Дзякуй за наведванне Nature.com.Версія браўзера, якую вы выкарыстоўваеце, мае абмежаваную падтрымку CSS.Для найлепшага вопыту мы рэкамендуем вам выкарыстоўваць абноўлены браўзер (або адключыць рэжым сумяшчальнасці ў Internet Explorer).Тым часам, каб забяспечыць бесперапынную падтрымку, мы будзем візуалізаваць сайт без стыляў і JavaScript.
Біяплёнкі з'яўляюцца важным кампанентам у развіцці хранічных інфекцый, асабліва калі гаворка ідзе пра медыцынскія прылады.Гэтая праблема ўяўляе вялікую праблему для медыцынскай супольнасці, паколькі стандартныя антыбіётыкі могуць разбураць біяплёнкі толькі ў вельмі абмежаванай ступені.Прадухіленне адукацыі біяплёнкі прывяло да распрацоўкі розных метадаў пакрыцця і новых матэрыялаў.Гэтыя метады накіраваны на пакрыццё паверхні такім чынам, каб прадухіліць адукацыю біяплёнкі.Шклопадобныя металічныя сплавы, асабліва тыя, якія змяшчаюць медзь і тытан, сталі ідэальнымі антымікробнымі пакрыццямі.У той жа час павялічылася выкарыстанне тэхналогіі халоднага распылення, паколькі гэта прыдатны метад для апрацоўкі адчувальных да тэмпературы матэрыялаў.Частковай мэтай гэтага даследавання была распрацоўка новага антыбактэрыйнага металічнага шкла з плёнкай Cu-Zr-Ni з выкарыстаннем метадаў механічнага легіравання.Сферычны парашок, які складае канчатковы прадукт, выкарыстоўваецца ў якасці сыравіны для халоднага напылення паверхняў з нержавеючай сталі пры нізкіх тэмпературах.Падкладкі з металічным шкляным пакрыццём змаглі значна паменшыць адукацыю біяплёнкі як мінімум на 1 лаг у параўнанні з нержавеючай сталлю.
На працягу гісторыі чалавецтва любое грамадства магло развіваць і садзейнічаць укараненню новых матэрыялаў для задавальнення сваіх спецыфічных патрабаванняў, што прывяло да павышэння прадукцыйнасці і рэйтынгу ў глабалізаванай эканоміцы1.Гэта заўсёды тлумачылася здольнасцю чалавека распрацоўваць матэрыялы і вытворчае абсталяванне, а таксама распрацоўваць і характарызаваць матэрыялы для дасягнення здароўя, адукацыі, прамысловасці, эканомікі, культуры і іншых галінах ад адной краіны ці рэгіёна да іншай.Прагрэс вымяраецца незалежна ад краіны або рэгіёну2.На працягу 60 гадоў матэрыялазнаўцы шмат часу прысвячалі адной галоўнай задачы: пошуку новых і перспектыўных матэрыялаў.Апошнія даследаванні сканцэнтраваны на паляпшэнні якасці і прадукцыйнасці існуючых матэрыялаў, а таксама на сінтэзе і вынаходніцтве зусім новых тыпаў матэрыялаў.
Даданне легіруючых элементаў, мадыфікацыя мікраструктуры матэрыялу і прымяненне метадаў тэрмічнай, механічнай або тэрмамеханічнай апрацоўкі прывялі да значнага паляпшэння механічных, хімічных і фізічных уласцівасцей розных матэрыялаў.Акрамя таго, паспяхова сінтэзаваны невядомыя дагэтуль злучэнні.Гэтыя настойлівыя намаганні прывялі да стварэння новага сямейства інавацыйных матэрыялаў, агульна вядомых як Advanced Materials2.Нанакрышталі, наначасціцы, нанатрубкі, квантавыя кропкі, нульмерныя аморфныя металічныя шкла і высокаэнтрапійныя сплавы - гэта толькі некаторыя прыклады перадавых матэрыялаў, якія з'явіліся ў свеце з сярэдзіны мінулага стагоддзя.Пры вытворчасці і распрацоўцы новых сплаваў з палепшанымі ўласцівасцямі як у канчатковым прадукце, так і на прамежкавых стадыях яго вытворчасці часта дадаецца праблема дысбалансу.У выніку ўкаранення новых метадаў вытворчасці, якія дазваляюць значныя адхіленні ад раўнавагі, быў адкрыты цэлы новы клас метастабільных сплаваў, вядомых як металічныя шкла.
Яго праца ў Каліфарнійскім тэхналагічным інстытуце ў 1960 годзе зрабіла рэвалюцыю ў канцэпцыі металічных сплаваў, калі ён сінтэзаваў шклопадобныя сплавы Au-25 ат.% Si шляхам хуткага зацвярдзення вадкасцей пры амаль мільёне градусаў у секунду.4 Адкрыццё прафесара Пола Дувеса не толькі паклала пачатак гісторыі металічных шклоў (MS), але і прывяло да змены парадыгмы ў тым, як людзі думаюць пра металічныя сплавы.З моманту першых піянерскіх даследаванняў у галіне сінтэзу MS сплаваў амаль усе металічныя шкла былі цалкам атрыманы з выкарыстаннем аднаго з наступных метадаў: (i) хуткае зацвярдзенне расплаву або пары, (ii) беспарадак атамнай рашоткі, (iii) рэакцыі амарфізацыі цвёрдага цела паміж чыстымі металічнымі элементамі і (iv) цвёрдыя фазавыя пераходы метастабільных фаз.
MG адрозніваюцца адсутнасцю далёкага атамнага парадку, звязанага з крышталямі, які з'яўляецца вызначальнай характарыстыкай крышталяў.У сучасным свеце вялікі прагрэс дасягнуты ў галіне металічнага шкла.Гэта новыя матэрыялы з цікавымі ўласцівасцямі, якія ўяўляюць цікавасць не толькі для фізікі цвёрдага цела, але і для металургіі, хіміі паверхні, тэхналогіі, біялогіі і многіх іншых абласцей.Гэты новы тып матэрыялу мае ўласцівасці, якія адрозніваюцца ад цвёрдых металаў, што робіць яго цікавым кандыдатам для тэхналагічнага прымянення ў розных галінах.Яны валодаюць некаторымі важнымі ўласцівасцямі: (i) высокая механічная пластычнасць і мяжа цякучасці, (ii) высокая магнітная пранікальнасць, (iii) нізкая коэрцитивная сіла, (iv) незвычайная ўстойлівасць да карозіі, (v) незалежнасць ад тэмпературы.Праводнасць 6,7.
Механічнае легіраванне (MA)1,8 - адносна новы метад, упершыню ўведзены ў 19839 годзе прафесарам К. К. Кокам і яго калегамі.Яны выраблялі аморфныя парашкі Ni60Nb40 шляхам драбнення сумесі чыстых элементаў пры тэмпературы навакольнага асяроддзя, вельмі блізкай да пакаёвай.Як правіла, рэакцыя MA праводзіцца паміж дыфузійным злучэннем парашкоў рэагентаў у рэактары, звычайна зробленым з нержавеючай сталі, у шаравой млыне.10 (мал. 1а, б).З тых часоў гэты метад механічна выкліканай цвёрдацельнай рэакцыі выкарыстоўваўся для падрыхтоўкі новых парашкоў аморфнага/металічнага шклянога сплаву з выкарыстаннем шаравых млыноў з нізкай (мал. 1c) і высокай энергіі і стрыжневых млыноў11,12,13,14,15,16.У прыватнасці, гэты метад выкарыстоўваўся для падрыхтоўкі сістэм, якія не змешваюцца, такіх як Cu-Ta17, а таксама сплаваў з высокай тэмпературай плаўлення, такіх як Al-пераходны метал (TM, Zr, Hf, Nb і Ta)18,19 і сістэмы Fe-W20., якія нельга атрымаць з дапамогай звычайных спосабаў прыгатавання.Акрамя таго, МА лічыцца адным з самых магутных нанатэхналагічных інструментаў для прамысловага вытворчасці нанакрышталічных і нанакампазітных парашковых часціц металічных аксідаў, карбідаў, нітрыдаў, гідрыдаў, вугляродных нанатрубак, нанаалмазаў, а таксама шырокай стабілізацыі з выкарыстаннем падыходу зверху ўніз.1 і метастабільная стадыі.
Схема, якая паказвае метад вырабу, які выкарыстоўваецца для падрыхтоўкі металічнага шклянога пакрыцця Cu50(Zr50-xNix)/SUS 304 у гэтым даследаванні.(А) Падрыхтоўка парашкоў сплаваў MC з рознымі канцэнтрацыямі Ni x (x; 10, 20, 30 і 40 ат.%) з выкарыстаннем метаду шаравога млына з нізкай энергіяй.(а) Зыходны матэрыял загружаецца ў інструментальны цыліндр разам з шарыкамі з інструментальнай сталі і (б) зачыняецца ў бардачку, напоўненым атмасферай He.(С) Празрыстая мадэль шліфавальнай ёмістасці, якая паказвае рух шара падчас драбнення.Канчатковы парашкападобны прадукт, атрыманы праз 50 гадзін, быў выкарыстаны для нанясення халоднага распылення на падкладку SUS 304 (d).
Што тычыцца паверхняў сыпкіх матэрыялаў (субстратаў), інжынерыя паверхні ўключае распрацоўку і мадыфікацыю паверхняў (субстратаў) для забеспячэння пэўных фізічных, хімічных і тэхнічных уласцівасцей, якіх няма ў зыходнага сыпкага матэрыялу.Некаторыя з уласцівасцей, якія можна эфектыўна палепшыць з дапамогай апрацоўкі паверхні, уключаюць устойлівасць да ізаляцыі, акіслення і карозіі, каэфіцыент трэння, біяінертнасць, электрычныя ўласцівасці і цеплаізаляцыю, і гэта толькі некаторыя з іх.Якасць паверхні можна палепшыць металургічнымі, механічнымі або хімічнымі метадамі.Як добра вядомы працэс, нанясенне пакрыцця проста вызначаецца як адзін або некалькі слаёў матэрыялу, штучна нанесеных на паверхню аб'ёмнага прадмета (падкладкі), вырабленага з іншага матэрыялу.Такім чынам, пакрыцця часткова выкарыстоўваюцца для дасягнення жаданых тэхнічных або дэкаратыўных уласцівасцей, а таксама для абароны матэрыялаў ад чаканага хімічнага і фізічнага ўзаемадзеяння з навакольным асяроддзем23.
Для нанясення прыдатных ахоўных слаёў таўшчынёй ад некалькіх мікраметраў (ніжэй за 10-20 мікраметраў) да больш чым 30 мікраметраў ці нават некалькіх міліметраў можна выкарыстоўваць мноства метадаў і метадаў.Увогуле, працэсы нанясення пакрыцця можна падзяліць на дзве катэгорыі: (i) вільготныя спосабы нанясення пакрыццяў, у тым ліку гальванічнае пакрыццё, гальванічнае пакрыццё і гарачае цынкаванне, і (ii) сухія метады нанясення пакрыццяў, уключаючы пайку, цвёрдую наплавку, фізічнае асаджэнне з паравай пары (PVD).), метады хімічнага асаджэння з паравай фазы (CVD), метады тэрмічнага распылення і зусім нядаўна метады халоднага распылення 24 (малюнак 1d).
Біяплёнкі вызначаюцца як мікробныя супольнасці, незваротна прымацаваныя да паверхняў і акружаныя пазаклеткавымі палімерамі, якія самі вырабляюцца (EPS).Утварэнне павярхоўна спелай біяплёнкі можа прывесці да значных страт у многіх галінах прамысловасці, уключаючы харчовую прамысловасць, сістэмы водазабеспячэння і ахову здароўя.У чалавека з адукацыяй біяплёнкі больш за 80% выпадкаў мікробных інфекцый (у тым ліку энтеробактерий і стафілакокаў) цяжка паддаюцца лячэнню.Акрамя таго, паведамляецца, што спелыя біяплёнкі ў 1000 разоў больш устойлівыя да лячэння антыбіётыкамі ў параўнанні з планктоннымі бактэрыяльнымі клеткамі, што лічыцца асноўнай тэрапеўтычнай праблемай.Гістарычна выкарыстоўваліся антымікробныя матэрыялы для пакрыцця паверхні, атрыманыя з звычайных арганічных злучэнняў.Хоць такія матэрыялы часта ўтрымліваюць таксічныя кампаненты, патэнцыйна шкодныя для чалавека,25,26 гэта можа дапамагчы пазбегнуць перадачы бактэрый і дэградацыі матэрыялу.
Шырока распаўсюджаная ўстойлівасць бактэрый да лячэння антыбіётыкамі з-за адукацыі біяплёнкі прывяла да неабходнасці распрацоўкі эфектыўнай паверхні з антымікробным мембранным пакрыццём, якую можна бяспечна ўжываць27.Распрацоўка фізічнай або хімічнай антыадгезійнай паверхні, да якой бактэрыяльныя клеткі не могуць звязвацца і ўтвараць біяплёнкі з-за адгезіі, - гэта першы падыход у гэтым працэсе27.Другая тэхналогія заключаецца ў распрацоўцы пакрыццяў, якія дастаўляюць антымікробныя хімікаты менавіта туды, куды яны неабходны, у высокаканцэнтраваных і адаптаваных колькасцях.Гэта дасягаецца шляхам распрацоўкі унікальных матэрыялаў для пакрыццяў, такіх як графен/германій28, чорны алмаз29 і алмазападобных вугляродных пакрыццяў, легаваных ZnO30, устойлівых да бактэрый, тэхналогіі, якая максімальна павялічвае развіццё таксічнасці і ўстойлівасці з-за адукацыі біяплёнкі.Акрамя таго, усё большую папулярнасць набываюць пакрыцця, якія змяшчаюць бактэрыцыдныя хімікаты, якія забяспечваюць працяглую абарону ад бактэрыяльнага заражэння.Нягледзячы на ​​тое, што ўсе тры працэдуры здольныя аказваць антымікробную актыўнасць на паверхнях з пакрыццём, у кожнай ёсць свой набор абмежаванняў, якія варта ўлічваць пры распрацоўцы стратэгіі прымянення.
Прадукты, якія цяпер прадстаўлены на рынку, стрымліваюцца з-за недахопу часу для аналізу і выпрабаванняў ахоўных пакрыццяў на наяўнасць біялагічна актыўных інгрэдыентаў.Кампаніі сцвярджаюць, што іх прадукты забяспечаць карыстальнікам жаданыя функцыянальныя аспекты, аднак гэта стала перашкодай для поспеху прадуктаў, якія зараз прадстаўлены на рынку.Злучэнні, атрыманыя з срэбра, выкарыстоўваюцца ў пераважнай большасці антымікробных сродкаў, даступных у цяперашні час для спажыўцоў.Гэтыя прадукты прызначаны для абароны карыстальнікаў ад патэнцыйна шкоднага ўздзеяння мікраарганізмаў.Адтэрмінаваны антымікробны эфект і звязаная з гэтым таксічнасць злучэнняў срэбра ўзмацняюць ціск на даследчыкаў з мэтай распрацоўкі менш шкоднай альтэрнатывы36,37.Стварэнне глабальнага антымікробнага пакрыцця, якое працуе ўнутры і звонку, застаецца праблемай.Гэта звязана з рызыкай для здароўя і бяспекі.Адкрыццё антымікробнага агента, які менш шкодны для чалавека, і высвятленне таго, як уключыць яго ў падкладкі для пакрыццяў з больш доўгім тэрмінам прыдатнасці, - вельмі запатрабаваная мэта38.Найноўшыя антымікробныя і антыбіёплёнкавыя матэрыялы прызначаны для знішчэння бактэрый на блізкай адлегласці альбо пры непасрэдным кантакце, альбо пасля вызвалення актыўнага агента.Яны могуць зрабіць гэта, інгібіруючы пачатковую адгезію бактэрый (у тым ліку прадухіляючы адукацыю бялковага пласта на паверхні) або забіваючы бактэрыі, умешваючыся ў клеткавую сценку.
Па сутнасці, пакрыццё паверхні - гэта працэс нанясення яшчэ аднаго пласта на паверхню кампанента для паляпшэння характарыстык паверхні.Мэта павярхоўнага пакрыцця - змяніць мікраструктуру і/або склад прыпаверхневай вобласці кампанента39.Метады пакрыцця паверхні можна падзяліць на розныя метады, якія абагульнена прадстаўлены на мал. 2а.Пакрыцці можна падзяліць на тэрмічныя, хімічныя, фізічныя і электрахімічныя катэгорыі ў залежнасці ад метаду, які выкарыстоўваецца для стварэння пакрыцця.
(a) Урэзка, якая паказвае асноўныя метады вырабу паверхні, і (b) асобныя перавагі і недахопы метаду халоднага распылення.
Тэхналогія халоднага распылення мае шмат агульнага з традыцыйнымі метадамі тэрмічнага распылення.Аднак ёсць таксама некаторыя асноўныя фундаментальныя ўласцівасці, якія робяць працэс халоднага распылення і матэрыялы халоднага распылення асабліва унікальнымі.Тэхналогія халоднага распылення знаходзіцца яшчэ ў зачаткавым стане, але ў яе вялікая будучыня.У некаторых выпадках унікальныя ўласцівасці халоднага напылення даюць вялікія перавагі, пераадольваючы абмежаванні звычайных метадаў тэрмічнага напылення.Ён пераадольвае значныя абмежаванні традыцыйнай тэхналогіі тэрмічнага распылення, пры якой парашок павінен быць расплаўлены, каб нанесці яго на падкладку.Відавочна, што гэты традыцыйны працэс нанясення пакрыцця не падыходзіць для вельмі адчувальных да тэмпературы матэрыялаў, такіх як нанакрышталі, наначасціцы, аморфнае і металічнае шкло40, 41, 42. Акрамя таго, матэрыялы для нанясення пакрыццяў з тэрмічнага распылення заўсёды маюць высокі ўзровень сітаватасці і аксідаў.Тэхналогія халоднага распылення мае шмат істотных пераваг у параўнанні з тэхналогіяй тэрмічнага распылення, такіх як (i) мінімальны падвод цяпла да падкладкі, (ii) гібкасць у выбары пакрыцця падкладкі, (iii) адсутнасць фазавых ператварэнняў і росту зерняў, (iv) высокая трываласць адгезіі1.39 (мал. 2b).Акрамя таго, матэрыялы пакрыццяў халодным распыленнем валодаюць высокай каразійнай устойлівасцю, высокай трываласцю і цвёрдасцю, высокай электраправоднасцю і высокай шчыльнасцю41.Нягледзячы на ​​​​перавагі працэсу халоднага распылення, гэты метад усё яшчэ мае некаторыя недахопы, як паказана на малюнку 2b.Пры пакрыцці чыстых керамічных парашкоў, такіх як Al2O3, TiO2, ZrO2, WC і г.д., нельга выкарыстоўваць метад халоднага распылення.З іншага боку, кампазітныя парашкі з керамікі і металу можна выкарыстоўваць у якасці сыравіны для пакрыццяў.Тое ж самае тычыцца і іншых метадаў тэрмічнага напылення.Складаныя паверхні і ўнутраныя часткі труб па-ранейшаму цяжка распыляць.
Улічваючы, што дадзеная праца накіравана на выкарыстанне металічных парашкоў шклопадобнага цела ў якасці зыходных матэрыялаў для пакрыццяў, відавочна, што звычайнае тэрмічнае напыленне не можа быць выкарыстана для гэтай мэты.Гэта звязана з тым, што металічныя шклопадобныя парашкі крышталізуюцца пры высокай тэмпературы1.
Большасць інструментаў, якія выкарыстоўваюцца ў медыцынскай і харчовай прамысловасці, вырабляюцца з аўстэнітных сплаваў нержавеючай сталі (SUS316 і SUS304) з утрыманнем хрому ад 12 да 20 мас.% для вытворчасці хірургічных інструментаў.Агульнапрызнана, што выкарыстанне металічнага хрому ў якасці легіруючага элемента ў сталёвых сплавах можа значна палепшыць каразійную ўстойлівасць стандартных сталёвых сплаваў.Сплавы нержавеючай сталі, нягледзячы на ​​высокую каразійную ўстойлівасць, не валодаюць значнымі антымікробнымі ўласцівасцямі38,39.Гэта кантрастуе з іх высокай устойлівасцю да карозіі.Пасля гэтага можна прагназаваць развіццё інфекцыі і запалення, якія ў асноўным абумоўлены адгезіяй і каланізацыяй бактэрый на паверхні біяматэрыялаў з нержавеючай сталі.Значныя цяжкасці могуць узнікнуць з-за значных цяжкасцей, звязаных з адгезіяй бактэрый і шляхамі адукацыі біяплёнкі, што можа прывесці да пагаршэння здароўя, што можа мець мноства наступстваў, якія могуць прама ці ўскосна паўплываць на здароўе чалавека.
Гэта даследаванне з'яўляецца першым этапам праекта, які фінансуецца Кувейтскім фондам садзейнічання развіццю навукі (KFAS), кантракт №.2010-550401, каб даследаваць магчымасць вытворчасці металічных шкляных трайных парашкоў Cu-Zr-Ni з выкарыстаннем тэхналогіі MA (табліца).1) Для вытворчасці антыбактэрыйнай плёнкі/пакрыцця для абароны паверхні SUS304.Другі этап праекта, які павінен пачацца ў студзені 2023 года, будзе дэталёва вывучаць характарыстыкі гальванічнай карозіі і механічныя ўласцівасці сістэмы.Будуць праведзены дэталёвыя мікрабіялагічныя даследаванні на розныя віды бактэрый.
У гэтым артыкуле абмяркоўваецца ўплыў утрымання сплаву Zr на здольнасць да фарміравання шкла (GFA) на аснове марфалагічных і структурных характарыстык.Акрамя таго, таксама абмяркоўваліся антыбактэрыйныя ўласцівасці металічнага шкла з парашковым пакрыццём і кампазіта SUS304.Акрамя таго, працягваецца праца па вывучэнні магчымасці структурных пераўтварэнняў парашкоў металічнага шкла, якія адбываюцца падчас халоднага распылення ў вобласці пераахалоджанай вадкасці вырабленых сістэм з металічнага шкла.У якасці рэпрэзентатыўных прыкладаў у гэтым даследаванні выкарыстоўваліся сплавы металічнага шкла Cu50Zr30Ni20 і Cu50Zr20Ni30.
У гэтым раздзеле прадстаўлены марфалагічныя змены ў парашках элементарнай Cu, Zr і Ni падчас шаравога памолу з нізкай энергіяй.У якасці ілюстрацыйных прыкладаў будуць выкарыстоўвацца дзве розныя сістэмы, якія складаюцца з Cu50Zr20Ni30 і Cu50Zr40Ni10.Працэс MA можна падзяліць на тры асобныя стадыі, пра што сведчыць металаграфічная характарыстыка парашка, атрыманага на стадыі драбнення (мал. 3).
Металаграфічныя характарыстыкі парашкоў механічных сплаваў (МС), атрыманых пасля розных стадый шаравога памолу.Выявы парашкоў MA і Cu50Zr40Ni10, атрыманыя пасля нізкаэнергетычнага памолу ў шаравых млынах на працягу 3, 12 і 50 гадзін, паказаны на (a), (c) і (e) для сістэмы Cu50Zr20Ni30, у той жа час на той жа MA.Адпаведныя выявы сістэмы Cu50Zr40Ni10, зробленыя праз некаторы час, паказаны на (b), (d) і (f).
Падчас шаравога млына эфектыўная кінэтычная энергія, якая можа быць перададзена металічнаму парашку, залежыць ад камбінацыі параметраў, як паказана на мал. 1а.Гэта ўключае ў сябе сутыкненні паміж шарыкамі і парашкамі, сціск парашка, які затрымаўся паміж або паміж мелючымі асяроддзямі, удары ад падаючых шарыкаў, зрух і знос, выкліканыя супрацівам парашка паміж рухомымі целамі шаравога млына, і ўдарную хвалю, якая праходзіць праз падаючыя шары, якія распаўсюджваюцца праз загружаную культуру (мал. 1а). Элементарныя парашкі Cu, Zr і Ni былі моцна дэфармаваны з-за халоднай зваркі на ранняй стадыі МА (3 ч), што прывяло да адукацыі буйных часціц парашка (> 1 мм у дыяметры). Элементныя парашкі Cu, Zr і Ni былі моцна дэфармаваны з-за халоднай зваркі на ранняй стадыі МА (3 ч), што прывяло да адукацыі буйных часціц парашка (> 1 мм у дыяметры).Гэтыя буйныя кампазітныя часціцы характарызуюцца адукацыяй тоўстых слаёў легіруючых элементаў (Cu, Zr, Ni), як паказана на мал.3а,б.Павелічэнне часу МА да 12 гадзін (прамежкавая стадыя) прывяло да павелічэння кінэтычнай энергіі шаравой млыны, што прывяло да раскладання кампазітнага парашка на больш дробныя парашкі (менш за 200 мкм), як паказана на мал. 3c, горад.На гэтай стадыі прыкладзеная сіла зруху прыводзіць да фарміравання новай металічнай паверхні з тонкімі слаямі Cu, Zr, Ni, як паказана на мал. 3c, d.У выніку драбнення слаёў на мяжы лускавін адбываюцца цвёрдафазныя рэакцыі з адукацыяй новых фаз.
У кульмінацыйны момант працэсу МА (праз 50 гадзін) лускавая металаграфія была ледзь прыкметная (мал. 3e, f), а на паліраванай паверхні парашка назіралася люстраная металаграфія.Гэта азначае, што працэс MA быў завершаны і была створана адзіная фаза рэакцыі.Элементны склад абласцей, пазначаных на мал.3e (I, II, III), f, v, vi) былі вызначаны з дапамогай эмісійнай растравай электроннай мікраскапіі (FE-SEM) у спалучэнні з энергадысперсійнай рэнтгенаўскай спектраскапіяй (EDS).(IV).
У табл.2 элементарныя канцэнтрацыі легіруючых элементаў паказаны ў працэнтах ад агульнай масы кожнай вобласці, выбранай на мал.3e, f.Параўнанне гэтых вынікаў з пачатковымі намінальнымі складамі Cu50Zr20Ni30 і Cu50Zr40Ni10, прыведзенымі ў табліцы 1, паказвае, што склады гэтых двух канчатковых прадуктаў вельмі блізкія да намінальных складаў.Акрамя таго, адносныя значэнні кампанентаў для рэгіёнаў, пералічаных на мал. 3e,f, не сведчаць аб істотным пагаршэнні або варыяцыі складу кожнага ўзору ад аднаго рэгіёна да іншага.Аб гэтым сведчыць той факт, што няма змены складу ад аднаго рэгіёна да другога.Гэта сведчыць аб вытворчасці аднастайных парашкоў сплаву, як паказана ў табліцы 2.
Мікрафатаграфіі FE-SEM парашка канчатковага прадукту Cu50(Zr50-xNix) былі атрыманы пасля 50 раз MA, як паказана на мал. 4a-d, дзе x складае 10, 20, 30 і 40 ат.%, адпаведна.Пасля гэтага этапу драбнення парашок агрэгуецца з-за эфекту Ван-дэр-Ваальса, што прыводзіць да адукацыі буйных агрэгатаў, якія складаюцца з звыштонкіх часціц дыяметрам ад 73 да 126 нм, як паказана на малюнку 4.
Марфалагічныя характарыстыкі парашкоў Cu50(Zr50-xNix), атрыманых пасля 50-гадзіннай МА.Для сістэм Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40 выявы парашкоў FE-SEM, атрыманыя пасля 50 MA, паказаны на (a), (b), (c) і (d) адпаведна.
Перад загрузкай парашкоў у фідэр з халодным распыленнем іх спачатку апрацоўвалі ультрагукам у этаноле аналітычнай якасці на працягу 15 хвілін, а затым сушылі пры 150°C на працягу 2 гадзін.Гэты крок неабходна зрабіць для паспяховай барацьбы з агламерацыяй, якая часта выклікае мноства сур'ёзных праблем у працэсе нанясення пакрыцця.Пасля завяршэння працэсу МА былі праведзены далейшыя даследаванні для вывучэння аднастайнасці парашкоў сплаваў.На мал.На малюнках 5a–d паказаны мікрафатаграфіі FE-SEM і адпаведныя выявы EDS легіруючых элементаў Cu, Zr і Ni сплаву Cu50Zr30Ni20, зробленыя праз 50 гадзін часу М адпаведна.Варта адзначыць, што парашкі сплаваў, атрыманыя пасля гэтага этапу, аднастайныя, паколькі яны не дэманструюць ніякіх ваганняў складу за межамі субнанаметровага ўзроўню, як паказана на малюнку 5.
Марфалогія і лакальнае размеркаванне элементаў у парашку MG Cu50Zr30Ni20, атрыманым пасля 50 MA з дапамогай FE-SEM/Энергія-дысперсійнай рэнтгенаўскай спектраскапіі (EDS).(a) SEM і рэнтгенаўская EDS выява (b) Cu-Kα, (c) Zr-Lα і (d) Ni-Kα.
Рэнтгенаграмы механічна легіраваных парашкоў Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30 і Cu50Zr20Ni30, атрыманых пасля 50-гадзіннай МА, паказаны на мал.6а–г адпаведна.Пасля гэтай стадыі драбнення ўсе ўзоры з рознай канцэнтрацыяй Zr мелі аморфныя структуры з характэрнымі карцінамі дыфузіі гало, паказанымі на мал. 6.
Рэнтгенаграмы парашкоў Cu50Zr40Ni10 (а), Cu50Zr30Ni20 (б), Cu50Zr20Ni30 (в) і Cu50Zr20Ni30 (г) пасля МА на працягу 50 гадзін.Ва ўсіх без выключэння ўзорах назіралася карціна гало-дыфузіі, якая сведчыць аб адукацыі аморфнай фазы.
Прапускаючая электронная мікраскапія высокага дазволу (FE-HRTEM) была выкарыстана для назірання за структурнымі зменамі і разумення лакальнай структуры парашкоў, атрыманых у шаравых млынах у розны час MA.Выявы парашкоў, атрыманых метадам FE-HRTEM пасля ранняй (6 ч) і прамежкавай (18 ч) стадый драбнення парашкоў Cu50Zr30Ni20 і Cu50Zr40Ni10, прадстаўлены на мал.7а адпаведна.Згодна з малюнкам у светлым полі (BFI) парашка, атрыманага пасля 6 гадзін МА, парашок складаецца з буйных зерняў з выразна выяўленымі межамі ГЦК-Cu, ГПУ-Zr і ГЦК-Ni элементаў, і няма прыкмет адукацыі фазы рэакцыі, як паказана на мал. 7а.Акрамя таго, карэляваная дыфракцыйная карціна выбранай вобласці (SADP), узятая з сярэдняй вобласці (а), выявіла рэзкую дыфракцыйную карціну (мал. 7b), якая сведчыць аб наяўнасці вялікіх крышталітаў і адсутнасці рэактыўнай фазы.
Лакальныя структурныя характарыстыкі парашка МА, атрыманага пасля ранняй (6 ч) і прамежкавай (18 ч) стадый.(А) Полевая эмісійная трансмісійная электронная мікраскапія з высокім дазволам (FE-HRTEM) і (Б) адпаведная дыфрактограмма абранай вобласці (SADP) парашка Cu50Zr30Ni20 пасля апрацоўкі МА на працягу 6 гадзін.Выява FE-HRTEM Cu50Zr40Ni10, атрыманая пасля 18-гадзіннай MA, паказана на (c).
Як паказана на мал.7в, павелічэнне працягласці МА да 18 гадзін прывяло да сур'ёзных дэфектаў рашоткі ў спалучэнні з пластычнай дэфармацыяй.На гэтай прамежкавай стадыі працэсу МА ў парашку з'яўляюцца розныя дэфекты, у тым ліку дэфекты кладкі, дэфекты рашоткі і кропкавыя дэфекты (мал. 7).Гэтыя дэфекты выклікаюць фрагментацыю буйных зерняў па межах зерняў на субзерна памерам менш за 20 нм (мал. 7с).
Лакальная структура парашка Cu50Z30Ni20, здробненага на працягу 36 гадзін МА, характарызуецца адукацыяй ультратонкіх наназерняў, убудаваных у аморфную тонкую матрыцу, як паказана на мал. 8а.Лакальны аналіз ЭРС паказаў, што нанакластары, паказаныя на мал.8а звязаны з неапрацаванымі парашковымі сплавамі Cu, Zr і Ni.Змест Cu ў матрыцы вар'іравалася ад ~32 ат.% (бедная зона) да ~74 ат.% (багатая зона), што сведчыць аб адукацыі гетэрагенных прадуктаў.Акрамя таго, адпаведныя SADP парашкоў, атрыманых пасля памолу на гэтым этапе, паказваюць кольцы аморфнай фазы першаснай і другаснай гало-дыфузіі, якія перакрываюцца вострымі кропкамі, звязанымі з гэтымі неапрацаванымі легіруючымі элементамі, як паказана на мал. 8b.
Нанамаштабныя лакальныя структурныя асаблівасці парашка Beyond 36 h-Cu50Zr30Ni20.(а) Выява ў светлым полі (BFI) і адпаведны (б) SADP парашка Cu50Zr30Ni20, атрыманага пасля памолу на працягу 36 гадзін MA.
Бліжэй да канца працэсу MA (50 гадзін), Cu50 (Zr50-xNix), X, 10, 20, 30 і 40 ат.% парашкоў, без выключэння, маюць лабиринтную марфалогію аморфнай фазы, як паказана на мал.Ні кропкавая дыфракцыя, ні рэзкія кальцавыя карціны не могуць быць выяўлены ў адпаведных SADS кожнай кампазіцыі.Гэта паказвае на адсутнасць неапрацаванага крышталічнага металу, а хутчэй на адукацыю парашка аморфнага сплаву.Гэтыя карэляваныя SADP, якія паказваюць карціны дыфузіі гало, таксама выкарыстоўваліся ў якасці доказу развіцця аморфных фаз у матэрыяле канчатковага прадукту.
Лакальная структура канчатковага прадукту сістэмы Cu50 MS (Zr50-xNix).FE-HRTEM і карэляваныя дыфрактаграмы нанапрамяня (NBDP) (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 і (d) Cu50Zr10Ni40, атрыманыя пасля 50 гадзін МА.
З дапамогай дыферэнцыяльнай сканавальнай каларыметрыі вывучана тэрмічная стабільнасць тэмпературы стеклования (Tg), вобласці пераахалоджанай вадкасці (ΔTx) і тэмпературы крышталізацыі (Tx) у залежнасці ад утрымання Ni (x) у аморфнай сістэме Cu50(Zr50-xNix).(DSC) уласцівасці ў патоку газу He.Крывыя ДСК парашкоў аморфных сплаваў Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20 і Cu50Zr10Ni40, атрыманыя пасля МА на працягу 50 ч, паказаны на мал.10а, б, д адпаведна.У той час як крывая DSC аморфнага Cu50Zr20Ni30 паказана асобна на мал. 10th стагоддзе Між тым, узор Cu50Zr30Ni20, нагрэты да ~700°C у DSC, паказаны на мал. 10g.
Тэрмічная стабільнасць парашкоў Cu50(Zr50-xNix) MG, атрыманых пасля МА на працягу 50 гадзін, вызначаецца тэмпературай стеклования (Tg), тэмпературай крышталізацыі (Tx) і вобласцю пераахалоджанай вадкасці (ΔTx).Тэрмаграмы парашкоў дыферэнцыяльнага сканіруючага каларыметра (ДСК) парашкоў сплаву Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c) і (e) Cu50Zr10Ni40 MG пасля МА на працягу 50 гадзін.Дыфрактаграма рэнтгенаўскіх прамянёў (XRD) узору Cu50Zr30Ni20, нагрэтага да ~700°C у DSC, паказана на (d).
Як паказана на малюнку 10, крывыя DSC для ўсіх кампазіцый з рознымі канцэнтрацыямі нікеля (x) паказваюць на два розныя выпадкі: адзін эндатэрмічны, а другі экзатэрмічны.Першае эндотермическое падзея адпавядае Tg, а другое звязана з Tx.Плошча гарызантальнага размаху, якая існуе паміж Tg і Tx, называецца вобласцю пераахалоджанай вадкасці (ΔTx = Tx – Tg).Вынікі паказваюць, што Tg і Tx узору Cu50Zr40Ni10 (мал. 10а), размешчанага пры 526°C і 612°C, зрушваюць утрыманне (x) да 20 ат% у бок нізкай тэмпературы 482°C і 563°C.°C з павелічэннем утрымання Ni (x), адпаведна, як паказана на малюнку 10b.Такім чынам, ΔTx Cu50Zr40Ni10 памяншаецца ад 86°С (мал. 10а) да 81°С для Cu50Zr30Ni20 (мал. 10б).Для сплаву MC Cu50Zr40Ni10 таксама назіралася зніжэнне значэнняў Tg, Tx і ΔTx да ўзроўню 447°С, 526°С і 79°С (мал. 10б).Гэта сведчыць аб тым, што павелічэнне ўтрымання Ni прыводзіць да зніжэння тэрмічнай стабільнасці сплаву MS.Наадварот, значэнне Tg (507 °C) сплаву MC Cu50Zr20Ni30 ніжэй, чым у сплаву MC Cu50Zr40Ni10;тым не менш, яго Tx паказвае параўнальнае з ім значэнне (612 °C).Такім чынам, ΔTx мае больш высокае значэнне (87°C), як паказана на мал.10 ст
Сістэма Cu50(Zr50-xNix) MC, выкарыстоўваючы ў якасці прыкладу сплаў Cu50Zr20Ni30 MC, крышталізуецца праз рэзкі экзатэрмічны пік у крышталічныя фазы ГЦК-ZrCu5, ромбічных Zr7Cu10 і ромбічных ZrNi (мал. 10c).Гэты фазавы пераход ад аморфнага да крышталічнага быў пацверджаны рэнтгенаграфічным аналізам узору MG (мал. 10d), які быў нагрэты да 700 °C у ДСК.
На мал.11 паказаны фотаздымкі, зробленыя падчас працэсу халоднага распылення, які праводзіцца ў бягучай працы.У гэтым даследаванні часціцы металічнага шклопадобнага парашка, сінтэзаваныя пасля МА на працягу 50 гадзін (з выкарыстаннем Cu50Zr20Ni30 у якасці прыкладу), выкарыстоўваліся ў якасці антыбактэрыйнай сыравіны, а пласціна з нержавеючай сталі (SUS304) была пакрыта халодным распыленнем.Метад халоднага распылення быў абраны для пакрыцця ў серыі тэхналогій тэрмічнага распылення, таму што гэта найбольш эфектыўны метад у серыі тэхналогій тэрмічнага распылення, дзе яго можна выкарыстоўваць для металічных метастабільных матэрыялаў, адчувальных да цяпла, такіх як аморфныя і нанакрышталічныя парашкі.Не падлягае фазе.пераходы.Гэта галоўны фактар ​​пры выбары гэтага спосабу.Працэс халоднага нанясення ажыццяўляецца з дапамогай высакахуткасных часціц, якія пераўтвараюць кінэтычную энергію часціц у пластычную дэфармацыю, дэфармацыю і цяпло пры ўдары аб падкладку або раней нанесеныя часціцы.
Палявыя фатаграфіі паказваюць працэдуру халоднага распылення, якая выкарыстоўвалася для пяці паслядоўных падрыхтовак MG/SUS 304 пры 550°C.
Кінетычная энергія часціц, а таксама імпульс кожнай часціцы падчас утварэння пакрыцця павінны быць пераўтвораны ў іншыя формы энергіі з дапамогай такіх механізмаў, як пластычная дэфармацыя (першасныя часціцы і міжчасцічныя ўзаемадзеянні ў матрыцы і ўзаемадзеянні часціц), міжтканевыя вузлы цвёрдых целаў, кручэнне паміж часціцамі, дэфармацыя і абмежавальны нагрэў 39. Акрамя таго, калі не ўся ўваходная кінэтычная энергія пераўтворыцца ператвораны ў цеплавую энергію і энергію дэфармацыі, у выніку адбудзецца пругкае сутыкненне, што азначае, што часціцы пасля ўдару проста адскокваюць.Было адзначана, што 90% энергіі ўдару, прыкладзенай да часціцы/матэрыялу падкладкі, ператвараецца ў мясцовае цяпло 40 .Акрамя таго, калі прымяняецца ўдарнае напружанне, высокія хуткасці пластычнай дэфармацыі дасягаюцца ў вобласці кантакту часціц/падкладкі за вельмі кароткі час41,42.
Пластычная дэфармацыя звычайна разглядаецца як працэс рассейвання энергіі, дакладней, як крыніца цяпла ў межфазной вобласці.Аднак павышэння тэмпературы ў межфазной вобласці звычайна недастаткова для ўзнікнення межфазного плаўлення або значнай стымуляцыі ўзаемнай дыфузіі атамаў.Ніводная публікацыя, вядомая аўтарам, не даследавала ўплыў уласцівасцей гэтых металічных шклопадобных парашкоў на адгезію і асяданне парашка, якія адбываюцца пры выкарыстанні метадаў халоднага распылення.
BFI парашка сплаву MG Cu50Zr20Ni30 можна ўбачыць на мал. 12a, які быў нанесены на падкладку SUS 304 (мал. 11, 12b).Як відаць з малюнка, парашкі з пакрыццём захоўваюць сваю першапачатковую аморфную структуру, паколькі яны маюць далікатную структуру лабірынта без якіх-небудзь крышталічных асаблівасцей або дэфектаў рашоткі.З іншага боку, выява паказвае на прысутнасць іншароднай фазы, пра што сведчаць наначасціцы, уключаныя ў парашковую матрыцу з MG-пакрыццём (мал. 12а).На малюнку 12c паказана індэксаваная карціна дыфракцыі нанапучка (NBDP), звязаная з вобласцю I (малюнак 12a).Як паказана на мал.12c, NBDP дэманструе слабую карціну дыфузіі гало аморфнай структуры і суіснуе з рэзкімі плямамі, якія адпавядаюць крышталічнай вялікай кубічнай метастабільнай фазе Zr2Ni плюс тэтраганальнай фазе CuO.Адукацыя CuO можна растлумачыць акісленнем парашка пры перамяшчэнні ад сопла фарбапульта да SUS 304 на адкрытым паветры ў звышгукавым патоку.З іншага боку, расстекловывание металічных шклопадобных парашкоў прывяло да адукацыі вялікіх кубічных фаз пасля апрацоўкі халодным распыленнем пры 550°C на працягу 30 хвілін.
(а) Выява FE-HRTEM парашка MG, нанесенага на (б) падкладку SUS 304 (устаўка на малюнак).Індэкс NBDP круглага сімвала, паказанага ў (а), паказаны ў (с).
Каб праверыць гэты патэнцыйны механізм утварэння вялікіх кубічных наначасціц Zr2Ni, быў праведзены незалежны эксперымент.У гэтым эксперыменце парашкі распылялі з распыляльніка пры 550°C у напрамку падкладкі SUS 304;аднак, каб вызначыць эфект адпалу, парашкі выдалялі з палоскі SUS304 як мага хутчэй (каля 60 с).).Была праведзена яшчэ адна серыя эксперыментаў, падчас якой парашок выдалялі з падкладкі прыкладна праз 180 секунд пасля нанясення.
На малюнках 13a,b паказаны выявы сканіруючай трансмісійнай электроннай мікраскапіі (STEM) у цёмным полі (DFI) двух распыленых матэрыялаў, нанесеных на падкладкі SUS 304 на працягу 60 с і 180 с адпаведна.На парашковым малюнку, нанесеным на працягу 60 секунд, адсутнічаюць марфалагічныя дэталі, што паказвае безасаблівасць (мал. 13а).Гэта таксама пацвердзіла XRD, якая паказала, што агульная структура гэтых парашкоў была аморфнай, на што паказваюць шырокія першасныя і другасныя пікі дыфракцыі, паказаныя на малюнку 14a.Гэта паказвае на адсутнасць метастабільных/мезафазных асадкаў, у якіх парашок захоўвае сваю зыходную аморфную структуру.Наадварот, парашок, нанесены пры той жа тэмпературы (550°C), але пакінуты на падкладцы на 180 с, паказаў адклад нанаразмерных зерняў, як паказана стрэлкамі на мал. 13b.