Nature.com сайтаар зочилсонд баярлалаа.Таны ашиглаж буй хөтчийн хувилбар нь хязгаарлагдмал CSS дэмжлэгтэй.Хамгийн сайн ашиглахын тулд бид танд шинэчилсэн хөтөч ашиглахыг зөвлөж байна (эсвэл Internet Explorer-д нийцтэй байдлын горимыг идэвхгүй болгох).Энэ хооронд байнгын дэмжлэгийг хангахын тулд бид сайтыг ямар ч загвар, JavaScript-гүйгээр үзүүлэх болно.
Био хальс нь архаг халдварын хөгжилд, ялангуяа эмнэлгийн хэрэгслийн хувьд чухал бүрэлдэхүүн хэсэг юм.Стандарт антибиотикууд зөвхөн био хальсыг маш хязгаарлагдмал хэмжээгээр устгаж чаддаг тул энэ асуудал нь анагаах ухааны нийгэмлэгийн хувьд асар том сорилт болж байна.Био хальс үүсэхээс урьдчилан сэргийлэх нь янз бүрийн бүрэх арга, шинэ материалыг хөгжүүлэхэд хүргэсэн.Эдгээр техникүүд нь био хальс үүсэхээс сэргийлж гадаргууг бүрэх зорилготой.Шилэн металлын хайлш, ялангуяа зэс, титан металл агуулсан хайлш нь нянгийн эсрэг хамгийн тохиромжтой бүрхүүл болжээ.Үүний зэрэгцээ температурт мэдрэмтгий материалыг боловсруулахад тохиромжтой арга тул хүйтэн шүрших технологийн хэрэглээ нэмэгдсэн.Энэхүү судалгааны зорилгын нэг хэсэг нь механик хайлшлах аргыг ашиглан Cu-Zr-Ni гурвалсанаас бүрдсэн шинэ бактерийн эсрэг хальсан металл шилийг боловсруулах явдал байв.Эцсийн бүтээгдэхүүнийг бүрдүүлдэг бөмбөрцөг нунтаг нь зэвэрдэггүй ган гадаргууг бага температурт хүйтэн шүрших түүхий эд болгон ашигладаг.Металл шилээр бүрсэн субстрат нь зэвэрдэггүй гантай харьцуулахад биофильм үүсэхийг дор хаяж 1 логоор бууруулах боломжтой байв.
Хүн төрөлхтний түүхийн туршид аливаа нийгэм өөрийн онцлог шаардлагад нийцүүлэн шинэ материал нэвтрүүлэх ажлыг хөгжүүлж, сурталчилж чадсанаар бүтээмж нэмэгдэж, даяаршсан эдийн засагт эрэмбэлэгдэж ирсэн1.Энэ нь хүн төрөлхтний материал, үйлдвэрлэлийн тоног төхөөрөмжийн загвар зохион бүтээх чадвараас гадна эрүүл мэнд, боловсрол, аж үйлдвэр, эдийн засаг, соёл болон бусад салбарт хүрэхийн тулд материал үйлдвэрлэх, тодорхойлох загвартай холбоотой байдаг.Ахиц дэвшлийг улс орон, бүс нутгаас үл хамааран хэмждэг2.60 жилийн турш материал судлаачид шинэ, дэвшилтэт материалыг хайх нэг үндсэн ажилд маш их цаг зарцуулсан.Сүүлийн үеийн судалгаанууд одоо байгаа материалын чанар, гүйцэтгэлийг сайжруулах, мөн цоо шинэ төрлийн материалыг нэгтгэх, зохион бүтээхэд гол анхаарлаа хандуулж байна.
Хайлшийн элементүүдийг нэмж, материалын бичил бүтцийг өөрчлөх, дулааны, механик эсвэл термомеханик эмчилгээний аргуудыг хэрэглэснээр янз бүрийн материалын механик, хими, физик шинж чанарыг мэдэгдэхүйц сайжруулахад хүргэсэн.Үүнээс гадна өнөөг хүртэл үл мэдэгдэх нэгдлүүдийг амжилттай нэгтгэсэн.Эдгээр тууштай хүчин чармайлт нь Advanced Materials2 гэж нэрлэгддэг шинэлэг материалуудын шинэ бүлгийг бий болгосон.Нанокристал, нано бөөмс, нано хоолой, квант цэг, тэг хэмжээст, аморф металл шил, өндөр энтропи хайлш зэрэг нь өнгөрсөн зууны дунд үеэс дэлхий дээр гарч ирсэн дэвшилтэт материалуудын жишээ юм.Сайжруулсан шинж чанар бүхий шинэ хайлшийг үйлдвэрлэх, боловсруулахад эцсийн бүтээгдэхүүн болон түүний үйлдвэрлэлийн завсрын үе шатанд тэнцвэргүй байдлын асуудал ихэвчлэн нэмэгддэг.Тэнцвэрт байдлаас ихээхэн хазайх боломжийг олгодог үйлдвэрлэлийн шинэ техникийг нэвтрүүлсний үр дүнд метал шил гэж нэрлэгддэг метастаз хайлшийн цоо шинэ анги нээгдэв.
1960 онд Калтек дахь түүний ажил нь секундэд бараг сая градусаар шингэнийг хурдан хатууруулах замаар Au-25 at.% Si шилэн хайлшийг нийлэгжүүлснээр металл хайлшийн тухай ойлголтыг өөрчилсөн юм.4 Профессор Пол Дювсын нээлт нь металл шилний түүхийн эхлэлийг тавиад зогсохгүй хүмүүсийн металл хайлшны талаарх ойлголтыг өөрчлөхөд хүргэсэн.MS хайлшийн нийлэгжилтийн анхны судалгаанаас хойш бараг бүх металл шилийг дараах аргуудын аль нэгийг ашиглан бүрэн гаргаж авсан: (i) хайлмал эсвэл уурыг хурдан хатууруулах, (ii) атомын торны эмгэг, (iii) цэвэр металл элементүүдийн хоорондох хатуу төлөвт аморфизацийн урвал, (iv) метаболизмд тэсвэртэй фазын шилжилт.
MG нь талстуудтай холбоотой урт хугацааны атомын дараалал байхгүй гэдгээрээ ялгардаг бөгөөд энэ нь талстыг тодорхойлох шинж чанар юм.Орчин үеийн ертөнцөд металл шилний салбарт асар их ахиц дэвшил гарсан.Эдгээр нь зөвхөн хатуу биетийн физикт төдийгүй металлурги, гадаргуугийн хими, технологи, биологи болон бусад олон салбарт сонирхолтой шинж чанартай шинэ материал юм.Энэхүү шинэ төрлийн материал нь хатуу металлаас ялгаатай шинж чанартай тул янз бүрийн салбарт технологийн хэрэглээнд сонирхолтой нэр дэвшигч болж байна.Эдгээр нь хэд хэдэн чухал шинж чанартай байдаг: (i) механик уян хатан чанар, уналтын бат бэх, (ii) өндөр соронзон нэвчилт, (iii) бага шахалт, (iv) зэврэлтэнд тэсвэртэй, (v) температурын бие даасан байдал.Дамжуулах чадвар 6.7.
Механик хайлш (MA)1,8 нь харьцангуй шинэ арга бөгөөд анх 1983 онд профессор К.К.Кок болон түүний хамтрагчид нэвтрүүлсэн.Тэд өрөөний температурт маш ойрхон орчны температурт цэвэр элементүүдийн хольцыг нунтаглах замаар аморф Ni60Nb40 нунтаг гаргаж авсан.Ерөнхийдөө MA урвалыг ихэвчлэн зэвэрдэггүй гангаар хийсэн реактор дахь урвалжийн нунтагыг бөмбөгний тээрэмд тараах хооронд гүйцэтгэдэг.10 (Зураг 1a, b).Түүнээс хойш энэхүү механикаар өдөөгдсөн хатуу төлөвт урвалын аргыг бага (Зураг 1в) болон өндөр энергитэй бөмбөлөгт тээрэм, саваа тээрэм ашиглан аморф/металл шилэн хайлшийн шинэ нунтаг бэлтгэхэд ашиглаж байна11,12,13,14,15,16.Ялангуяа энэ аргыг Cu-Ta17 зэрэг холилдохгүй систем, түүнчлэн Al-шилжилтийн металл (TM, Zr, Hf, Nb ба Ta)18,19, Fe-W20 зэрэг хайлах өндөр температурт хайлш бэлтгэхэд ашигласан., үүнийг уламжлалт хоол хийх аргыг ашиглан олж авах боломжгүй.Нэмж дурдахад, MA нь металл исэл, карбид, нитрид, гидрид, нүүрстөрөгчийн нано хоолой, наноалмаз зэрэг нано талст ба нанокомпозит нунтаг хэсгүүдийг үйлдвэрлэлийн хэмжээнд үйлдвэрлэх, мөн дээрээс доош чиглэсэн аргыг ашиглан өргөн цар хүрээтэй тогтворжуулах хамгийн хүчирхэг нано технологийн хэрэгслийн нэг гэж тооцогддог.1 ба метастабил үе шатууд.
Энэхүү судалгаанд Cu50(Zr50-xNix)/SUS 304 металл шилний бүрээсийг бэлтгэхэд ашигласан үйлдвэрлэлийн аргыг бүдүүвч зурагт үзүүлэв.(a) Бага энерги зарцуулдаг бөмбөлөг тээрэмдэх аргыг ашиглан янз бүрийн Ni x (x; 10, 20, 30, 40 at.%) агууламжтай MC хайлш нунтаг бэлтгэх.(a) Эхлэх материалыг багажны ган бөмбөлгүүдийн хамт багажны цилиндрт ачиж, (б) агаараар дүүргэсэн бээлий хайрцагт битүүмжилнэ.(в) Нунтаглах явцад бөмбөгний хөдөлгөөнийг харуулсан нунтаглах савны ил тод загвар.50 цагийн дараа олж авсан эцсийн нунтаг бүтээгдэхүүнийг SUS 304 субстратыг (d) хүйтэн шүршихэд ашигласан.
Бөөн материалын гадаргуу (субстрат) -ын тухай ярихад гадаргуугийн инженерчлэл нь анхны задгай материалд байхгүй физик, химийн болон техникийн шинж чанарыг хангахын тулд гадаргууг (субстрат) төлөвлөх, өөрчлөхийг хэлнэ.Гадаргуугийн боловсруулалтаар үр дүнтэй сайжруулж болох зарим шинж чанарууд нь элэгдэл, исэлдэлт, зэврэлтэнд тэсвэртэй байдал, үрэлтийн коэффициент, биоинерт, цахилгаан шинж чанар, дулаан тусгаарлалт зэрэг орно.Гадаргуугийн чанарыг металлургийн, механик эсвэл химийн аргаар сайжруулж болно.Сайн мэддэг процессын хувьд бүрэх гэдэг нь өөр материалаар хийсэн задгай объектын (субстрат) гадаргуу дээр зохиомлоор түрхсэн материалын нэг буюу хэд хэдэн давхаргаар тодорхойлогддог.Тиймээс бүрээсийг хэсэгчлэн хүссэн техникийн болон гоёл чимэглэлийн шинж чанарыг олж авах, түүнчлэн хүрээлэн буй орчинтой химийн болон физикийн харилцан үйлчлэлээс хамгаалах материалыг ашигладаг23.
Хэдхэн микрометрээс (10-20 микрометрээс доош) 30 микрометрээс дээш эсвэл бүр хэдэн миллиметр зузаантай тохирох хамгаалалтын давхаргыг тавихын тулд янз бүрийн арга, техникийг ашиглаж болно.Ерөнхийдөө бүрэх процессыг хоёр төрөлд хувааж болно: (i) нойтон бүрэх арга, тухайлбал цахилгаанаар бүрэх, цахилгаанаар бүрэх, халуун цайрдах, (ii) гагнуур, хатуу хучилт, физик уурын хуримтлал (PVD) зэрэг хуурай бүрэх аргууд.), химийн уурын хуримтлал (CVD), дулааны шүрших арга техник, сүүлийн үед хүйтэн шүрших арга 24 (Зураг 1d).
Био хальс нь гадаргууд эргэлт буцалтгүй наалдсан, өөрөө үйлдвэрлэсэн эсийн гаднах полимерээр (EPS) хүрээлэгдсэн бичил биетний нэгдэл гэж тодорхойлогддог.Өнгөц боловсорч гүйцсэн био хальс үүсэх нь хүнсний үйлдвэрлэл, усны систем, эрүүл мэнд зэрэг олон салбарт ихээхэн алдагдалд хүргэдэг.Хүний биед био хальс үүсэх үед бичил биетний халдварын (enterobacteriaceae, Staphylococci гэх мэт) тохиолдлын 80 гаруй хувийг эмчлэхэд хэцүү байдаг.Түүнчлэн, боловсорч гүйцсэн био хальс нь планктон бактерийн эстэй харьцуулахад антибиотик эмчилгээнд 1000 дахин илүү тэсвэртэй байдаг нь эмчилгээний томоохон сорилт гэж тооцогддог.Түүхийн хувьд нийтлэг органик нэгдлүүдээс гаргаж авсан нянгийн эсрэг гадаргууг бүрэх материалыг ашигласан.Хэдийгээр ийм материалууд нь ихэвчлэн хүний ​​биед хор хөнөөл учруулж болзошгүй хортой бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг агуулдаг боловч 25,26 энэ нь бактерийн халдвар дамжих, материалын доройтлоос зайлсхийхэд тусалдаг.
Био хальс үүссэний улмаас антибиотик эмчилгээнд нянгийн эсэргүүцэл өргөн тархсан нь нянгийн эсрэг үр дүнтэй мембранаар бүрсэн гадаргууг аюулгүй түрхэх хэрэгцээг бий болгож байна27.Бактерийн эсүүд наалдсанаас болж био хальс үүсгэх боломжгүй физик болон химийн наалдамхай гадаргууг бий болгох нь энэ үйл явцын эхний арга юм27.Хоёрдахь технологи нь нянгийн эсрэг химийн бодисыг яг хэрэгтэй газар, өндөр концентрацитай, тохируулсан хэмжээгээр хүргэх бүрхүүлийг боловсруулах явдал юм.Энэ нь графен/германий28, хар алмаз29, ZnO30-ийн нэмэлттэй алмаз шиг нүүрстөрөгчийн бүрээс зэрэг өвөрмөц өнгөлгөөний материалыг боловсруулж, био хальс үүсэхээс үүдэлтэй хоруу чанар, эсэргүүцлийг дээд зэргээр нэмэгдүүлдэг технологиор бүтээгдсэн.Үүнээс гадна бактерийн бохирдлоос удаан хугацаанд хамгаалдаг нян устгах химийн бодис агуулсан бүрээс нь улам бүр түгээмэл болж байна.Гурван процедур нь бүрсэн гадаргуу дээр нянгийн эсрэг үйлчилгээ үзүүлэх чадвартай боловч тус бүр нь хэрэглээний стратеги боловсруулахдаа анхаарах ёстой өөрийн гэсэн хязгаарлалттай байдаг.
Одоогоор зах зээл дээр байгаа бүтээгдэхүүнүүд нь биологийн идэвхт бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн хамгаалалтын бүрхүүлд дүн шинжилгээ хийх, турших хугацаа дутмаг байгаагаас саад болж байна.Компаниуд бүтээгдэхүүнээ хэрэглэгчдэд хүссэн функцээр хангана гэж мэдэгдэж байгаа ч энэ нь одоогоор зах зээл дээр байгаа бүтээгдэхүүний амжилтанд саад болж байна.Мөнгөнөөс гаргаж авсан нэгдлүүдийг одоогоор хэрэглэгчдэд бэлэн байгаа нянгийн эсрэг эмийн дийлэнх хэсэгт ашигладаг.Эдгээр бүтээгдэхүүн нь хэрэглэгчдийг бичил биетний хор хөнөөлтэй өртөхөөс хамгаалах зорилготой юм.Нянгийн эсрэг үйлчилгээ хойшлогдож, мөнгөний нэгдлүүдийн хоруу чанар нь судлаачдад хор хөнөөл багатай хувилбар боловсруулахад хүргэдэг36,37.Дотор болон гадна талд үйлчилдэг дэлхийн нянгийн эсрэг бүрхүүлийг бий болгох нь сорилт хэвээр байна.Энэ нь эрүүл мэнд, аюулгүй байдлын эрсдэлтэй холбоотой байдаг.Хүний биед бага хор хөнөөлтэй нянгийн эсрэг бодисыг олж илрүүлэх, түүнийг удаан хадгалах хугацаатай бүрэх субстратад хэрхэн оруулахыг олж мэдэх нь хамгийн эрэлттэй зорилго юм38.Хамгийн сүүлийн үеийн нянгийн эсрэг болон антибиофолм материалууд нь шууд харьцах эсвэл идэвхтэй бодисыг гаргасны дараа ойрын зайнаас бактерийг устгах зориулалттай.Тэд бактерийн анхдагч наалдацыг дарангуйлах (гадаргуу дээр уургийн давхарга үүсэхээс урьдчилан сэргийлэх) эсвэл эсийн хананд саад учруулж бактерийг устгах замаар үүнийг хийж чадна.
Үндсэндээ гадаргууг бүрэх нь гадаргуугийн шинж чанарыг сайжруулахын тулд бүрэлдэхүүн хэсгийн гадаргуу дээр өөр давхарга тавих үйл явц юм.Гадаргууг бүрэх зорилго нь бүрэлдэхүүн хэсгийн гадаргуугийн ойролцоох бүсийн бичил бүтэц ба/эсвэл найрлагыг өөрчлөх явдал юм39.Гадаргууг бүрэх аргыг янз бүрийн аргад хувааж болох бөгөөд тэдгээрийг 2а-р зурагт нэгтгэн харуулав.Бүрээсийг бүтээх аргаас хамааран дулааны, химийн, физикийн болон цахилгаан химийн ангилалд хуваагдана.
(a) Гадаргууг үйлдвэрлэх үндсэн арга техникийг харуулсан оруулга, (б) хүйтэн шүрших аргын сонгосон давуу болон сул талууд.
Хүйтэн шүрших технологи нь уламжлалт дулааны шүрших техниктэй нийтлэг зүйлтэй.Гэсэн хэдий ч хүйтэн шүрших процесс болон хүйтэн шүрших материалыг онцгой өвөрмөц болгодог зарим үндсэн үндсэн шинж чанарууд байдаг.Хүйтэн шүрших технологи нь анхан шатандаа байгаа ч маш их ирээдүйтэй.Зарим тохиолдолд хүйтэн шүрших өвөрмөц шинж чанар нь ердийн дулааны шүрших техникийн хязгаарлалтыг даван туулахад ихээхэн ашиг тустай байдаг.Энэ нь уламжлалт дулааны шүрших технологийн томоохон хязгаарлалтыг даван туулж, нунтагыг субстрат дээр буулгахын тулд хайлуулах шаардлагатай.Энэхүү уламжлалт бүрэх процесс нь нанокристал, нано бөөмс, аморф болон металл шил зэрэг температурт маш мэдрэмтгий материалд тохиромжгүй нь ойлгомжтой. 40, 41, 42. Үүнээс гадна дулааны шүршигч бүрэх материал нь үргэлж өндөр сүвэрхэг, исэлдэлтэй байдаг.Хүйтэн шүрших технологи нь дулааны шүрших технологитой харьцуулахад олон чухал давуу талтай, тухайлбал (i) субстратад хамгийн бага дулаан оруулах, (ii) субстратын бүрээсийг сонгох уян хатан байдал, (iii) фазын хувирал болон ширхэгийн өсөлтгүй, (iv) наалдамхай өндөр бат бэх1 .39 (Зураг 2b).Түүнчлэн хүйтэн шүршигч бүрэх материал нь зэврэлтэнд тэсвэртэй, өндөр бат бэх, хатуулаг, цахилгаан дамжуулалт өндөр, нягтрал сайтай байдаг41.Хүйтэн шүрших процессын давуу талыг үл харгалзан энэ арга нь 2б-р зурагт үзүүлсэнчлэн зарим сул талуудтай хэвээр байна.Al2O3, TiO2, ZrO2, WC гэх мэт цэвэр керамик нунтагыг бүрэх үед хүйтэн шүрших аргыг хэрэглэх боломжгүй.Нөгөө талаас керамик/металл нийлмэл нунтагыг бүрэх түүхий эд болгон ашиглаж болно.Дулааны шүрших бусад аргуудад мөн адил хамаарна.Хэцүү гадаргуу, хоолойн дотоод засал нь шүршихэд хэцүү хэвээр байна.
Энэхүү ажил нь металл шилэн нунтагыг бүрэх материал болгон ашиглахад чиглэгдэж байгааг харгалзан үзвэл ердийн дулааны шүрших аргыг энэ зорилгоор ашиглах боломжгүй нь тодорхой байна.Энэ нь металл шилэн нунтаг нь өндөр температурт талстждагтай холбоотой юм1.
Эмнэлгийн болон хүнсний үйлдвэрүүдэд ашигладаг ихэнх багаж хэрэгслийг мэс заслын багаж хэрэгсэл үйлдвэрлэхэд зориулж 12-20 жингийн хромын агууламжтай аустенитийн зэвэрдэггүй ган хайлшаар (SUS316 ба SUS304) хийдэг.Ган хайлшийн хайлшийн элемент болгон хром металлыг ашиглах нь стандарт ган хайлшийн зэврэлтээс хамгаалах чадварыг эрс сайжруулдаг гэдгийг нийтээр хүлээн зөвшөөрдөг.Зэвэрдэггүй ган хайлш нь зэврэлтэнд тэсвэртэй хэдий ч нянгийн эсрэг чухал шинж чанартай байдаггүй38,39.Энэ нь тэдний зэврэлтэнд тэсвэртэй байдлаас ялгаатай.Үүний дараа халдвар, үрэвслийн хөгжлийг урьдчилан таамаглах боломжтой бөгөөд энэ нь голчлон зэвэрдэггүй ган биоматериалын гадаргуу дээр бактерийн наалдац, колоничлолын улмаас үүсдэг.Хүний эрүүл мэндэд шууд болон шууд бусаар нөлөөлөх олон үр дагаварт хүргэж болзошгүй эрүүл мэндэд муугаар нөлөөлж болох бактерийн наалдац, био хальс үүсэх замтай холбоотой ихээхэн хүндрэлээс болж ихээхэн хүндрэл үүсч болно.
Энэхүү судалгаа нь Кувейтийн Шинжлэх ухааныг Дэвшүүлэх Сан (KFAS)-аас санхүүжүүлсэн төслийн эхний үе шат бөгөөд гэрээний №.2010-550401, MA технологи ашиглан металл шилэн Cu-Zr-Ni гурвалсан нунтаг үйлдвэрлэх боломжийн судалгаа хийх (хүснэгт).1) SUS304 бактерийн эсрэг гадаргууг хамгаалах хальс/бүрээс үйлдвэрлэхэд зориулагдсан.2023 оны 1-р сард хэрэгжиж эхлэх төслийн хоёр дахь үе шат нь гальваник зэврэлтийн шинж чанар, системийн механик шинж чанарыг нарийвчлан судлах болно.Төрөл бүрийн нянгийн микробиологийн нарийвчилсан шинжилгээг хийнэ.
Энэ өгүүлэлд Zr хайлшийн агууламж нь морфологи, бүтцийн шинж чанарт үндэслэн шил үүсгэх чадварт (GFA) үзүүлэх нөлөөг авч үзэх болно.Үүнээс гадна нунтаг бүрсэн металл шил/SUS304 нийлмэлийн бактерийн эсрэг шинж чанарыг мөн хэлэлцсэн.Түүнчлэн үйлдвэрлэсэн металл шилний системийн хэт хөргөлттэй шингэний бүсэд хүйтэн шүрших явцад үүссэн металл шилний нунтаг бүтцийн өөрчлөлт хийх боломжийг судлах ажлыг үргэлжлүүлэн хийж байна.Энэ судалгаанд Cu50Zr30Ni20 ба Cu50Zr20Ni30 металл шилэн хайлшийг төлөөлөх жишээ болгон ашигласан.
Энэ хэсэгт бага энергитэй бөмбөлөг тээрэмдэх үед Cu, Zr, Ni элементийн нунтаг дахь морфологийн өөрчлөлтийг үзүүлэв.Cu50Zr20Ni30 ба Cu50Zr40Ni10-аас бүрдэх хоёр өөр системийг жишээ болгон ашиглах болно.Нунтаглалтын үе шатанд олж авсан нунтаг металлографийн шинж чанараар нотлогдсон MA процессыг гурван тусдаа үе шатанд хувааж болно (Зураг 3).
Бөмбөлөгийг нунтаглах янз бүрийн үе шатуудын дараа олж авсан механик хайлш (MA) нунтагуудын металлографийн шинж чанар.3, 12, 50 цагийн турш бага энергитэй бөмбөлөг тээрэмсний дараа авсан MA болон Cu50Zr40Ni10 нунтагуудын хээрийн ялгаралт сканнерийн электрон микроскоп (FE-SEM) зургийг Cu50Zr20Ni30 системийн хувьд (a), (c) болон (e) хэсэгт ижил MA дээр харуулав.Цаг хугацааны дараа авсан Cu50Zr40Ni10 системийн холбогдох зургийг (b), (d), (f) хэсэгт үзүүлэв.
Бөмбөг тээрэмдэх үед металл нунтаг руу шилжүүлж болох үр дүнтэй кинетик энерги нь 1а-р зурагт үзүүлснээр параметрүүдийн хослолоор нөлөөлдөг.Үүнд бөмбөлөг болон нунтаг хоёрын мөргөлдөх, нунтаглах материалын хооронд гацсан нунтгийн зүсэлт шахалт, унасан бөмбөлөгт үзүүлэх нөлөөлөл, бөмбөлөгт тээрмийн хөдөлж буй биенүүдийн хоорондох нунтаг чирэхээс үүссэн зүслэг, элэгдэл, ачаалагдсан өсгөвөрт тархаж буй унасан бөмбөлгөөр дамжин өнгөрөх цочролын долгион (Зураг 1а). Элементарные порошки Cu, Zr и Ni были сильно деформированы из-за холодной сварки на ранней стадии МА (3 ч), что привело к образованию крупных частиц порошка (> 1 в диаметре). Элементийн Cu, Zr, Ni нунтагууд нь MA-ийн эхний үе шатанд (3 цаг) хүйтэн гагнуурын улмаас хүчтэй гажигтай байсан бөгөөд энэ нь том нунтаг хэсгүүд (> 1 мм диаметртэй) үүсэхэд хүргэсэн.Эдгээр том нийлмэл хэсгүүд нь зурагт үзүүлсэн шиг хайлшлах элементүүдийн (Cu, Zr, Ni) зузаан давхаргуудаар тодорхойлогддог.3а,б.MA хугацааг 12 цаг хүртэл (завсрын үе шат) нэмэгдүүлэх нь бөмбөлөгт тээрмийн кинетик энергийг нэмэгдүүлэхэд хүргэсэн бөгөөд энэ нь нийлмэл нунтагыг жижиг нунтаг болгон задлахад хүргэсэн (200 μм-ээс бага) Зураг 3c, хотын .Энэ үе шатанд хэрэглэсэн зүсэлтийн хүч нь Cu, Zr, Ni нимгэн давхарга бүхий шинэ металл гадаргуу үүсэхэд хүргэдэг бөгөөд үүнийг Зураг 3c, d-д үзүүлэв.Хумсуудын интерфэйс дэх давхаргыг нунтагласны үр дүнд хатуу фазын урвалууд нь шинэ үе шатууд үүсдэг.
MA үйл явцын оргил үед (50 цагийн дараа) ширхэгийн металлографи бараг мэдэгдэхүйц биш (Зураг 3e, f), нунтаг өнгөлсөн гадаргуу дээр толин тусгал металлографи ажиглагдсан.Энэ нь MA процессыг дуусгаж, нэг урвалын үе шатыг бий болгосон гэсэн үг юм.Зурагт заасан бүс нутгийн элементийн найрлага.3e (I, II, III), f, v, vi) -ийг эрчим хүчний тархалттай рентген спектроскопи (EDS) -тай хослуулан талбарын ялгарлын сканнерийн электрон микроскоп (FE-SEM) ашиглан тодорхойлсон.(IV).
Хүснэгтэнд.Хайлшлах элементийн 2 элементийн концентрацийг Зураг дээр сонгосон бүс бүрийн нийт массын хувиар үзүүлэв.3e, f.Эдгээр үр дүнг 1-р хүснэгтэд өгсөн Cu50Zr20Ni30 ба Cu50Zr40Ni10-ийн анхны нэрлэсэн найрлагатай харьцуулж үзвэл эдгээр хоёр эцсийн бүтээгдэхүүний найрлага нь нэрлэсэн найрлагатай маш ойрхон байгааг харуулж байна.Нэмж дурдахад, 3e,f-т жагсаасан бүс нутгуудын бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн харьцангуй утгууд нь дээж бүрийн найрлага нь нэг бүсээс нөгөөд мэдэгдэхүйц муудах эсвэл өөрчлөгдөхийг санал болгодоггүй.Нэг бүс нутгаас нөгөө бүс нутагт бүтэц бүрэлдэхүүнд өөрчлөлт ороогүй нь үүнийг нотолж байна.Энэ нь 2-р хүснэгтэд үзүүлсэн шиг жигд хайлш нунтаг үйлдвэрлэхийг харуулж байна.
Cu50(Zr50-xNix) эцсийн бүтээгдэхүүний нунтаг FE-SEM микрографикийг Зураг 4a-d-д үзүүлсэн шиг 50 MA удаа дараа авсан бөгөөд энд x нь 10, 20, 30 ба 40 at.% байна.Энэхүү нунтаглалтын алхамын дараа ван дер Ваалсын нөлөөгөөр нунтаг дүүргэгч нь 73-аас 126 нм диаметртэй хэт нарийн ширхэгтэй хэсгүүдээс бүрдэх том дүүргэгчийг 4-р зурагт үзүүлэв.
50 цагийн MA-ийн дараа олж авсан Cu50(Zr50-xNix) нунтагуудын морфологийн шинж чанар.Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40 системүүдийн хувьд 50 MA-ийн дараа авсан нунтагуудын FE-SEM зургийг (a), (b), (c), (d) хэсэгт тус тус үзүүлэв.
Нунтаг бодисыг хүйтэн шүршигч тэжээгч рүү ачаалахын өмнө тэдгээрийг эхлээд аналитик этанолд 15 минутын турш дууны аппаратанд оруулаад дараа нь 150°С-т 2 цагийн турш хатаана.Бүрэх явцад олон ноцтой асуудал үүсгэдэг бөөгнөрөлтэй амжилттай тэмцэхийн тулд энэ алхамыг хийх ёстой.MA процесс дууссаны дараа хайлш нунтагуудын нэгэн төрлийн байдлыг судлах нэмэлт судалгааг хийсэн.Зураг дээр.5a–d зурагт M хугацааны 50 цагийн дараа авсан Cu50Zr30Ni20 хайлшийн Cu, Zr, Ni хайлшийн элементүүдийн FE-SEM микрографи болон харгалзах EDS зургийг харуулав.Энэ алхамын дараа олж авсан хайлш нунтаг нь 5-р зурагт үзүүлсэн шиг дэд нанометрийн түвшингээс хэтэрсэн найрлагын хэлбэлзлийг харуулдаггүй тул нэгэн төрлийн болохыг тэмдэглэх нь зүйтэй.
FE-SEM/Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) аргаар 50 MA-ийн дараа олж авсан MG Cu50Zr30Ni20 нунтаг дахь элементүүдийн морфологи ба орон нутгийн тархалт.(a) (b) Cu-Kα, (в) Zr-Lα, (г) Ni-Kα-ийн SEM болон рентген EDS дүрслэл.
50 цагийн MA-ийн дараа олж авсан механик хайлштай Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr20Ni30 нунтагуудын рентген туяаны дифракцийн загварыг Зураг дээр үзүүлэв.6a–d, тус тус.Энэ нунтаглалтын үе шатны дараа өөр өөр Zr концентрацитай бүх дээжүүд нь 6-р зурагт үзүүлсэн гало диффузийн шинж чанар бүхий аморф бүтэцтэй байв.
50 цагийн турш MA-ийн дараа Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c), Cu50Zr20Ni30 (d) нунтагуудын рентген дифракцийн загвар.Бүх дээжинд гало-диффузийн хэв маяг ажиглагдсан нь аморф фаз үүссэнийг харуулж байна.
Өндөр нарийвчлалтай талбарын ялгаруулалт дамжуулагч электрон микроскопийг (FE-HRTEM) бүтцийн өөрчлөлтийг ажиглаж, янз бүрийн MA хугацаанд бөмбөлөг тээрэмдэхээс үүссэн нунтагуудын орон нутгийн бүтцийг ойлгоход ашигласан.Cu50Zr30Ni20 ба Cu50Zr40Ni10 нунтаг нунтаглах эхний (6 цаг) ба завсрын (18 цаг) үе шатуудын дараа FE-HRTEM аргаар олж авсан нунтагуудын зургийг Зураг дээр үзүүлэв.7a, тус тус.6 цагийн MA-ийн дараа олж авсан нунтгийн тод талбайн дүрслэлээс (BFI) үзэхэд нунтаг нь fcc-Cu, hcp-Zr, fcc-Ni элементүүдийн тодорхой заагласан том ширхэгтэй хэсгүүдээс бүрдэх ба 7а-р зурагт үзүүлсэн шиг урвалын үе үүсэх шинж тэмдэг байхгүй байна.Үүнээс гадна, (a) дунд бүсээс авсан хамааралтай сонгосон талбайн дифракцийн загвар (SADP) нь том талстууд байгаа ба реактив фаз байхгүй байгааг харуулсан хурц дифракцийн хэв маягийг (Зураг 7б) илрүүлсэн.
Эхний (6 цаг) ба завсрын (18 цаг) үе шатуудын дараа олж авсан MA нунтаг орон нутгийн бүтцийн шинж чанар.(a) 6 цагийн турш MA эмчилгээний дараа Cu50Zr30Ni20 нунтагын өндөр нарийвчлалтай талбарын ялгаруулалтын электрон микроскоп (FE-HRTEM) ба (б) тохирох сонгосон талбайн дифрактограмм (SADP).18 цагийн MA-ийн дараа олж авсан Cu50Zr40Ni10-ийн FE-HRTEM дүрсийг (c) үзүүлэв.
Зурагт үзүүлсэн шиг.7c, MA-ийн үргэлжлэх хугацааг 18 цаг хүртэл нэмэгдүүлэх нь хуванцар деформацитай хослуулан торны ноцтой согогуудад хүргэсэн.MA процессын энэ завсрын үе шатанд овоолгын гэмтэл, торны согог, цэгийн согог зэрэг нунтагт янз бүрийн согогууд гарч ирдэг (Зураг 7).Эдгээр согогууд нь үр тарианы хилийн дагуу том ширхэгтэй хэсгүүдийг 20 нм-ээс бага хэмжээтэй дэд хэсгүүдэд хуваахад хүргэдэг (Зураг 7c).
36 цагийн MA-ийн турш тээрэмдсэн Cu50Z30Ni20 нунтагны орон нутгийн бүтэц нь 8а-р зурагт үзүүлсэн шиг аморф нимгэн матрицад шингэсэн хэт нарийн ширхэгтэй нано мөхлөгүүд үүссэнээр тодорхойлогддог.EMF-ийн орон нутгийн дүн шинжилгээ нь Зураг дээр үзүүлсэн нанокластеруудыг харуулсан.8a нь боловсруулаагүй Cu, Zr, Ni нунтаг хайлштай холбоотой.Матриц дахь Cu-ийн агууламж ~32 at.% (муу бүс) -ээс ~74 at.% (баян бүс) хүртэл хэлбэлзэж байсан нь нэг төрлийн бүтээгдэхүүн үүссэнийг харуулж байна.Түүнчлэн, энэ үе шатанд тээрэмсний дараа олж авсан нунтагуудын харгалзах SADP-ууд нь 8б-р зурагт үзүүлсэн шиг эдгээр боловсруулаагүй хайлшийн элементүүдтэй холбоотой хурц үзүүрүүдтэй давхцаж буй анхдагч болон хоёрдогч гало-диффузийн аморф фазын цагиргийг харуулж байна.
Beyond 36 h-Cu50Zr30Ni20 нунтаг нано хэмжээний орон нутгийн бүтцийн онцлог.(a) Гэрэлт талбайн зураг (BFI) ба харгалзах (б) 36 цагийн MA тээрэмсний дараа олж авсан Cu50Zr30Ni20 нунтаг SADP.
MA үйл явцын төгсгөлд (50 цаг), Cu50 (Zr50-xNix), X, 10, 20, 30, 40% -ийн нунтаг нь зурагт үзүүлсэн шиг аморф фазын лабиринт хэлбэрийн морфологитой байна.Бүрэлдэхүүн бүрийн харгалзах SADS-д цэгийн дифракц, хурц цагираг хэлбэрийн хэв маягийн аль нь ч илрээгүй.Энэ нь цэвэршүүлээгүй талст металл байхгүй, харин аморф хайлш нунтаг үүссэнийг харуулж байна.Гало диффузийн хэв маягийг харуулсан эдгээр харилцан хамааралтай SADP-ийг эцсийн бүтээгдэхүүний материалд аморф фазыг хөгжүүлэх нотолгоо болгон ашигласан.
Cu50 MS системийн эцсийн бүтээгдэхүүний орон нутгийн бүтэц (Zr50-xNix).(a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (в) Cu50Zr20Ni30, (г) Cu50Zr10Ni40-ийн FE-HRTEM ба харилцан хамааралтай нано цацрагийн дифракцийн загвар (NBDP) MA-аас 50 цагийн дараа авсан.
Дифференциал сканнерийн калориметрийг ашиглан Cu50(Zr50-xNix) аморф систем дэх Ni (x)-ийн агууламжаас хамааран шилэн шилжилтийн температур (Tg), хэт хөргөсөн шингэний бүс (ΔTx) болон талстжих температурын (Tx) дулааны тогтвортой байдлыг судалсан.He хийн урсгал дахь (DSC) шинж чанарууд.MA-ийн дараа 50 цагийн турш олж авсан Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr10Ni40 аморф хайлшийн нунтаг DSC муруйг Зураг дээр үзүүлэв.10a, b, e, тус тус.Аморф Cu50Zr20Ni30-ийн DSC муруйг 10-р зуунд тусад нь харуулсан байхад DSC-д ~700°C хүртэл халсан Cu50Zr30Ni20 дээжийг Зураг 10г-д үзүүлэв.
MA-ийн дараа 50 цагийн турш олж авсан Cu50(Zr50-xNix) MG нунтагуудын дулааны тогтвортой байдлыг шилэн шилжилтийн температур (Tg), талсжих температур (Tx) болон хэт хөргөсөн шингэний бүс (ΔTx) зэргээр тодорхойлно.Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c) ба (e) Cu50Zr10Ni40 MG хайлш нунтагуудын дифференциал сканнерийн калориметрийн (DSC) нунтагуудын термограмм 50 цагийн турш MA-ийн дараа.DSC-д ~700°C хүртэл халаасан Cu50Zr30Ni20 дээжийн рентген туяаны дифракцийн загварыг (XRD) (d) үзүүлэв.
Зураг 10-д үзүүлснээр никель (x) өөр өөр концентрацитай бүх найрлагад зориулсан DSC муруй нь нэг эндотермик, нөгөө нь экзотермик гэсэн хоёр өөр тохиолдлыг харуулж байна.Эхний эндотермик үйл явдал нь Tg-тэй тохирч, хоёр дахь нь Tx-тэй холбоотой.Tg ба Tx хооронд орших хэвтээ зайны талбайг хөргөлттэй шингэний хэсэг (ΔTx = Tx – Tg) гэж нэрлэдэг.Үр дүнгээс харахад Cu50Zr40Ni10 дээжийн Tg ба Tx (Зураг 10а) нь 526°C ба 612°C-т байрлуулсан (х) агууламжийг 20% хүртэл 482°C ба 563°C гэсэн нам температурын тал руу шилжүүлж байгааг харуулж байна.°C, Ni-ийн агууламж (x) нэмэгдэж, Зураг 10б-д үзүүлэв.Иймээс ΔTx Cu50Zr40Ni10 нь Cu50Zr30Ni20-ийн хувьд 86°С (Зураг 10а) -аас 81°С хүртэл буурдаг (Зураг 10б).MC Cu50Zr40Ni10 хайлшийн хувьд Tg, Tx, ΔTx-ийн утгууд 447°С, 526°С, 79°С хүртэл буурсан нь ажиглагдсан (Зураг 10б).Энэ нь Ni-ийн агууламж нэмэгдэх нь MS хайлшийн дулааны тогтвортой байдал буурахад хүргэдэг болохыг харуулж байна.Үүний эсрэгээр, MC Cu50Zr20Ni30 хайлшийн Tg (507 ° C) утга нь MC Cu50Zr40Ni10 хайлшаас бага байна;Гэсэн хэдий ч түүний Tx нь түүнтэй харьцуулахуйц утгыг харуулж байна (612 ° C).Тиймээс ΔTx нь зурагт үзүүлсэн шиг илүү өндөр утгатай (87 ° C) байна.10-р зуун
Жишээ болгон Cu50Zr20Ni30 MC хайлшийг ашигласан Cu50(Zr50-xNix) MC систем нь хурц экзотермик оргилоор fcc-ZrCu5, орторомб-Zr7Cu10, орторомбик-ZrNi талст фаз (10) болж талсждаг.Аморфаас талст руу шилжих энэ үе шатыг DSC-д 700 ° C хүртэл халаасан MG дээжийн (Зураг 10d) рентген туяаны дифракцийн шинжилгээгээр баталгаажуулсан.
Зураг дээр.11-д одоогийн ажлын явцад хүйтэн шүрших явцад авсан гэрэл зургуудыг харуулав.Энэхүү судалгаанд MA-ийн дараа 50 цагийн турш нийлэгжүүлсэн металлын шилэн нунтаг хэсгүүдийг (жишээ нь Cu50Zr20Ni30) бактерийн эсрэг түүхий эд болгон ашиглаж, зэвэрдэггүй ган хавтанг (SUS304) хүйтэн шүршигчээр бүрсэн.Хүйтэн шүрших аргыг дулаан шүршигч технологийн цувралд бүрэхийн тулд сонгосон бөгөөд энэ нь аморф ба нанокристал нунтаг зэрэг металлын хувирамтгай халуунд мэдрэмтгий материалд ашиглах боломжтой дулааны шүрших технологийн цувралд хамгийн үр дүнтэй арга юм.Үе шатанд хамаарахгүй.шилжилтүүд.Энэ аргыг сонгох гол хүчин зүйл нь энэ юм.Хүйтэн хуримтлуулах үйл явц нь субстрат эсвэл өмнө нь хуримтлагдсан хэсгүүдэд нөлөөлсөн хэсгүүдийн кинетик энергийг хуванцар хэв гажилт, хэв гажилт, дулаан болгон хувиргадаг өндөр хурдтай хэсгүүдийг ашиглан гүйцэтгэдэг.
Талбайн гэрэл зургууд нь MG/SUS 304-ийн 550°С-т дараалсан таван бэлдмэлийг хүйтэн шүрших аргыг харуулж байна.
Хуванцар деформаци (матриц дахь анхдагч тоосонцор ба бөөмс хоорондын харилцан үйлчлэл, бөөмс хоорондын харилцан үйлчлэл), хатуу биетийн завсрын зангилаа, бөөмс хоорондын эргэлт, дулааны задралын өөрчлөлт, дулааны задралын өөрчлөлт39 зэрэг механизмаар бөөмсийн кинетик энерги, түүнчлэн бөөмс бүрийн импульс нь бусад төрлийн энерги болгон хувиргах ёстой. дулааны энерги болон хэв гажилтын энерги болж хувирвал үр дүн нь уян харимхай мөргөлдөөн үүсэх бөгөөд энэ нь цохилтын дараа бөөмс нь зүгээр л үсэрдэг гэсэн үг юм.Бөөм/субстрат материалд үзүүлэх нөлөөллийн энергийн 90% нь орон нутгийн дулаан 40 болж хувирдаг болохыг тэмдэглэсэн.Нэмж дурдахад, нөлөөллийн стресс хэрэглэх үед бөөмс/субстраттай харьцах бүсэд маш богино хугацаанд хуванцар деформацийн өндөр хурдыг олж авдаг41,42.
Хуванцар хэв гажилтыг ихэвчлэн энергийг тараах үйл явц, эс ​​тэгвээс гадаргуугийн бүсэд дулааны эх үүсвэр гэж үздэг.Гэсэн хэдий ч гадаргуугийн бүс дэх температурын өсөлт нь ихэвчлэн гадаргуу хоорондын хайлах эсвэл атомуудын харилцан тархалтыг мэдэгдэхүйц өдөөхөд хангалтгүй байдаг.Хүйтэн шүрших техникийг ашиглах үед үүссэн нунтаг наалдамхай болон тунгалагшилд эдгээр металл шилэн нунтагуудын шинж чанаруудын нөлөөллийг зохиогчдын мэддэг ямар ч хэвлэлд судлаагүй байна.
MG Cu50Zr20Ni30 хайлшны нунтаг BFI-ийг SUS 304 субстрат (Зураг 11, 12б) дээр хадгалсан 12a-р зурагт харж болно.Зургаас харахад бүрсэн нунтаг нь ямар ч талст шинж чанар, торны согоггүй нарийн лабиринт бүтэцтэй тул анхны аморф бүтэцээ хадгалсаар байна.Нөгөөтэйгүүр, зураг нь гадны фаз байгааг харуулж байгаа нь MG-ээр бүрсэн нунтаг матрицад орсон нано хэсгүүдээр нотлогдож байна (Зураг 12а).Зураг 12в-д I бүстэй холбоотой индексжүүлсэн нано цацрагийн дифракцийн хэв маягийг (NBDP) харуулав (Зураг 12a).Зурагт үзүүлсэн шиг.12c, NBDP нь аморф бүтцийн сул гало-диффузийн хэв маягийг харуулдаг бөгөөд талст том куб метаставтай Zr2Ni фаз ба тетрагональ CuO фазтай тохирох хурц цэгүүдтэй зэрэгцэн оршдог.CuO үүсэх нь задгай агаарт шүршигч бууны хошуунаас SUS 304 руу шилжих үед нунтаг исэлдэлтээр тайлбарлаж болно.Нөгөөтэйгүүр, металлын шиллэг нунтаг бодисыг салгаснаар 30 минутын турш 550 ° C-т хүйтэн шүрших эмчилгээ хийсний дараа том куб фазууд үүссэн.
(a) (b) SUS 304 субстрат дээр хадгалсан MG нунтагны FE-HRTEM зураг (Зураг оруулга).(a)-д үзүүлсэн дугуй тэмдгийн NBDP индексийг (c)-д үзүүлэв.
Том шоо Zr2Ni нано бөөмс үүсэх энэхүү боломжит механизмыг туршихын тулд бие даасан туршилт хийсэн.Энэ туршилтанд нунтаг бодисыг SUS 304 субстратын чиглэлд 550 ° C-т атомчлагчаас цацсан;харин зөөлрүүлэх нөлөөг тодорхойлохын тулд нунтаг SUS304 туузаас аль болох хурдан (60 секунд орчим) зайлуулсан.).Өөр нэг цуврал туршилтыг хэрэглэсний дараа ойролцоогоор 180 секундын дараа субстратаас нунтагыг зайлуулсан.
Зураг 13a, b-д SUS 304 субстрат дээр 60 секунд ба 180 секундын турш хадгалсан хоёр цацагдсан материалын Сканнер дамжуулалтын электрон микроскоп (STEM) харанхуй талбайн (DFI) зургийг харуулав.60 секундын турш хадгалсан нунтаг дүрс нь морфологийн нарийн ширийн зүйлгүй, онцлог шинжгүй байгааг харуулж байна (Зураг 13a).Үүнийг мөн XRD нотолсон бөгөөд энэ нь эдгээр нунтагуудын ерөнхий бүтэц аморф байсныг Зураг 14а-д үзүүлсэн анхдагч болон хоёрдогч дифракцийн өргөн оргилууд харуулсан.Энэ нь нунтаг нь анхны аморф бүтцийг хадгалдаг метастал/мезофазын тунадас байхгүй байгааг харуулж байна.Үүний эсрэгээр, ижил температурт (550 ° C) хуримтлагдсан боловч субстрат дээр 180 секундын турш үлдсэн нунтаг нь 13б-р зураг дээрх сумаар харуулсан шиг нано хэмжээтэй үр тарианы хуримтлалыг харуулсан.