Isothermal and Dynamic Microcalorimetry for Quantifying the Crystallization of an Amorphous Drug during Interactive Powder Mixing

ABSTRACT

This study reports the crystallization of amorphous nifedipine during an interactive mixing process quantified by using isothermal and dynamic microcalorimetry. Interactive mixtures of amorphous nifedipine and uniform glass beads were prepared by mixing in a Turbula® mixer. The difference in the extent of crystallization of amorphous nifedipine during mixing was characterized by the time it took for the crystallization of a known amount of amorphous nifedipine in isothermal calorimetry and the change in the height of the crystallization peak at 65°C in dynamic calorimetry. It was found that both isothermal and dynamic microcalorimetry are useful techniques for quantifying the physical transition of amorphous nifedipine during interactive mixing. The rate and extent of crystallization of amorphous nifedipine depended on both mixing time and speed, but mixing time played a more dominant role because the transformation of amorphous to crystalline nifedipine was greater after 3180 revolutions (9.7%) than after 405 revolutions (0.9%) at 27 rpm. The same trend was observed at 109 rpm, but the percentage of crystalline nifedipine after 3180 revolutions was only 5.2%. This meant that an increase in mixing time rather than speed increased the rate of amorphous to crystalline transformation. The greatest cause for crystal transformation during interactive mixing was the presence of crystal seeds of the thermodynamically stable nifedipine Modification I because the amount of amorphous to crystalline transformation increased from 2.6% for a completely amorphous mixture to 6.6% for a 92:8 mixture of amorphous and crystalline nifedipine when mixed for 30 minutes at 106 rpm.     

Isothermal Crystallization Kinetics of an Amorphous CuTi Alloy

Isothermal crystallization kinetics ofCu_(40)Ti_(60)amorphous alloy has been studied usingdifferential scanning calorimetry(DSC).Bothas-quenched and pre-annealed ribbons were inves-tigated.For crystallization of as-quenched amor-phous ribbon in Ar,it was found that the kineticsfollows Johnson-Mehl-Avrami equation withmean Avrami exponent n=2.58,which indicatesthat crystallization of amorphous Cu_(40)Ti_(60)is athree-dimensional diffusion controlled growth pro-cess with constant nucleation rate,i.e.,primarycrystallization process.The primary phase is thetetragonal CuTi_2.The as-quenched amorphousribbons were also crystallized in air,the results re-veal that oxidation has no significant influence oncrystallization kinetics of amorphous Cu_(40)Ti_(60).The results of crystallization of pre-annealed rib-bons show a decreasing tendency of Avrami expo-nent with increasing pre-anneal time.The localactivation energy and local Avrami exponent dur-ing crystallization process of as-quenched amor-phous alloy were also examined.     

Fe基非晶合金涂层的多晶型晶化过程研究

等离子喷涂Fe基非晶合金涂层的晶化温度在590℃左右.在高于晶化温度热处理时,涂层首先以多晶型晶化方式直接结晶形成亚稳的Fe23(c,B)6和Fe23B6化合物相.随热处理时间延长,Fe23(C,B)6和Fe23B6相发生分解,逐渐转变为更稳定的Fe3B相和Fe固溶体相.热处理温度越高,Fe23(C,B)6相和Fe23B6相的分解转变速度越快.随热处理温度升高或时间的延长,晶化涂层的硬度呈线性降低.经590℃,4h热处理后,涂层结晶形成纳米晶组织;经660℃,4h热处理后,涂层结晶形成树枝状晶组织,随热处理温度升高,涂层中扁平状粒子间结合增强并趋于熔合,晶粒发生长大.     

真空气氛下非晶硅碳氮(SiCN)陶瓷的高温晶化行为

以六甲基二硅氮烷为单一前驱体,采用电热裂解化学气相沉积技术制备了SiCN陶瓷. 借助X射线衍射仪、透射电子显微镜研究了真空环境中非晶SiCN陶瓷在1300～1900℃范围内的晶化行为,并根据研究结果,运用分解-结晶机理解释了其晶化过程. 非晶SiCN陶瓷在低于1300℃开始发生分解,形成富Si-C区域,并最终发生β-SiC结晶. 其结晶度随热处理温度的升高而愈加明显.在1700℃处理时发生β-SiC→α-SiC相变. 分解形成的N-难以与Si-结合形成富Si-N区域,最终以N₂形式溢出,在整个热处理温度范围没有出现氮气下热处理时存在的Si₃N₄结晶.     

无定形碳酸钙的稳定性和结晶转化过程研究进展

无定形碳酸钙在具有多级结构和优异力学性能的碳酸钙矿物的形成过程中起着至关重要的作用。生物体可以非常精确地调控无定形碳酸钙的结晶转化过程,而化学合成的无定形碳酸钙通常很不稳定。因此,从化学的角度研究无定形碳酸钙的稳定机理以及无定形碳酸钙结晶转化过程,对于理解以无定形物相为前驱体的生物矿物形成过程具有非常重要的意义。综述了无定形碳酸钙的本征特性,以及环境因素和添加剂对其稳定性和结晶转化的影响,阐述了无定形碳酸钙在晶体生长过程中的作用,讨论了该领域对材料结构和特性调控方面的启示。     

非晶态Cr-C合金镀层性能及晶化过程研究

采用电沉积法制备非晶态Cr-C合金镀层,利用X射线衍射和扫描电子显微镜对镀层结构和形貌进行表征,并对镀层进行硬度、耐磨性、耐腐蚀性及热处理实验。结果表明,非晶态Cr-C合金镀层硬度、耐磨性和耐腐蚀性均明显优于普通晶态镀层;施镀态镀层硬度为997HV0.025,在300～600℃范围内发生晶化反应并析出Cr7C3、Cr23C6化合物,硬度可达1610HV0.025。     

纳米多层膜中的非晶晶化与超硬效应

通过对TiN/SiC、TiN/TiB₂和TiN/SiO₂纳米多层膜微结构和力学性能的研究, 展示了通常溅射沉积态为非晶的SiC、TiB2和SiO₂薄膜, 在立方结构的TiN晶体层模板作用下的晶化现象, 以及多层膜由此产生的生长结构和力学性能的变化. 结果表明: SiC在层厚0.6nm时晶化为立方结构后,可以反过来促进TiN/SiC多层膜中TiN层的晶体完整性; TiB₂在层厚2.9nm时晶化为六方结构, 并与TiN形成{111} _TiN//{0001} _TiB2, <100> _TiN//<11-20> _TiB2 的共格关系; SiO₂在层厚0.9nm 时晶化为立方结构的赝晶. 多层膜中SiC、TiB₂和SiO₂晶化后都与TiN形成共格外延的生长结构, 并相应产生了硬度升高的超硬效应. 随着SiC、TiB₂和SiO₂层厚的增加, 它们又转变为非晶态, 多层膜的共格外延生长受到破坏, 其硬度亦明显降低.     

Ni-Fe-(Nb)-Si-B非晶合金的等温晶化与结构转变

采用旋铸急冷工艺在大气环境中制备出(Ni0.75Fe0.25)78-xNbxSi10B12(x=0,5)非晶合金带材.X射线衍射(XRD)分析表明样品为完全非晶态.用差热分析仪(DTA)在高纯氩气保护下测量了非晶薄带的Tg、Tx、Tm,并分析了其热稳定性.根据DTA结果分析表明,(Ni0.75Fe0.25)78Si10B12非晶合金退火温度为695,715,745和765K,在715和745K退火时,非晶基体上析出了单一的γ-(Fe, Ni)固溶体,平均晶粒尺寸分别约为10.3和18.5nm;765K退火后的结晶相为γ-(Fe, Ni)固溶体,Fe2Si,Ni2Si和Fe3B.(Ni0.75Fe0.25)73Nb5Si10B12非晶合金的退火温度为720,750和800K,退火后不能在非晶基体上析出单一的晶化相,晶化析出相为γ-(Fe, Ni)固溶体,(Fe, Ni)23B6,Ni31Si12和Nb2NiB0.16.     

Metastable Sigma-phase Formation by Crystallization of Amorphous Fe-Si-B and Fe-Cr-V-B Alloys

Initial stages of crystallization of amorphous iron base alloys were investigated by means of transmission electrone microscopy, X-ray diffraction, differential thermal analysis. Metastable phase with structure type of sigma phase (e.g., in Fe-Cr alloys) was observed in melt spun ribbons by rapid heating or annealing at temperatures below the first exothermic peak of DTA curve. The composition of 6-phase is close to that of amorphous matrix—it contains a considerable amount of metalloid atoms. Sigma-phase is formed in Fe-Si-B alloys which do not contain metal atoms other than Fe. Sigma phase appears also as an intermediate stage before formation of nanocrystalline finemet-type structure on the base of -Fe in Fe-V-B alloy.     

Mg-Zn-Ca-Ti非晶合金的非等温晶化动力学

采用机械合金化的方法制备Mg_(48)Zn_(40)Ca_5Ti_7和Mg_(58)Zn_(30)Ca_5Ti_7非晶合金。利用X射线衍射仪(XRD)对其物相进行检测;结合差示扫描量热分析方法(DSC),对试样在不同升温速率下的非等温晶化进行研究。结果表明:Mg_(48)Zn_(40)Ca_5Ti_7和Mg_(58)Zn_(30)Ca_5Ti_7基本形成非晶;随着加热速率的增加,合金结晶峰均向更高温度的方向移动;用Kissinger、Ozawa和Augis-Bennett方法分别计算出Mg_(48)Zn_(40)Ca_5Ti_7和Mg_(58)Zn_(30)Ca_5Ti_7非晶合金的表观激活能Eα,发现Mg_(48)Zn_(40)Ca_5Ti_7非晶合金的Eα在250kJ·mol~(-1)~270kJ·mol~(-1)范围内,Mg_(58)Zn_(30)Ca_5Ti_7非晶合金的Eα在180kJ·mol~(-1)~200kJ·mol~(-1)范围内;Mg_(48)Zn_(40)Ca_5Ti_7非晶合金的Avrami指数n在不同升温速率下均在1左右;Mg_(58)Zn_(30)Ca_5Ti_7非晶合金的Avrami指数n随着升温速率的增加,由2.7减小到1.9。     

Al诱导a-Si:H薄膜的晶化

采用等离子体化学气相沉积方法在镀Al玻璃及单晶Si衬底上制备了氢化非晶硅(a-Si:H)薄膜,研究了样品在不同的热处理过程中Al对其晶化过程的影响.X射线衍射测量发现,由于Al的存在使a-Si:H的晶化温度大幅度降低,并得到了有强烈(111)结晶取向的多晶Si薄膜.X射线光电子能谱分析表明,热处理过程中Al向Si薄膜表面的扩散降低了Si的成核温度.     

机械合金化制备Fe-Zr-B非晶合金及其晶化动力学行为研究

在高纯氩气保护下使用机械合金化法对原子组成为Fe60Zr40-xBx(x=10、20、30)的混合粉体进行实验,成功地制取了非晶合金粉。结合X射线衍射与DSC的分析,认为:Fe60Zr20B20和Fe60Zr10B30体系因B原子含量较高,使得其非晶化效率及热稳定性都要高于B原子含量较少的Fe60Zr30B10体系。计算得出Fe60Zr20B20和Fe60Zr10B30两个体系的非晶晶化激活能数据分别为(201.7±58.5)kJ·mol-1和(220.3±18.1)kJ·mol-1。     

非晶态合金Fe16Ni60Cr4B16Si4的结构弛豫和晶化

用差热分析法（ＤＴＡ）研究了Ｆｅ１６Ｎｉ６０Ｃｒ４Ｂ１６Ｓｉ４，非晶态合金升温过程结构驰豫和晶化特征，根据结构驰豫和晶化激活能的计算结果分析两个过程的原子运动行为，用ＴＥＭ研究了结构驰豫，讨论了ＤＴＡ与显微维氏硬度两曲线间的关系，提出结构驰豫是以调幅分解和形核两种方式进行，纳米晶成核温度ＴＭ。     

高类金属含量非晶态合金的晶化温度研究

研究了含有Ｂ、Ｓｉ二种类金属元素的Ｎｉ基非晶态合金的晶化温度随其中活性较强的类金属元素Ｂ含量变化关系。发现当Ｂ含量＜１７．５ａｔ％时，出现二个晶化温度Ｔｃｒ１和Ｔｃｒ２；当Ｂ含量＞１７．５ａｔ％时，则只有一个晶化温度Ｔｃｔ。利用“双层单元结构模型”和“结构缺陷形成机制”，对其微观机理给出的理论模型解释。     

Co-Finemet非晶合金晶化动力学及其纳米晶粉芯的磁性

利用单辊熔体快淬法在大气环境中制备了Fe73.5-xCoxSi13.5B9Cu1Nb3(x=10,30,50)非晶薄带,利用差示扫描量热法(DSC)研究了非晶薄带的晶化动力学行为。采用Kissinger和Ozawa方法计算了非晶薄带的晶化表观激活能,计算结果表明:随着Co含量的增加,一次晶化的表观激活能降低而二次晶化的表观激活能升高。利用Johnson-Mehl-Avrami(JMA)模型计算了非晶薄带一次晶化的局域Avrami指数m,计算结果表明非晶薄带一次晶化的机理在不同的晶化阶段是不一样的,晶化初期为扩散控制的三维形核和晶粒生长的整体晶化,晶化中后期为一维形核和晶粒生长的表面晶化,形核率近似为零。研究了Fe63.5Co10Si13.5B9Cu1Nb3纳米晶粉芯的磁性与球磨时间之间的关系,结果表明:纳米晶粉芯的有效磁导率表现出较好的频率稳定性,而且随着球磨时间的增加而减小,品质因子在低频范围内随着频率的增加而增加,在约80 kHz达到峰值,然后随着频率的进一步增加而逐渐减小。     

铝诱导晶化P型非晶硅薄膜实验研究

利用PECVD设备在普通玻璃基片上沉积硼掺杂P型非晶硅薄膜,采用铝诱导晶化法（AIC）在氮气气氛保护下进行退火处理制备出P型多晶硅薄膜,研究了不同厚度的金属铝膜和热处理温度对非晶硅薄膜的微观结构、表面形貌的影响。实验结果表明：铝膜相对厚度越厚,对a—Si的晶化诱导效果则越好,在一定温度条件下,相对较厚的铝膜可以缩短a—Si晶化为polv-Si的时间,并且能使a—Si的晶化更加完整,产生尺寸较大的硅晶颗粒。在铝膜厚度相同,退火温度相同的条件下,热处理的时间越长,则晶化发生的程度越深,晶化越为彻底。     

前驱体转化低铝含量非晶Si-Al-C-N的高温析晶行为

将不同铝含量的聚铝硅氮烷前驱体在氮气保护下1200℃裂解,再在1400-1800℃高温处理,制备出非晶Si-Al-C-N.采用红外光谱、X射线衍射,拉曼光谱和透射电子显微镜分别表征前驱体的结构、Si-Al-C-N的析晶特性、自由碳的微观结构,研究了铝含量、析晶温度和保温时间对非晶Si-Al-C-N析晶性能的影响.结果表...     

非晶态合金晶化过程的微观机理探讨

本文对非晶态合金的晶化过程提出了一种新的成核机制,从而对非晶态 Fe-B 系合金的晶化温度 Tcr 与类金属 B 含量的关系及 Fe-Ni 基合金的晶化起始温度 Tg 与淬火速率的关系等重要实验规律,作出了相当合理的理论模型解释。     

预退火温度对Cu基块状非晶玻璃转变及晶化的影响

采用差示扫描量热（Dsc）分析方法测定了Cu50Zr42Al8块状非晶合金在不同温度（350～450℃）预退火4h后的玻璃转变温度Tg、起始晶化温度Tx、晶化峰值温度Tp和玻璃转变过程中的比热容变化。结果表明：预退火处理试样的玻璃转变温度Tg、玻璃转变比热变化ΔCp，g随退火温度的升高呈现逐渐增加的趋势，而其起始晶化温度Tx和晶化峰值温度Tp随退火温度的变化不明显。并利用结构弛豫理论分析了预退火温度对玻璃转变和晶化的