазмұнына байланысты шыны ауысу температурасының (Tg), қатты салқындатылған сұйық аймағының (ΔTx) және кристалдану температурасының (Tx) термиялық тұрақтылығы зерттелді.He газ ағынындағы (DSC) қасиеттері.MA-дан кейін 50 сағат бойы алынған Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20 және Cu50Zr10Ni40 аморфты қорытпаларының DSC қисықтары күріш.10a, b, e, тиісінше.Аморфты Cu50Zr20Ni30 DSC қисығы 10-суретте бөлек көрсетілгенімен, DSC-де ~700°C дейін қыздырылған Cu50Zr30Ni20 үлгісі 10g-суретте көрсетілген.
50 сағат бойы MA-дан кейін алынған Cu50(Zr50-xNix) MG ұнтақтарының термиялық тұрақтылығы шыныдан өту температурасымен (Tg), кристалдану температурасымен (Tx) және қатты салқындатылған сұйықтық аймағымен (ΔTx) анықталады.Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c) және (e) Cu50Zr10Ni40 MG қорытпаларының ұнтақтарының дифференциалды сканерлеу калориметрі (DSC) ұнтақтарының 50 сағат бойы MA кейін термограммалары.DSC ішінде ~700°C дейін қыздырылған Cu50Zr30Ni20 үлгісінің рентгендік дифракция үлгісі (XRD) (d) көрсетілген.
10-суретте көрсетілгендей, әртүрлі никель концентрациясы бар барлық композициялар үшін DSC қисығы (x) екі түрлі жағдайды көрсетеді, біреуі эндотермиялық және екіншісі экзотермиялық.Бірінші эндотермиялық оқиға Tg сәйкес келеді, ал екіншісі Tx-пен байланысты.Tg және Tx арасында болатын көлденең аралық ауданы салқындатылатын сұйықтық аймағы деп аталады (ΔTx = Tx – Tg).Нәтижелер 526°C және 612°C температурада орналастырылған Cu50Zr40Ni10 үлгісінің Tg және Tx (10а-сурет) мазмұнын (x) 482°C және 563°C төмен температура жағына % 20-ға дейін жылжытатынын көрсетеді.°C, 10b-суретте көрсетілгендей, сәйкесінше Ni (x) мөлшерінің жоғарылауымен.Демек, ΔTx Cu50Zr40Ni10 Cu50Zr30Ni20 үшін 86°С-тан (10а-сурет) 81°С-қа дейін төмендейді (10б-сурет).MC Cu50Zr40Ni10 қорытпасы үшін де Tg, Tx және ΔTx мәндерінің 447°С, 526°С және 79°С деңгейіне дейін төмендеуі байқалды (10б-сурет).Бұл Ni құрамының жоғарылауы МС қорытпасының термиялық тұрақтылығының төмендеуіне әкелетінін көрсетеді.Керісінше, MC Cu50Zr20Ni30 қорытпасының Tg (507 °C) мәні MC Cu50Zr40Ni10 қорытпасынан төмен;дегенмен, оның Tx онымен салыстырылатын мәнді көрсетеді (612 °C).Сондықтан ΔTx суретте көрсетілгендей жоғары мәнге ие (87°C).10 ғасыр
Cu50(Zr50-xNix) MC жүйесі Cu50Zr20Ni30 MC қорытпасын мысал ретінде қолданып, өткір экзотермиялық шың арқылы fcc-ZrCu5, орторомбты-Zr7Cu10 және орторомбты-ZrNi кристалды фазаларға (ZrNiFig.1c) кристалданады.Бұл фазаның аморфтыдан кристалдыға ауысуы DSC-де 700 °C дейін қыздырылған MG үлгісінің (10d-сурет) рентгендік дифракциялық талдауымен расталды.
Суретте.11 ағымдағы жұмыста орындалған суық бүрку процесі кезінде түсірілген фотосуреттерді көрсетеді.Бұл зерттеуде 50 сағат бойы MA-дан кейін синтезделген металл шыны тәрізді ұнтақ бөлшектері (мысал ретінде Cu50Zr20Ni30 көмегімен) бактерияға қарсы шикізат ретінде пайдаланылды және тот баспайтын болаттан жасалған пластина (SUS304) суық бүріккішпен қапталды.Суық бүрку әдісі термиялық бүрку технологиясының сериясында жабу үшін таңдалды, себебі ол аморфты және нанокристалды ұнтақтар сияқты металдық метатұрақты ыстыққа сезімтал материалдар үшін пайдаланылуы мүмкін термиялық бүріккіш технологиялар сериясындағы ең тиімді әдіс.Фазаға бағынбайды.ауысулар.Бұл әдісті таңдаудағы басты фактор.Суық тұндыру процесі бөлшектердің кинетикалық энергиясын пластикалық деформацияға, деформацияға және субстратпен немесе бұрын тұндырылған бөлшектермен соқтығысқанда жылуға айналдыратын жоғары жылдамдықты бөлшектерді қолдану арқылы жүзеге асырылады.
Далалық фотосуреттер 550°C температурада MG/SUS 304 бес ретті препараты үшін суық бүрку процедурасын көрсетеді.
Бөлшектердің кинетикалық энергиясы, сондай-ақ жабынның пайда болу кезіндегі әрбір бөлшектің импульсі пластикалық деформация (матрицадағы бастапқы бөлшектер мен бөлшектердің өзара әрекеттесулері және бөлшектердің өзара әрекеттесулері), қатты денелердің интерстициалдық түйіндері, бөлшектер арасындағы айналу және шектік энергияның қосындысы, жылуды деформациялау кезінде39 сияқты механизмдер арқылы энергияның басқа түрлеріне айналуы керек. жылу энергиясына және деформация энергиясына айналады, нәтижесінде серпімді соқтығыс болады, яғни бөлшектер соққыдан кейін жай ғана секіреді.Бөлшектерге/субстрат материалына қолданылатын соққы энергиясының 90% жергілікті жылуға айналатыны атап өтілді 40 .Сонымен қатар, соққы кернеуі қолданылған кезде бөлшектердің/субстраттың жанасу аймағында өте қысқа уақыт ішінде жоғары пластикалық деформация жылдамдығына қол жеткізіледі41,42.
Пластикалық деформация әдетте энергияның диссипация процесі ретінде, дәлірек айтқанда, фазааралық аймақта жылу көзі ретінде қарастырылады.Алайда, фазааралық аймақта температураның жоғарылауы, әдетте, фазааралық балқудың пайда болуы немесе атомдардың өзара диффузиясын айтарлықтай ынталандыру үшін жеткіліксіз.Авторларға белгілі бірде-бір жарияланым осы металл шыны тәрізді ұнтақтардың қасиеттерінің суық бүрку әдістерін пайдаланған кезде пайда болатын ұнтақтың адгезиясына және тұнбаға әсерін зерттеген жоқ.
MG Cu50Zr20Ni30 қорытпасының ұнтағының BFI-ін SUS 304 субстратында тұндырылған 12а-суретте көруге болады (11, 12б-сурет).Суреттен көрініп тұрғандай, қапталған ұнтақтар өздерінің бастапқы аморфты құрылымын сақтайды, өйткені оларда ешқандай кристалдық ерекшеліктері немесе тор ақаулары жоқ нәзік лабиринт құрылымы бар.Екінші жағынан, сурет MG қапталған ұнтақ матрицасына кіретін нанобөлшектердің дәлелі ретінде бөтен фазаның болуын көрсетеді (12а-сурет).12c суретте I аймақпен байланысты индекстелген нано сәулелік дифракция үлгісі (NBDP) көрсетілген (12а-сурет).Суретте көрсетілгендей.12c, NBDP аморфты құрылымның әлсіз гало-диффузия үлгісін көрсетеді және кристалды үлкен текше метатұрақты Zr2Ni фазасына плюс тетрагональды CuO фазасына сәйкес өткір нүктелермен бірге тұрады.CuO түзілуін дыбыстан жоғары ағынмен ашық ауада бүріккіш пистолеттің саптамасынан SUS 304-ке жылжытқанда ұнтақтың тотығуымен түсіндіруге болады.Екінші жағынан, металл шыны тәрізді ұнтақтардың девитрификациясы 550 ° C температурада 30 минут бойы суық бүркумен өңдеуден кейін үлкен текше фазалардың пайда болуына әкелді.
(a) (b) SUS 304 субстратында тұндырылған MG ұнтағының FE-HRTEM кескіні (сурет кірістіру).(a) тармағында көрсетілген дөңгелек таңбаның NBDP индексі (c) тармағында көрсетілген.
Үлкен текше Zr2Ni нанобөлшектерінің пайда болуының бұл әлеуетті механизмін тексеру үшін тәуелсіз эксперимент жүргізілді.Бұл тәжірибеде ұнтақтар SUS 304 субстратының бағыты бойынша 550°C тозаңдатқыштан шашыранды;дегенмен, жасыту әсерін анықтау үшін ұнтақтар SUS304 жолағынан мүмкіндігінше тезірек (шамамен 60 с) шығарылды.).Тәжірибелердің тағы бір сериясы жүргізілді, онда ұнтақ қолданудан кейін шамамен 180 секундтан кейін субстраттан шығарылды.
13a,b суреттерінде SUS 304 субстраттарында сәйкесінше 60 және 180 с ішінде тұндырылған екі шашыраған материалдың сканерлеуші ​​трансмиссиялық электронды микроскопия (STEM) қараңғы өріс (DFI) кескіндері көрсетілген.60 секунд ішінде сақталған ұнтақ кескінде морфологиялық мәліметтер жоқ, бұл ерекшелікті көрсетеді (Cурет 13a).Мұны XRD де растады, бұл ұнтақтардың жалпы құрылымы аморфты екенін көрсетті, бұл 14а-суретте көрсетілген кең бастапқы және қайталама дифракция шыңдарымен көрсетілген.Бұл ұнтақ өзінің бастапқы аморфты құрылымын сақтайтын метастабилді/мезофазалық тұнбалардың жоқтығын көрсетеді.Керісінше, бірдей температурада (550°C) тұндырылған, бірақ субстратта 180 секундқа қалдырылған ұнтақ 13b-суреттегі көрсеткілерде көрсетілгендей наноөлшемді дәндердің тұнбасын көрсетті.