Dankie dat u Nature.com besoek het. Die blaaierweergawe wat u gebruik, het beperkte CSS-ondersteuning. Vir die beste ervaring beveel ons aan dat u 'n opgedateerde blaaier gebruik (of Verenigbaarheidsmodus in Internet Explorer deaktiveer). Intussen, om voortgesette ondersteuning te verseker, sal ons die webwerf sonder style en JavaScript weergee.
Biofilms is 'n belangrike komponent in die ontwikkeling van chroniese infeksies, veral wanneer dit by mediese toestelle kom. Hierdie probleem bied 'n groot uitdaging vir die mediese gemeenskap, aangesien standaard antibiotika biofilms slegs tot 'n baie beperkte mate kan vernietig. Die voorkoming van biofilmvorming het gelei tot die ontwikkeling van verskeie bedekkingsmetodes en nuwe materiale. Hierdie tegnieke is daarop gemik om oppervlaktes te bedek op 'n manier wat biofilmvorming voorkom. Glasagtige metaallegerings, veral dié wat koper- en titaniummetale bevat, het ideale antimikrobiese bedekkings geword. Terselfdertyd het die gebruik van koue spuittegnologie toegeneem, aangesien dit 'n geskikte metode is vir die verwerking van temperatuursensitiewe materiale. Deel van die doel van hierdie navorsing was om 'n nuwe antibakteriese film metaalglas te ontwikkel wat bestaan ​​uit Cu-Zr-Ni ternêr met behulp van meganiese legeringstegnieke. Die sferiese poeier wat die finale produk uitmaak, word gebruik as 'n grondstof vir koue bespuiting van vlekvrye staaloppervlaktes by lae temperature. Metaalglasbedekte substrate kon biofilmvorming aansienlik verminder met ten minste 1 log in vergelyking met vlekvrye staal.
Deur die menslike geskiedenis heen kon enige samelewing die bekendstelling van nuwe materiale ontwikkel en bevorder om aan sy spesifieke vereistes te voldoen, wat gelei het tot verhoogde produktiwiteit en rangorde in 'n geglobaliseerde ekonomie1. Dit is nog altyd toegeskryf aan die menslike vermoë om materiale en vervaardigingstoerusting te ontwerp, sowel as ontwerpe om materiale te vervaardig en te karakteriseer om gesondheid, onderwys, nywerheid, ekonomie, kultuur en ander velde van een land of streek na 'n ander te bereik. Vordering word gemeet ongeag land of streek2. Vir 60 jaar het materiaalwetenskaplikes baie tyd aan een hooftaak gewy: die soeke na nuwe en gevorderde materiale. Onlangse navorsing het gefokus op die verbetering van die kwaliteit en werkverrigting van bestaande materiale, sowel as die sintetisering en uitvind van heeltemal nuwe soorte materiale.
Die byvoeging van legeringselemente, die wysiging van die mikrostruktuur van die materiaal en die toepassing van termiese, meganiese of termomeganiese behandelingsmetodes het gelei tot 'n beduidende verbetering in die meganiese, chemiese en fisiese eienskappe van verskeie materiale. Daarbenewens is tot dusver onbekende verbindings suksesvol gesintetiseer. Hierdie volgehoue ​​pogings het aanleiding gegee tot 'n nuwe familie van innoverende materiale wat gesamentlik bekend staan ​​as Gevorderde Materiale2. Nanokristalle, nanopartikels, nanobuise, kwantumkolle, nuldimensionele, amorfe metaalglase en hoë-entropie-legerings is slegs 'n paar voorbeelde van gevorderde materiale wat sedert die middel van die vorige eeu in die wêreld verskyn het. In die vervaardiging en ontwikkeling van nuwe legerings met verbeterde eienskappe, beide in die finale produk en in die tussenfases van die produksie daarvan, word die probleem van wanbalans dikwels bygevoeg. As gevolg van die bekendstelling van nuwe vervaardigingstegnieke wat beduidende afwykings van ewewig toelaat, is 'n hele nuwe klas metastabiele legerings, bekend as metaalglase, ontdek.
Sy werk by Caltech in 1960 het die konsep van metaallegerings gerevolusioneer toe hy Au-25 at.% Si-glasagtige legerings gesintetiseer het deur vloeistowwe vinnig te stol teen byna 'n miljoen grade per sekonde.4 Professor Paul Duves se ontdekking het nie net die begin van die geskiedenis van metaalglase (MS) gemerk nie, maar het ook gelei tot 'n paradigmaskuif in hoe mense oor metaallegerings dink. Sedert die heel eerste baanbrekersnavorsing in die sintese van MS-legerings, is byna alle metaalglase volledig verkry deur een van die volgende metodes te gebruik: (i) vinnige stolling van die smelt of damp, (ii) atoomroosterversteuring, (iii) vastetoestand-amorfiseringsreaksies tussen suiwer metaalelemente en (iv) vastefase-oorgange van metastabiele fases.
MG's word onderskei deur die afwesigheid van langafstand-atoomorde wat met kristalle geassosieer word, wat 'n bepalende kenmerk van kristalle is. In die moderne wêreld is groot vordering gemaak op die gebied van metaalglas. Dit is nuwe materiale met interessante eienskappe wat nie net vir vastetoestandfisika van belang is nie, maar ook vir metallurgie, oppervlakchemie, tegnologie, biologie en baie ander gebiede. Hierdie nuwe tipe materiaal het eienskappe wat verskil van harde metale, wat dit 'n interessante kandidaat maak vir tegnologiese toepassings in 'n verskeidenheid velde. Hulle het 'n paar belangrike eienskappe: (i) hoë meganiese rekbaarheid en vloeigrens, (ii) hoë magnetiese deurlaatbaarheid, (iii) lae koërsiwiteit, (iv) ongewone korrosieweerstand, (v) temperatuuronafhanklikheid. Geleidingsvermoë 6.7.
Meganiese legering (MA)1,8 is 'n relatief nuwe metode, wat die eerste keer in 19839 deur prof. KK Kok en sy kollegas bekendgestel is. Hulle het amorfe Ni60Nb40-poeiers vervaardig deur 'n mengsel van suiwer elemente by kamertemperatuur baie naby aan kamertemperatuur te maal. Tipies word die MA-reaksie uitgevoer tussen diffusiebinding van reaktantpoeiers in 'n reaktor, gewoonlik van vlekvrye staal gemaak, in 'n balmeul. 10 (Fig. 1a, b). Sedertdien is hierdie meganies geïnduseerde vastetoestandreaksiemetode gebruik om nuwe amorfe/metaalglaslegeringspoeiers voor te berei deur lae (Fig. 1c) en hoë-energie-balmeulens en staafmeulens11,12,13,14,15,16 te gebruik. In die besonder is hierdie metode gebruik om onmengbare stelsels soos Cu-Ta17 sowel as hoë smeltpuntlegerings soos Al-oorgangsmetaal (TM, Zr, Hf, Nb en Ta)18,19 en Fe-W20-stelsels voor te berei, wat nie met konvensionele kookmetodes verkry kan word nie. Daarbenewens word MA beskou as een van die kragtigste nanotegnologiese gereedskap vir die industriële skaalproduksie van nanokristallyne en nanosaamgestelde poeierdeeltjies van metaaloksiede, karbiede, nitrides, hidriede, koolstofnanobuise, nanodiamante, sowel as breë stabilisering met behulp van 'n top-down-benadering. 1 en metastabiele stadiums.
Skematiese voorstelling wat die vervaardigingsmetode toon wat gebruik is om die Cu50(Zr50-xNix)/SUS 304 metaalglasbedekking in hierdie studie voor te berei. (a) Voorbereiding van MC-legeringspoeiers met verskillende konsentrasies Ni x (x; 10, 20, 30 en 40 at.%) met behulp van die lae-energie-balmaalmetode. (a) Die uitgangsmateriaal word saam met gereedskapstaalballe in 'n gereedskapsilinder gelaai en (b) verseël in 'n He-atmosfeergevulde handskoenboks. (c) Deursigtige model van die maalvat wat die beweging van die bal tydens maal illustreer. Die finale poeierproduk wat na 50 uur verkry is, is gebruik om die SUS 304-substraat koud te spuitbedek (d).
Wanneer dit kom by grootmaatmateriaaloppervlakke (substrate), behels oppervlakingenieurswese die ontwerp en wysiging van oppervlakke (substrate) om sekere fisiese, chemiese en tegniese eienskappe te bied wat nie in die oorspronklike grootmaatmateriaal teenwoordig is nie. Sommige van die eienskappe wat effektief verbeter kan word deur oppervlakbehandeling, sluit in skuur-, oksidasie- en korrosiebestandheid, wrywingskoëffisiënt, bio-inertheid, elektriese eienskappe en termiese isolasie, om maar 'n paar te noem. Oppervlakkwaliteit kan verbeter word deur metallurgiese, meganiese of chemiese metodes. As 'n bekende proses word bedekking eenvoudig gedefinieer as een of meer lae materiaal wat kunsmatig aangewend word op die oppervlak van 'n grootmaatvoorwerp (substraat) wat van 'n ander materiaal gemaak is. Dus word bedekkings deels gebruik om verlangde tegniese of dekoratiewe eienskappe te bereik, sowel as om materiale te beskerm teen verwagte chemiese en fisiese interaksies met die omgewing23.
'n Verskeidenheid metodes en tegnieke kan gebruik word om geskikte beskermende lae aan te wend, van 'n paar mikrometer (onder 10-20 mikrometer) tot meer as 30 mikrometer of selfs 'n paar millimeter in dikte. Oor die algemeen kan bedekkingsprosesse in twee kategorieë verdeel word: (i) nat bedekkingsmetodes, insluitend elektroplatering, elektroplatering en warmgalvanisering, en (ii) droë bedekkingsmetodes, insluitend soldeer, hardbekleding, fisiese dampafsetting (PVD), chemiese dampafsetting (CVD), termiese spuittegnieke, en meer onlangs koue spuittegnieke 24 (Figuur 1d).
Biofilms word gedefinieer as mikrobiese gemeenskappe wat onomkeerbaar aan oppervlaktes geheg is en omring word deur selfgeproduseerde ekstrasellulêre polimere (EPS). Die vorming van 'n oppervlakkig volwasse biofilm kan lei tot beduidende verliese in baie nywerhede, insluitend voedselverwerking, waterstelsels en gesondheidsorg. By mense, met die vorming van biofilms, is meer as 80% van gevalle van mikrobiese infeksies (insluitend Enterobacteriaceae en Staphylococci) moeilik om te behandel. Daarbenewens is berig dat volwasse biofilms 1000 keer meer bestand is teen antibiotiese behandeling in vergelyking met planktoniese bakteriese selle, wat as 'n groot terapeutiese uitdaging beskou word. Histories is antimikrobiese oppervlakbedekkingsmateriale afgelei van algemene organiese verbindings gebruik. Alhoewel sulke materiale dikwels giftige komponente bevat wat moontlik skadelik vir mense is,25,26 kan dit help om bakteriële oordrag en materiaaldegradasie te vermy.
Wydverspreide bakteriële weerstand teen antibiotika behandeling as gevolg van biofilmvorming het gelei tot die behoefte om 'n effektiewe antimikrobiese membraanbedekte oppervlak te ontwikkel wat veilig aangewend kan word27. Die ontwikkeling van 'n fisiese of chemiese anti-kleefoppervlak waaraan bakteriële selle nie kan bind en biofilms kan vorm as gevolg van adhesie nie, is die eerste benadering in hierdie proses27. Die tweede tegnologie is om bedekkings te ontwikkel wat antimikrobiese chemikalieë presies lewer waar dit nodig is, in hoogs gekonsentreerde en pasgemaakte hoeveelhede. Dit word bereik deur die ontwikkeling van unieke bedekkingsmateriale soos grafeen/germanium28, swart diamant29 en ZnO30-gedoteerde diamantagtige koolstofbedekkings wat bestand is teen bakterieë, 'n tegnologie wat die ontwikkeling van toksisiteit en weerstand as gevolg van biofilmvorming maksimeer. Daarbenewens word bedekkings wat kiemdodende chemikalieë bevat wat langtermynbeskerming teen bakteriële kontaminasie bied, toenemend gewild. Terwyl al drie prosedures in staat is om antimikrobiese aktiwiteit op bedekte oppervlaktes uit te oefen, het elkeen sy eie stel beperkings wat in ag geneem moet word wanneer 'n toepassingsstrategie ontwikkel word.
Die produkte wat tans op die mark is, word belemmer deur die gebrek aan tyd om beskermende bedekkings vir biologies aktiewe bestanddele te analiseer en te toets. Maatskappye beweer dat hul produkte gebruikers van die verlangde funksionele aspekte sal voorsien, maar dit het 'n hindernis geword vir die sukses van die produkte wat tans op die mark is. Verbindings afgelei van silwer word in die oorgrote meerderheid antimikrobiese middels wat tans vir verbruikers beskikbaar is, gebruik. Hierdie produkte is ontwerp om gebruikers te beskerm teen potensieel skadelike blootstelling aan mikro-organismes. Die vertraagde antimikrobiese effek en die gepaardgaande toksisiteit van silwerverbindings verhoog die druk op navorsers om 'n minder skadelike alternatief te ontwikkel36,37. Die skep van 'n globale antimikrobiese bedekking wat binne en buite werk, bly 'n uitdaging. Dit kom met gepaardgaande gesondheids- en veiligheidsrisiko's. Die ontdekking van 'n antimikrobiese middel wat minder skadelik vir mense is en uitvind hoe om dit in bedekkingssubstrate met 'n langer rakleeftyd in te sluit, is 'n baie gesogte doelwit38. Die nuutste antimikrobiese en antibiofilmmateriale is ontwerp om bakterieë op kort afstand dood te maak, hetsy deur direkte kontak of na die vrystelling van die aktiewe middel. Hulle kan dit doen deur aanvanklike bakteriële adhesie te inhibeer (insluitend die vorming van 'n proteïenlaag op die oppervlak te voorkom) of deur bakterieë dood te maak deur met die selwand in te meng.
Oppervlakbedekking is in wese die proses om nog 'n laag op die oppervlak van 'n komponent aan te bring om die oppervlakeienskappe te verbeter. Die doel van 'n oppervlakbedekking is om die mikrostruktuur en/of samestelling van die naby-oppervlakgebied van 'n komponent te verander39. Oppervlakbedekkingsmetodes kan in verskillende metodes verdeel word, wat in Fig. 2a opgesom word. Bedekkings kan in termiese, chemiese, fisiese en elektrochemiese kategorieë verdeel word, afhangende van die metode wat gebruik word om die bedekking te skep.
(a) 'n Insetsel wat die belangrikste oppervlakvervaardigingstegnieke toon, en (b) geselekteerde voordele en nadele van die koue spuitmetode.
Koue spuittegnologie het baie in gemeen met tradisionele termiese spuittegnieke. Daar is egter ook 'n paar belangrike fundamentele eienskappe wat die koue spuitproses en koue spuitmateriale besonder uniek maak. Koue spuittegnologie is nog in sy kinderskoene, maar dit het 'n groot toekoms. In sommige gevalle bied die unieke eienskappe van koue spuit groot voordele, wat die beperkings van konvensionele termiese spuittegnieke oorkom. Dit oorkom die beduidende beperkings van tradisionele termiese spuittegnologie, waarin die poeier gesmelt moet word om op 'n substraat neergelê te word. Dit is duidelik dat hierdie tradisionele bedekkingsproses nie geskik is vir baie temperatuurgevoelige materiale soos nanokristalle, nanopartikels, amorfe en metaalglase40, 41, 42 nie. Daarbenewens het termiese spuitbedekkingsmateriale altyd 'n hoë vlak van porositeit en oksiede. Koue spuittegnologie het baie beduidende voordele bo termiese spuittegnologie, soos (i) minimale hitte-invoer na die substraat, (ii) buigsaamheid in die keuse van die substraatbedekking, (iii) geen fasetransformasie en korrelgroei nie, (iv) hoë kleefsterkte1 .39 (Fig. 2b). Daarbenewens het koue spuitbedekkingsmateriale hoë korrosiebestandheid, hoë sterkte en hardheid, hoë elektriese geleidingsvermoë en hoë digtheid41. Ten spyte van die voordele van die koue spuitproses, het hierdie metode steeds 'n paar nadele, soos getoon in Figuur 2b. Wanneer suiwer keramiekpoeiers soos Al2O3, TiO2, ZrO2, WC, ens. bedek word, kan die koue spuitmetode nie gebruik word nie. Aan die ander kant kan keramiek/metaal-saamgestelde poeiers as grondstowwe vir bedekkings gebruik word. Dieselfde geld vir ander termiese spuitmetodes. Moeilike oppervlaktes en pypbinnekante is steeds moeilik om te spuit.
Aangesien die huidige werk gerig is op die gebruik van metaalagtige glaspoeiers as uitgangsmateriaal vir bedekkings, is dit duidelik dat konvensionele termiese bespuiting nie vir hierdie doel gebruik kan word nie. Dit is as gevolg van die feit dat metaalagtige glaspoeiers by hoë temperature kristalliseer.
Die meeste instrumente wat in die mediese en voedselindustrieë gebruik word, word gemaak van austenitiese vlekvrye staallegerings (SUS316 en SUS304) met 'n chroominhoud van 12 tot 20 gewig% vir die produksie van chirurgiese instrumente. Dit word algemeen aanvaar dat die gebruik van chroommetaal as 'n legeringselement in staallegerings die korrosieweerstand van standaard staallegerings aansienlik kan verbeter. Vlekvrye staallegerings, ten spyte van hul hoë korrosieweerstand, het nie beduidende antimikrobiese eienskappe nie38,39. Dit kontrasteer met hul hoë korrosieweerstand. Daarna is dit moontlik om die ontwikkeling van infeksie en inflammasie te voorspel, wat hoofsaaklik te wyte is aan bakteriële adhesie en kolonisasie op die oppervlak van vlekvrye staal biomateriale. Beduidende probleme kan ontstaan ​​as gevolg van die beduidende probleme wat verband hou met bakteriële adhesie en biofilmvormingspaaie, wat kan lei tot swak gesondheid, wat baie gevolge kan hê wat die menslike gesondheid direk of indirek kan beïnvloed.
Hierdie studie is die eerste fase van 'n projek wat befonds word deur die Kuwait Foundation for the Advancement of Science (KFAS), kontrak nr. 2010-550401, om die haalbaarheid van die vervaardiging van metaalagtige glasagtige Cu-Zr-Ni ternêre poeiers met behulp van MA-tegnologie (tabel) te ondersoek. 1) Vir die produksie van SUS304 antibakteriese oppervlakbeskermingsfilm/bedekking. Die tweede fase van die projek, wat in Januarie 2023 sal begin, sal die galvaniese korrosie-eienskappe en die meganiese eienskappe van die stelsel in detail bestudeer. Gedetailleerde mikrobiologiese toetse vir verskillende tipes bakterieë sal uitgevoer word.
Hierdie artikel bespreek die effek van Zr-legeringsinhoud op glasvormingsvermoë (GFA) gebaseer op morfologiese en strukturele eienskappe. Daarbenewens is die antibakteriese eienskappe van die poeierbedekte metaalglas/SUS304-komposiet ook bespreek. Daarbenewens is voortgesette werk uitgevoer om die moontlikheid van strukturele transformasie van metaalglaspoeiers tydens koue bespuiting in die superverkoelde vloeistofgebied van vervaardigde metaalglasstelsels te ondersoek. Cu50Zr30Ni20 en Cu50Zr20Ni30 metaalglaslegerings is as verteenwoordigende voorbeelde in hierdie studie gebruik.
Hierdie afdeling bied die morfologiese veranderinge in poeiers van elementêre Cu, Zr en Ni tydens lae-energie-balmaal aan. Twee verskillende stelsels bestaande uit Cu50Zr20Ni30 en Cu50Zr40Ni10 sal as illustratiewe voorbeelde gebruik word. Die MA-proses kan in drie afsonderlike stadiums verdeel word, soos blyk uit die metallografiese karakterisering van die poeier wat in die maalstadium verkry word (Fig. 3).
Metallografiese eienskappe van poeiers van meganiese legerings (MA) verkry na verskeie stadiums van balmaal. Veldemissie-skandeerelektronmikroskopie (FE-SEM) beelde van MA en Cu50Zr40Ni10 poeiers verkry na lae-energie balmaal vir 3, 12 en 50 uur word getoon in (a), (c) en (e) vir die Cu50Zr20Ni30 stelsel, terwyl op dieselfde MA. Die ooreenstemmende beelde van die Cu50Zr40Ni10 stelsel geneem na verloop van tyd word getoon in (b), (d) en (f).
Tydens balmaal word die effektiewe kinetiese energie wat na die metaalpoeier oorgedra kan word, beïnvloed deur 'n kombinasie van parameters, soos getoon in Fig. 1a. Dit sluit in botsings tussen balle en poeiers, skuifkompressie van poeier wat vassit tussen of tussen maalmedia, impakte van vallende balle, skuif en slytasie veroorsaak deur poeiersleep tussen die bewegende liggame van 'n balmeul, en 'n skokgolf wat deur vallende balle beweeg en deur gelaaide kultuur voortplant (Fig. 1a). Элементарные порошки Cu, Zr en Ni sal сильно деформированы из-за холодной сварки op ранней стадии МА (3 ч), образованию крупных частиц порошка (> 1 mm в диаметре). Die elementêre Cu-, Zr- en Ni-poeiers was erg vervorm as gevolg van koue sweising in 'n vroeë stadium van MA (3 uur), wat gelei het tot die vorming van groot poeierdeeltjies (> 1 mm in deursnee).Hierdie groot saamgestelde deeltjies word gekenmerk deur die vorming van dik lae legeringselemente (Cu, Zr, Ni), soos getoon in fig. 3a,b. 'n Toename in die MA-tyd tot 12 uur (intermediêre stadium) het gelei tot 'n toename in die kinetiese energie van die balmeul, wat gelei het tot die ontbinding van die saamgestelde poeier in kleiner poeiers (minder as 200 μm), soos getoon in Fig. 3c, stad. In hierdie stadium lei die toegepaste skuifkrag tot die vorming van 'n nuwe metaaloppervlak met dun Cu, Zr, Ni-dun lae, soos getoon in Fig. 3c, d. As gevolg van die maal van die lae by die koppelvlak van die vlokkies, vind vastefase-reaksies plaas met die vorming van nuwe fases.
Teen die klimaks van die MA-proses (na 50 uur) was vlokmetallografie skaars merkbaar (Fig. 3e, f), en spieëlmetallografie is waargeneem op die gepoleerde oppervlak van die poeier. Dit beteken dat die MA-proses voltooi is en 'n enkele reaksiefase geskep is. Die elementêre samestelling van die streke aangedui in Fig. 3e (I, II, III), f, v, vi) is bepaal deur middel van veldemissie-skandeerelektronmikroskopie (FE-SEM) in kombinasie met energiedispersiewe X-straalspektroskopie (EDS). (IV).
In tabel 2 word elementkonsentrasies van legeringselemente getoon as 'n persentasie van die totale massa van elke streek wat in fig. 3e, f gekies is. Deur hierdie resultate te vergelyk met die aanvanklike nominale samestellings van Cu50Zr20Ni30 en Cu50Zr40Ni10 wat in Tabel 1 gegee word, word getoon dat die samestellings van hierdie twee finale produkte baie naby aan die nominale samestellings is. Daarbenewens dui die relatiewe waardes van die komponente vir die streke wat in Fig. 3e,f gelys word, nie op beduidende agteruitgang of variasie in die samestelling van elke monster van een streek na 'n ander nie. Dit word bewys deur die feit dat daar geen verandering in samestelling van een streek na 'n ander is nie. Dit dui op die produksie van eenvormige legeringspoeiers soos in Tabel 2 getoon.
FE-SEM-mikrograwe van die Cu50(Zr50-xNix) finale produkpoeier is verkry na 50 MA-tye, soos getoon in Fig. 4a-d, waar x onderskeidelik 10, 20, 30 en 40 at.% is. Na hierdie maalstap aggregeer die poeier as gevolg van die van der Waals-effek, wat lei tot die vorming van groot aggregate wat bestaan ​​uit ultrafyn deeltjies met 'n deursnee van 73 tot 126 nm, soos getoon in Figuur 4.
Morfologiese eienskappe van Cu50(Zr50-xNix) poeiers verkry na 50-uur MA. Vir die Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40 stelsels, word die FE-SEM beelde van poeiers verkry na 50 MA onderskeidelik in (a), (b), (c) en (d) getoon.
Voordat die poeiers in die koue spuitvoerder gelaai is, is hulle eers vir 15 minute in analitiese graad etanol gesonikeer en toe vir 2 uur by 150° C gedroog. Hierdie stap moet geneem word om agglomerasie suksesvol te bestry, wat dikwels baie ernstige probleme in die bedekkingsproses veroorsaak. Na die voltooiing van die MA-proses is verdere studies uitgevoer om die homogeniteit van die legeringspoeiers te ondersoek. Fig. 5a-d toon FE-SEM-mikrograwe en ooreenstemmende EDS-beelde van die Cu-, Zr- en Ni-legeringselemente van die Cu50Zr30Ni20-legering, geneem na onderskeidelik 50 uur tyd M. Daar moet op gelet word dat die legeringspoeiers wat na hierdie stap verkry word, homogeen is, aangesien hulle geen samestellingsfluktuasies buite die sub-nanometervlak toon nie, soos getoon in Figuur 5.
Morfologie en plaaslike verspreiding van elemente in MG Cu50Zr30Ni20-poeier verkry na 50 MA deur FE-SEM/Energiedispersiewe X-straalspektroskopie (EDS). (a) SEM- en X-straal EDS-beelding van (b) Cu-Kα, (c) Zr-Lα, en (d) Ni-Kα.
Die X-straaldiffraksiepatrone van meganies gelegeerde Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, en Cu50Zr20Ni30 poeiers wat na 50 uur MA verkry is, word onderskeidelik in Fig. 6a-d getoon. Na hierdie maalstadium het alle monsters met verskillende Zr-konsentrasies amorfe strukture met kenmerkende halo-diffusiepatrone gehad wat in Fig. 6 getoon word.
X-straaldiffraksiepatrone van Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c), en Cu50Zr20Ni30 (d) poeiers na MA vir 50 uur. 'n Halo-diffusiepatroon is in alle monsters sonder uitsondering waargeneem, wat die vorming van 'n amorfe fase aandui.
Hoë-resolusie veldemissie-transmissie-elektronmikroskopie (FE-HRTEM) is gebruik om strukturele veranderinge waar te neem en die plaaslike struktuur van poeiers as gevolg van balmaal op verskillende MA-tye te verstaan. Beelde van poeiers wat verkry is deur die FE-HRTEM-metode na die vroeë (6 uur) en intermediêre (18 uur) stadiums van maal van Cu50Zr30Ni20 en Cu50Zr40Ni10 poeiers word onderskeidelik in Fig. 7a getoon. Volgens die helderveldbeeld (BFI) van die poeier wat verkry is na 6 uur van MA, bestaan ​​die poeier uit groot korrels met duidelik gedefinieerde grense van die fcc-Cu, hcp-Zr en fcc-Ni elemente, en daar is geen tekens van die vorming van 'n reaksiefase nie, soos getoon in Fig. 7a. Daarbenewens het 'n gekorreleerde geselekteerde area-diffraksiepatroon (SADP) geneem uit die middelste gebied (a) 'n skerp diffraksiepatroon (Fig. 7b) getoon wat die teenwoordigheid van groot kristalliete en die afwesigheid van 'n reaktiewe fase aandui.
Lokale strukturele eienskappe van die MA-poeier verkry na die vroeë (6 uur) en intermediêre (18 uur) stadiums. (a) Hoëresolusie-veedemissie-transmissie-elektronmikroskopie (FE-HRTEM) en (b) ooreenstemmende geselekteerde area-diffraktogram (SADP) van Cu50Zr30Ni20-poeier na MA-behandeling vir 6 uur. Die FE-HRTEM-beeld van Cu50Zr40Ni10 verkry na 18 uur MA word in (c) getoon.
Soos getoon in fig. 7c, het 'n toename in die duur van MA tot 18 uur gelei tot ernstige roosterdefekte in kombinasie met plastiese vervorming. In hierdie tussenstadium van die MA-proses verskyn verskeie defekte in die poeier, insluitend stapelfoute, roosterdefekte en puntdefekte (Fig. 7). Hierdie defekte veroorsaak die fragmentasie van groot korrels langs die korrelgrense in subkorrels kleiner as 20 nm in grootte (Fig. 7c).
Die lokale struktuur van die Cu50Z30Ni20-poeier wat vir 36 uur MA gemaal is, word gekenmerk deur die vorming van ultrafyn nano-korrels ingebed in 'n amorfe dun matriks, soos getoon in Fig. 8a. 'n Lokale analise van die EMF het getoon dat die nanoklusters wat in Fig. 8a getoon word, geassosieer word met onbehandelde Cu-, Zr- en Ni-poeierlegerings. Die inhoud van Cu in die matriks het gewissel van ~32 at.% (arm sone) tot ~74 at.% (ryk sone), wat dui op die vorming van heterogene produkte. Daarbenewens toon die ooreenstemmende SADP's van die poeiers wat verkry is na maal in hierdie stap primêre en sekondêre halo-diffusie amorfe fase-ringe wat oorvleuel met skerp punte wat geassosieer word met hierdie onbehandelde legeringselemente, soos getoon in Fig. 8b.
Nanoskaal plaaslike strukturele kenmerke van Beyond 36 h-Cu50Zr30Ni20 poeier. (a) Helderveldbeeld (BFI) en ooreenstemmende (b) SADP van Cu50Zr30Ni20 poeier verkry na maal vir 36 h MA.
Teen die einde van die MA-proses (50 uur) het Cu50(Zr50-xNix), X, 10, 20, 30 en 40 at.% poeiers, sonder uitsondering, 'n labirintiese morfologie van die amorfe fase, soos getoon in Fig. . Nóg puntdiffraksie nóg skerp ringvormige patrone kon in die ooreenstemmende SADS van elke samestelling opgespoor word. Dit dui op die afwesigheid van onbehandelde kristallyne metaal, maar eerder die vorming van 'n amorfe legeringspoeier. Hierdie gekorreleerde SADP's wat halo-diffusiepatrone toon, is ook gebruik as bewys vir die ontwikkeling van amorfe fases in die finale produkmateriaal.
Lokale struktuur van die finale produk van die Cu50 MS-stelsel (Zr50-xNix). FE-HRTEM en gekorreleerde nanobundeldiffraksiepatrone (NBDP) van (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30, en (d) Cu50Zr10Ni40 verkry na 50 uur se MA.
Deur gebruik te maak van differensiële skanderingskalorimetrie, is die termiese stabiliteit van die glasoorgangstemperatuur (Tg), superverkoelde vloeistofgebied (ΔTx) en kristallisasietemperatuur (Tx) bestudeer, afhangende van die inhoud van Ni (x) in die Cu50(Zr50-xNix) amorfe stelsel. (DSC) eienskappe in die He-gasvloei. Die DSC-krommes van poeiers van Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, en Cu50Zr10Ni40 amorfe legerings verkry na MA vir 50 uur word onderskeidelik in Fig. 10a, b, e getoon. Terwyl die DSC-kromme van amorfe Cu50Zr20Ni30 afsonderlik in Fig. 10de eeu getoon word. Intussen word 'n Cu50Zr30Ni20-monster wat tot ~700°C in DSC verhit is, in Fig. 10g getoon.
Die termiese stabiliteit van Cu50(Zr50-xNix) MG-poeiers wat verkry word na MA vir 50 uur word bepaal deur die glasoorgangstemperatuur (Tg), kristallisasietemperatuur (Tx) en superverkoelde vloeistofgebied (ΔTx). Termogramme van differensiële skanderingskalorimeter (DSC)-poeiers van Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c), en (e) Cu50Zr10Ni40 MG-legeringspoeiers na MA vir 50 uur. 'n X-straaldiffraksiepatroon (XRD) van 'n Cu50Zr30Ni20-monster wat tot ~700°C in DSC verhit is, word in (d) getoon.
Soos getoon in Figuur 10, dui die DSC-krommes vir alle samestellings met verskillende nikkelkonsentrasies (x) twee verskillende gevalle aan, een endotermies en die ander eksotermies. Die eerste endotermiese gebeurtenis stem ooreen met Tg, en die tweede word geassosieer met Tx. Die horisontale spanarea wat tussen Tg en Tx bestaan, word die onderverkoelde vloeistofarea genoem (ΔTx = Tx – Tg). Die resultate toon dat die Tg en Tx van die Cu50Zr40Ni10-monster (Fig. 10a) geplaas by 526°C en 612°C die inhoud (x) tot 20% verskuif na die lae temperatuurkant van onderskeidelik 482°C en 563°C. °C met toenemende Ni-inhoud (x), soos getoon in Figuur 10b. Gevolglik neem ΔTx Cu50Zr40Ni10 af van 86°С (Fig. 10a) tot 81°С vir Cu50Zr30Ni20 (Fig. 10b). Vir die MC Cu50Zr40Ni10-legering is 'n afname in die waardes van Tg, Tx en ΔTx tot die vlakke van 447°C, 526°C en 79°C ook waargeneem (Fig. 10b). Dit dui daarop dat 'n toename in die Ni-inhoud lei tot 'n afname in die termiese stabiliteit van die MS-legering. Inteendeel, die waarde van Tg (507 °C) van die MC Cu50Zr20Ni30-legering is laer as dié van die MC Cu50Zr40Ni10-legering; nietemin toon die Tx-waarde daarvan 'n vergelykbare waarde daarmee (612 °C). Daarom het ΔTx 'n hoër waarde (87°C) soos getoon in fig. 10de eeu.
Die Cu50(Zr50-xNix) MC-stelsel, met die Cu50Zr20Ni30 MC-legering as voorbeeld, kristalliseer deur 'n skerp eksotermiese piek in fcc-ZrCu5, ortorombiese-Zr7Cu10, en ortorombiese-ZrNi kristallyne fases (Fig. 10c). Hierdie fase-oorgang van amorf na kristallyn is bevestig deur X-straaldiffraksie-analise van die MG-monster (Fig. 10d) wat tot 700 °C in DSC verhit is.
Fig. 11 toon foto's wat geneem is tydens die koue spuitproses wat in die huidige werk uitgevoer is. In hierdie studie is metaalglasagtige poeierdeeltjies wat na MA vir 50 uur gesintetiseer is (met Cu50Zr20Ni30 as voorbeeld) as 'n antibakteriese grondstof gebruik, en 'n vlekvrye staalplaat (SUS304) is koud gespuitbedek. Die koue spuitmetode is gekies vir bedekking in die termiese spuittegnologiereeks omdat dit die mees doeltreffende metode in die termiese spuittegnologiereeks is waar dit gebruik kan word vir metaalagtige metastabiele hitte-sensitiewe materiale soos amorfe en nanokristallyne poeiers. Nie onderhewig aan fase-oorgange nie. Dit is die hooffaktor in die keuse van hierdie metode. Die koue afsettingsproses word uitgevoer met behulp van hoësnelheidsdeeltjies wat die kinetiese energie van die deeltjies omskakel in plastiese vervorming, vervorming en hitte na impak met die substraat of voorheen gedeponeerde deeltjies.
Veldfoto's toon die koue spuitprosedure wat gebruik is vir vyf opeenvolgende voorbereidings van MG/SUS 304 teen 550°C.
Die kinetiese energie van die deeltjies, sowel as die momentum van elke deeltjie tydens die vorming van die deklaag, moet omgeskakel word na ander vorme van energie deur meganismes soos plastiese vervorming (primêre deeltjies en interdeeltjie-interaksies in die matriks en interaksies van deeltjies), interstisiële knope van vaste stowwe, rotasie tussen deeltjies, vervorming en beperkende verhitting 39. Boonop, indien nie al die inkomende kinetiese energie omgeskakel word na termiese energie en vervormingsenergie nie, sal die resultaat 'n elastiese botsing wees, wat beteken dat die deeltjies eenvoudig afbons na impak. Daar is opgemerk dat 90% van die impaksenergie wat op die deeltjie/substraatmateriaal toegepas word, omgeskakel word na plaaslike hitte 40. Boonop, wanneer impakspanning toegepas word, word hoë plastiese vervormingstempo's in die deeltjie/substraat-kontakgebied in 'n baie kort tyd bereik 41,42.
Plastiese vervorming word gewoonlik beskou as 'n proses van energie-verspreiding, of liewer, as 'n hittebron in die tussenvlakgebied. Die toename in temperatuur in die tussenvlakgebied is egter gewoonlik nie voldoende vir die voorkoms van tussenvlaksmelting of beduidende stimulasie van die wedersydse diffusie van atome nie. Geen publikasie bekend aan die outeurs het die effek van die eienskappe van hierdie metaalagtige glasagtige poeiers op poeieradhesie en -afsaksel wat plaasvind wanneer koue spuittegnieke gebruik word, ondersoek nie.
Die BFI van die MG Cu50Zr20Ni30-legeringspoeier kan in Fig. 12a gesien word, wat op die SUS 304-substraat neergelê is (Fig. 11, 12b). Soos uit die figuur gesien kan word, behou die bedekte poeiers hul oorspronklike amorfe struktuur, aangesien hulle 'n delikate labirintstruktuur het sonder enige kristallyne kenmerke of roosterdefekte. Aan die ander kant dui die beeld die teenwoordigheid van 'n vreemde fase aan, soos blyk uit die nanopartikels wat in die MG-bedekte poeiermatriks ingesluit is (Fig. 12a). Figuur 12c toon die geïndekseerde nanobundeldiffraksiepatroon (NBDP) wat met gebied I geassosieer word (Figuur 12a). Soos in fig. 12c getoon, vertoon NBDP 'n swak halo-diffusiepatroon van amorfe struktuur en bestaan ​​saam met skerp kolle wat ooreenstem met 'n kristallyne groot kubiese metastabiele Zr2Ni-fase plus 'n tetragonale CuO-fase. Die vorming van CuO kan verklaar word deur die oksidasie van die poeier wanneer dit van die spuitstuk van die spuitpistool na SUS 304 in die oop lug in 'n supersoniese vloei beweeg. Aan die ander kant het devitrifikasie van metaalglasagtige poeiers gelei tot die vorming van groot kubieke fases na koue spuitbehandeling by 550°C vir 30 min.
(a) FE-HRTEM-beeld van MG-poeier neergelê op (b) SUS 304-substraat (figuurinset). Die NBDP-indeks van die ronde simbool wat in (a) getoon word, word in (c) getoon.
Om hierdie potensiële meganisme vir die vorming van groot kubieke Zr2Ni-nanopartikels te toets, is 'n onafhanklike eksperiment uitgevoer. In hierdie eksperiment is poeiers vanuit 'n verstuiver by 550°C in die rigting van die SUS 304-substraat gespuit; om die uitgloeiingseffek te bepaal, is die poeiers egter so vinnig as moontlik (ongeveer 60 s) van die SUS304-strook verwyder. Nog 'n reeks eksperimente is uitgevoer waarin die poeier ongeveer 180 sekondes na toediening van die substraat verwyder is.
Figure 13a,b toon skanderende transmissie-elektronmikroskopie (STEM) donkerveld (DFI) beelde van twee gesputterde materiale wat vir onderskeidelik 60 s en 180 s op SUS 304-substrate neergelê is. Die poeierbeeld wat vir 60 sekondes neergelê is, het geen morfologiese besonderhede nie, wat kenmerkloosheid toon (Fig. 13a). Dit is ook bevestig deur XRD, wat getoon het dat die algehele struktuur van hierdie poeiers amorf was, soos aangedui deur die breë primêre en sekondêre diffraksiepieke wat in Figuur 14a getoon word. Dit dui op die afwesigheid van metastabiele/mesofase-presipitate, waarin die poeier sy oorspronklike amorfe struktuur behou. In teenstelling hiermee het die poeier wat by dieselfde temperatuur (550°C) neergelê is, maar vir 180 s op die substraat gelaat is, die neerlegging van nanogrootte korrels getoon, soos getoon deur die pyle in Fig. 13b.