Дзякуй за наведванне Nature.com. Версія браўзера, якой вы карыстаецеся, мае абмежаваную падтрымку CSS. Для найлепшага вопыту мы рэкамендуем вам выкарыстоўваць абноўлены браўзер (або выключыць рэжым сумяшчальнасці ў Internet Explorer). Тым часам, каб забяспечыць пастаянную падтрымку, мы будзем адлюстроўваць сайт без стыляў і JavaScript.
Біяплёнкі з'яўляюцца важным кампанентам у развіцці хранічных інфекцый, асабліва пры выкарыстанні медыцынскіх прылад. Гэтая праблема ўяўляе вялікую праблему для медыцынскай супольнасці, паколькі стандартныя антыбіётыкі могуць знішчаць біяплёнкі толькі ў вельмі абмежаванай ступені. Прадухіленне адукацыі біяплёнак прывяло да распрацоўкі розных метадаў пакрыццяў і новых матэрыялаў. Гэтыя метады накіраваны на пакрыццё паверхняў такім чынам, каб перашкаджаць адукацыі біяплёнкі. Металічныя шклопадобныя сплавы, асабліва тыя, што змяшчаюць медзь і тытан, сталі ідэальнымі антымікробнымі пакрыццямі. У той жа час выкарыстанне тэхналогіі халоднага распылення павялічылася, паколькі гэта прыдатны метад для апрацоўкі адчувальных да тэмпературы матэрыялаў. Часткай мэты гэтага даследавання была распрацоўка новай антыбактэрыйнай плёнкі з металічнага шкла, якая складаецца з трайнога Cu-Zr-Ni з выкарыстаннем метадаў механічнага легіравання. Сферычны парашок, які складае канчатковы прадукт, выкарыстоўваецца ў якасці сыравіны для пакрыцця халодным распыленнем паверхняў з нержавеючай сталі пры нізкіх тэмпературах. Тэсты, пакрытыя металічным шклом, змаглі значна паменшыць утварэнне біяплёнкі як мінімум на 1 лаг у параўнанні з нержавеючай сталлю.
На працягу гісторыі чалавецтва любое грамадства магло распрацоўваць і спрыяць укараненню новых матэрыялаў, якія адпавядаюць яго спецыфічным патрабаванням, што прывяло да паляпшэння прадукцыйнасці і рэйтынгу ў глабалізаванай эканоміцы1. Гэта заўсёды тлумачылася здольнасцю чалавека распрацоўваць матэрыялы і вытворчае абсталяванне і канструкцыі для вырабу і характарыстыкі матэрыялаў для дасягнення поспехаў у ахове здароўя, адукацыі, прамысловасці, эканоміцы, культуры і іншых галінах ад адной краіны або рэгіёна да іншай. Прагрэс вымяраецца незалежна ад краіны або рэгіёна.2 На працягу 60 гадоў матэрыялазнаўцы прысвячалі вялікую частку свайго часу засяроджванню на адной галоўнай праблеме: пошуку новых і перадавых матэрыялаў. Нядаўнія даследаванні сканцэнтраваны на паляпшэнні якасці і прадукцыйнасці існуючых матэрыялаў, а таксама на сінтэзе і вынаходніцтве цалкам 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 мноства розных матэрыялаў. Акрамя таго, на дадзены момант былі паспяхова сінтэзаваны нечуваныя дагэтуль злучэнні. Гэтыя настойлівыя намаганні спарадзілі новае сямейства інавацыйных матэрыялаў, разам вядомых як перадавыя матэрыялы2. Нанакрышталі, нана нічасціцы, нанатрубкі, квантавыя кропкі, нульмерныя, аморфныя металічныя шкла і сплавы з высокай энтрапіяй - гэта толькі некаторыя прыклады перадавых матэрыялаў, якія з'явіліся ў свеце з сярэдзіны мінулага стагоддзя. Пры вытворчасці і распрацоўцы новых сплаваў з выдатнымі ўласцівасцямі, альбо ў канчатковым прадукце, альбо на прамежкавых стадыях яго вытворчасці, часта дадаецца праблема дысбалансу. У выніку ўкаранення новых метадаў вырабу да істотна адхіляцца ад раўнавагі, быў адкрыты цэлы новы клас метастабільных сплаваў, вядомых як металічныя шкла.
Яго праца ў Калтэхе ў 1960 г. прынесла рэвалюцыю ў канцэпцыі металічных сплаваў, калі ён сінтэзаваў шклопадобныя сплавы Au-25 з ат.% Si шляхам хуткага зацвярдзення вадкасцей пры хуткасці амаль мільёна градусаў у секунду. 4. Адкрыццё прафесара Пола Дувеза не толькі абвясціла пачатак гісторыі металічных шклоў (MG), але і прывяло да змены парадыгмы ў тым, як людзі думаюць пра металічныя сплавы. самыя піянерскія даследаванні ў галіне сінтэзу сплаваў MG, амаль усе металічныя шкла былі выраблены цалкам з выкарыстаннем аднаго з наступных метадаў;(I) хуткае зацвярдзенне расплаву або пары, (II) атамнае разупарадкаванне рашоткі, (III) цвёрдыя рэакцыі амарфізацыі паміж чыстымі металічнымі элементамі і (IV) цвёрдыя пераходы метастабільных фаз.
MG адрозніваюцца адсутнасцю далёкага атамнага парадку, звязанага з крышталямі, што з'яўляецца вызначальнай характарыстыкай крышталяў. У сучасным свеце вялікі прагрэс быў дасягнуты ў галіне металічнага шкла. Гэта новыя матэрыялы з цікавымі ўласцівасцямі, якія ўяўляюць цікавасць не толькі для фізікі цвёрдага цела, але таксама для металургіі, хіміі паверхні, тэхналогіі, біялогіі і многіх іншых галінах. Гэты новы тып матэрыялу дэманструе розныя ўласцівасці ад цвёрдых металаў, што робіць яго цікавы кандыдат для тэхналагічных прымянення ў розных галінах.Яны маюць некаторыя важныя ўласцівасці;(i) высокая механічная пластычнасць і мяжа цякучасці, (ii) высокая магнітная пранікальнасць, (iii) нізкая каэрцытыўная сіла, (iv) незвычайная ўстойлівасць да карозіі, (v) незалежнасць ад тэмпературы Праводнасць 6,7.
Механічнае легіраванне (MA)1,8 з'яўляецца адносна новым метадам, упершыню ўведзеным у 19839 годзе прафесарам CC Kock і яго калегамі. Яны падрыхтавалі аморфныя парашкі Ni60Nb40 шляхам драбнення сумесі чыстых элементаў пры тэмпературах навакольнага асяроддзя, вельмі блізкіх да пакаёвай.Як правіла, рэакцыя МА ажыццяўляецца паміж дыфузійным злучэннем парашкоў рэагентаў у рэактары, звычайна вырабленым з нержавеючай сталі, у шаравой млыне 10 (мал. 1а, б). З тых часоў гэты метад механічна выкліканай цвёрдацельнай рэакцыі выкарыстоўваўся для атрымання новых парашкоў аморфнага/металічнага шклянога сплаву з выкарыстаннем нізкаэнергетычных (мал. 1с) і высокаэнергетычных шаравых млыноў, а таксама стрыжневых млыноў11,1. 2,13,14,15, 16. У прыватнасці, гэты метад быў выкарыстаны для падрыхтоўкі сістэм, якія не змешваюцца, такіх як Cu-Ta17, а таксама сплаваў з высокай тэмпературай плаўлення, такіх як сістэмы пераходных металаў Al (TM; Zr, Hf, Nb і Ta)18,19 і Fe-W20, якія немагчыма атрымаць з выкарыстаннем звычайных спосабаў падрыхтоўкі. Акрамя таго, MA лічыцца адным з самых магутных нанатэхналагічных інструментаў для падрыхтоўкі прамысловых часціцы нанакрышталічнага і нанакампазітнага парашка маштабу аксідаў металаў, карбідаў, нітрыдаў, гідрыдаў, вугляродных нанатрубак, нанаалмазаў, а таксама шырокая стабілізацыя з дапамогай падыходу зверху ўніз 1 і метастабільных стадый.
Схема, якая паказвае метад вырабу, які выкарыстоўваецца для атрымання пакрыцця з металічнага шкла (MG) Cu50(Zr50−xNix)/SUS 304 у гэтым даследаванні. (a) Падрыхтоўка парашкоў сплаву MG з рознымі канцэнтрацыямі Ni x (x; 10, 20, 30 і 40 ат.%) з выкарыстаннем тэхнікі шаравога млына з нізкай энергіяй. (a) Зыходны матэрыял загружаецца ў інструментальны цыліндр разам з шарыкамі з інструментальнай сталі, і (b) загружаецца у бардачку, напоўненым атмасферай He. (c) Празрыстая мадэль шліфавальнага сасуда, якая ілюструе рух шара падчас драбнення. Канчатковы прадукт парашка, атрыманага праз 50 гадзін, быў выкарыстаны для пакрыцця падкладкі SUS 304 метадам халоднага распылення (d).
Калі справа даходзіць да паверхняў сыпкіх матэрыялаў (субстратаў), інжынерыя паверхні прадугледжвае распрацоўку і мадыфікацыю паверхняў (субстратаў) для забеспячэння пэўных фізічных, хімічных і тэхнічных якасцей, якіх няма ў зыходнага сыпкага матэрыялу. Некаторыя ўласцівасці, якія можна эфектыўна палепшыць шляхам апрацоўкі паверхні, уключаюць устойлівасць да ізаляцыі, устойлівасць да акіслення і карозіі, каэфіцыент трэння, біяінертнасць, электрычныя ўласцівасці і цеплаізаляцыю, каб назваць некалькі. Якасць паверхні можа быць палепшаны з дапамогай металургічных, механічных або хімічных метадаў. Як добра вядомы працэс, пакрыццё проста вызначаецца як адзін або некалькі слаёў матэрыялу, штучна нанесеных на паверхню аб'ёмнага аб'екта (субстрата), вырабленага з іншага матэрыялу. Такім чынам, пакрыцця часткова выкарыстоўваюцца для дасягнення некаторых жаданых тэхнічных або дэкаратыўных уласцівасцей, а таксама для абароны матэрыялаў ад чаканага хімічнага і фізічнага ўзаемадзеяння з навакольным асяроддзем23.
Для нанясення прыдатных ахоўных слаёў паверхні таўшчынёй ад некалькіх мікраметраў (ніжэй за 10-20 мікраметраў) да больш за 30 мікраметраў ці нават некалькіх міліметраў можна прымяніць мноства метадаў і прыёмаў. Увогуле, працэсы нанясення пакрыцця можна падзяліць на дзве катэгорыі: (i) вільготныя метады нанясення пакрыццяў, у тым ліку гальванічнае, неэлектрычнае пакрыццё і метады гарачага цынкавання, і (ii) метады сухога нанясення пакрыццяў, уключаючы пайку, наплавку. , фізічнае асаджэнне з парнай фазы (PVD), хімічнае асаджэнне з парнай фазы (CVD), метады тэрмічнага распылення і зусім нядаўна метады халоднага распылення 24 (мал. 1d).
Біяплёнкі вызначаюцца як мікробныя супольнасці, незваротна прымацаваныя да паверхняў і акружаныя самавыпрацаванымі пазаклеткавымі палімерамі (EPS). Фарміраванне павярхоўна спелай біяплёнкі можа прывесці да значных страт у многіх прамысловых сектарах, уключаючы харчовую прамысловасць, сістэмы водазабеспячэння і асяроддзе аховы здароўя. Больш за 80% выпадкаў мікробных інфекцый (уключаючы Enterobacteriaceae і Staphylococcie) прыпадае на ўтварэнне біяплёнак. occi) 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 галоўнай тэрапеўтычнай праблемай. Антымікробныя матэрыялы для пакрыцця паверхні, атрыманыя з звычайных арганічных злучэнняў, выкарыстоўваліся гістарычна. Хоць такія матэрыялы часта ўтрымліваюць таксічныя кампаненты, якія патэнцыйна небяспечныя для чалавека,25,26 гэта можа дапамагчы пазбегнуць перадачы бактэрый і матэрыялу дэ пабудова.
Шырока распаўсюджаная ўстойлівасць бактэрый да лячэння антыбіётыкамі з-за адукацыі біяплёнкі прывяла да неабходнасці распрацоўкі эфектыўнай антымікробнай паверхні з мембранным пакрыццём, якую можна было б бяспечна наносіць 27. Распрацоўка фізічнай або хімічнай паверхні супраць адгезіі, да якой бактэрыяльныя клеткі перашкаджаюць звязвацца і будаваць біяплёнкі дзякуючы адгезіі, з'яўляецца першым падыходам у гэтым працэсе 27. Другая тэхналогія заключаецца ў распрацоўцы пакрыццяў, якія дазваляюць дастаўляць антымікробныя хімікаты менавіта туды, дзе яны знаходзяцца. Гэта дасягаецца шляхам распрацоўкі унікальных матэрыялаў для пакрыццяў, такіх як графен/германій28, чорны алмаз29 і алмазападобных вугляродных пакрыццяў, дапаваных ZnO30, устойлівых да бактэрый, тэхналогія, якая максімальна павялічвае Таксічнасць і развіццё ўстойлівасці з-за адукацыі біяплёнкі значна зніжаюцца. Акрамя таго, пакрыцця, якія ўключаюць у сябе бактэрыцыдныя хімікаты на паверхні, каб забяспечыць доўгатэрміновую абарону ад бактэрыяльнай паразы Тамінацыя становіцца ўсё больш папулярнай. Нягледзячы на ​​тое, што ўсе тры працэдуры здольныя аказваць антымікробнае ўздзеянне на пакрытыя паверхні, кожная з іх мае свой уласны набор абмежаванняў, якія варта ўлічваць пры распрацоўцы стратэгій прымянення.
Прадуктам, якія зараз прадстаўлены на рынку, перашкаджае недастаткова часу для аналізу і тэставання ахоўных пакрыццяў на наяўнасць біялагічна актыўных інгрэдыентаў. Кампаніі сцвярджаюць, што іх прадукты будуць забяспечваць карыстальнікаў жаданымі функцыянальнымі аспектамі;аднак гэта было перашкодай для поспеху прадуктаў, якія зараз прадстаўлены на рынку. Злучэнні, атрыманыя з срэбра, выкарыстоўваюцца ў пераважнай большасці антымікробных метадаў лячэння, якія цяпер даступныя спажыўцам. Гэтыя прадукты распрацаваны, каб абараніць карыстальнікаў ад патэнцыйна небяспечных уздзеянняў мікраарганізмаў. Запаволены антымікробны эфект і звязаная з ім таксічнасць злучэнняў срэбра ўзмацняе ціск на даследчыкаў, каб распрацаваць менш шкодную альтэрнатыву36,37. Стварэнне глабальнага антымікробнага пакрыцця, якое працуе у памяшканні і на вуліцы па-ранейшаму з'яўляецца складанай задачай. 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 захоўвання, з'яўляецца вельмі запатрабаванай мэтай38. Найноўшыя антымікробныя і антыбіоплёнкавыя матэрыялы прызначаны для знішчэння бактэрый з блізкай адлегласці альбо шляхам непасрэднага кантакту, альбо пасля вызвалення актыўнага агента. Яны можа зрабіць гэта шляхам інгібіравання пачатковай бактэрыяльнай адгезіі (у тым ліку процідзеяння адукацыі бялковага пласта на паверхні) або шляхам знішчэння бактэрый шляхам умяшання ў клеткавую сценку.
Па сутнасці, паверхневае пакрыццё - гэта працэс размяшчэння яшчэ аднаго пласта на паверхні кампанента для паляпшэння паверхневых якасцей. Мэта павярхоўнага пакрыцця - адаптаваць мікраструктуру і/або склад прыпаверхневай вобласці кампанента39. Метады нанясення паверхняў можна падзяліць на розныя метады, якія абагульнена прадстаўлены на мал. 2а. Пакрыцці можна падпадзяліць на тэрмічныя, хімічныя, фізічныя і электрахімічныя катэгорыі ў залежнасці ад метаду, які выкарыстоўваецца для нанясення. стварыць пакрыццё.
(a) Урэзка, якая паказвае асноўныя метады вырабу, якія выкарыстоўваюцца для паверхні, і (b) асобныя перавагі і недахопы метаду халоднага распылення.
Тэхналогія халоднага распылення мае шмат падабенства са звычайнымі метадамі тэрмічнага распылення. Аднак ёсць таксама некаторыя ключавыя фундаментальныя ўласцівасці, якія робяць працэс халоднага распылення і матэрыялы халоднага распылення асабліва унікальнымі. Тэхналогія халоднага распылення ўсё яшчэ знаходзіцца ў зачаткавым стане, але мае светлую будучыню. У некаторых сферах прымянення унікальныя ўласцівасці халоднага распылення даюць вялікія перавагі, пераадольваючы абмежаванні, уласцівыя тыповым метадам тэрмічнага распылення. Гэта дазваляе пераадолець значныя абмежаванні традыцыйнай тэхналогіі тэрмічнага распылення, падчас якой парашок трэба расплавіць, каб нанесці на яго 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 пакрыццяў з тэрмічным распыленнем заўсёды дэманструюць высокі ўзровень сітаватасці і аксідаў. Тэхналогія халоднага распылення мае шмат істотных пераваг перад тэхналогіяй тэрмічнага распылення, такіх як (i) мінімальнае паступленне цяпла ў падкладку, (ii) гнуткасць у выбар пакрыцця падкладкі, (iii) адсутнасць фазавых ператварэнняў і росту зерняў, (iv) высокая трываласць сувязі1,39 (мал.2b). Акрамя таго, матэрыялы пакрыццяў халодным распыленнем валодаюць высокай каразійнай устойлівасцю, высокай трываласцю і цвёрдасцю, высокай электраправоднасцю і высокай шчыльнасцю41. Насуперак перавагам працэсу халоднага распылення, у выкарыстанні гэтага метаду ўсё яшчэ ёсць некаторыя недахопы, як паказана на малюнку 2b. Пры нанясенні чыстых керамічных парашкоў, такіх як Al2O3, TiO2, ZrO2, WC і г.д., нельга выкарыстоўваць метад халоднага распылення. З іншага боку, кераміка/ металічныя кампазітныя парашкі могуць быць выкарыстаны ў якасці сыравіны для пакрыццяў. Тое ж самае тычыцца іншых метадаў тэрмічнага распылення. Складаныя паверхні і ўнутраныя паверхні труб па-ранейшаму цяжка распыляць.
Улічваючы, што цяперашняя праца накіравана на выкарыстанне металічных шклопадобных парашкоў у якасці зыходных матэрыялаў для пакрыццяў, відавочна, што звычайнае тэрмічнае напыленне не можа быць выкарыстана для гэтай мэты. Гэта таму, што металічныя шклопадобныя парашкі крышталізуюцца пры высокіх тэмпературах1.
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% па масе 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 з нержавеючай сталі, нягледзячы на ​​іх высокую кара устойлівасць да расфарбоўвання, не праяўляюць значных антымікробных уласцівасцяў 38, 39. Гэта кантрастуе з іх высокай устойлівасцю да карозіі. Пасля гэтага можна прадбачыць развіццё інфекцыі і запалення, якія ў асноўным выкліканы бактэрыяльнай адгезіяй і каланізацыяй на паверхні біяматэрыялаў з нержавеючай сталі. Значныя цяжкасці могуць узнікнуць з-за значных цяжкасцей, звязаных з бактэрыяльнай адгезіяй і шляхам фарміравання біяплёнкі, што можа прывесці да пагаршэння здароўя, што можа мець шмат наступстваў. можа 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 мэтазгоднасць вытворчасці металічных шклопадобных трайных парашкоў Cu-Zr-Ni з выкарыстаннем тэхналогіі MA (табліца 1) для вытворчасці антыбактэрыйнай плёнкі/паверхневага ахоўнага пакрыцця SUS304. Другі этап праекта павінен пачацца ў студзені 2023 г. дэталёва вывучыць характарыстыкі электрахімічнай карозіі і механічныя ўласцівасці сістэмы. Будуць праведзены падрабязныя мікрабіялагічныя выпрабаванні для розных відаў бактэрый.
У гэтым артыкуле абмяркоўваецца ўплыў утрымання легіруючых элементаў Zr на здольнасць да фарміравання шкла (GFA) на аснове марфалагічных і структурных характарыстык. Акрамя таго, таксама абмяркоўваліся антыбактэрыйныя ўласцівасці парашковага металічнага шкла з пакрыццём/кампазіту SUS304. Акрамя таго, праводзіцца бягучая праца па вывучэнні магчымасці структурных пераўтварэнняў парашкоў металічнага шкла, якія адбываюцца падчас халоднага распылення ў вобласці пераахалоджанай вадкасці вырабленага металічнага шкла. сістэмы. У якасці рэпрэзентатыўных прыкладаў у гэтым даследаванні выкарыстоўваліся сплавы металічнага шкла Cu50Zr30Ni20 і Cu50Zr20Ni30.
У гэтым раздзеле прадстаўлены марфалагічныя змены элементарных парашкоў Cu, Zr і Ni пры нізкаэнергетычным шаравым млыне. У якасці рэпрэзентатыўных прыкладаў будуць выкарыстоўвацца дзве розныя сістэмы, якія складаюцца з Cu50Zr20Ni30 і Cu50Zr40Ni10. Працэс MA можна падзяліць на тры розныя стадыі, як паказвае металаграфічная характарыстыка парашка, атрыманага на стадыі драбнення (малюнак 3).
Металаграфічныя характарыстыкі парашкоў механічных сплаваў (MA), атрыманых пасля розных этапаў шаравога памолу. Выявы парашкоў MA і Cu50Zr40Ni10 з дапамогай сканіруючай электроннай мікраскапіі (FE-SEM), атрыманыя пасля нізкаэнергетычнага шаравога памолу ў 3, 12 і 50 гадзін, паказаны ў (a), (c) і (e) для сістэмы Cu50Zr20Ni30, у той час як у той жа MA адпаведныя выявы Cu5 Сістэма 0Zr40Ni10, зробленая праз пэўны час, паказана на (b), (d) і (f).
Падчас памолу ў шаравых млынах на эфектыўную кінэтычную энергію, якая можа быць перададзена металічнаму парашку, уплывае камбінацыя параметраў, як паказана на мал. 1а. Гэта ўключае ў сябе сутыкненні паміж шарыкамі і парашкамі, сціск парашка, які затрымаўся паміж або паміж мелючымі асяроддзямі, уздзеянне падаючых шарыкаў, зрух і знос з-за супраціву парашка паміж рухомымі шаравымі млынавымі асяроддзямі і ўдарную хвалю, якая праходзіць праз падаючыя шарыкі, якія распаўсюджваюцца праз нагрузкі ўраджаю (мал. 1а). Парашкі Cu, Zr і Ni моцна дэфармаваліся з-за халоднай зваркі на ранняй стадыі МА (3 гадзіны), у выніку чаго ўтварыліся буйныя часціцы парашка (>1 мм у дыяметры). Гэтыя буйныя кампазітныя часціцы характарызуюцца ўтварэннем тоўстых слаёў легіруючых элементаў (Cu, Zr, Ni), як паказана на мал. 3a,b. Павелічэнне часу МА да 12 гадзін (прамежкавая стадыя) прывяло да павелічэння кінетычнай энергіі шаравая млын, у выніку чаго кампазітны парашок раскладаецца на больш дробныя парашкі (менш за 200 мкм), як паказана на мал. 3c, d. На гэтай стадыі прыкладзеная сіла зруху прыводзіць да фарміравання новай металічнай паверхні з тонкімі пластамі Cu, Zr, Ni, як паказана на мал.
У кульмінацыйны момант працэсу МА (праз 50 гадзін) лускавая металаграфія была толькі слаба бачная (мал. 3e,f), але паліраваная паверхня парашка дэманстравала люстраную металаграфію. Гэта азначае, што працэс МА завершаны і адбылося стварэнне адзінай фазы рэакцыі. Элементны склад абласцей, праіндэксаваных на мал. 3e (I, II, III), f, v, vi), быў вызначаны з дапамогай сканіруючага электроннага мікраэлектроннага выпраменьвання. скапія (FE-SEM) у спалучэнні з энергадысперсійнай рэнтгенаўскай спектраскапіяй (EDS) (IV).
У табліцы 2 канцэнтрацыі элементаў легіруючых элементаў паказаны ў працэнтах ад агульнай масы кожнай вобласці, абранай на мал. 3e,f. Пры параўнанні гэтых вынікаў з пачатковымі намінальнымі складамі Cu50Zr20Ni30 і Cu50Zr40Ni10, пералічанымі ў табліцы 1, відаць, што склады гэтых двух канчатковых прадуктаў маюць значэнні, вельмі падобныя да намінальных складаў. Акрамя таго, адносныя значэнні кампанентаў для рэгіёнаў пералічаныя на мал. 3e,f не азначаюць значнага пагаршэння або ваганні ў складзе кожнага ўзору ад аднаго рэгіёну да іншага. Пра гэта сведчыць той факт, што няма ніякіх зменаў у складзе ад аднаго рэгіёну да іншага. Гэта паказвае на вытворчасць гамагенных парашкоў сплаву, як паказана ў табліцы 2.
Мікрафатаграфіі FE-SEM парашка канчатковага прадукту Cu50(Zr50-xNix) былі атрыманы пасля 50 МА, 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, у выніку чаго ўтвараюцца буйныя агрэгаты, якія складаюцца з звыштонкіх часціц дыяметрам ад 7 3 да 126 нм, як паказана на малюнку 4.
Марфалагічныя характарыстыкі парашкоў Cu50(Zr50-xNix), атрыманых пасля часу MA 50 гадзін. Для сістэм Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40 выявы FE-SEM парашкоў, атрыманых пасля 50 часоў MA, паказаны ў (a), (b), (c) і (d), адпаведна.
Перад загрузкай парашкоў у халодны распыляльнік іх спачатку апрацоўвалі ультрагукам у этаноле якасці для аналізу 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 шмат істотных праблем на працягу ўсяго працэсу нанясення пакрыцця. Пасля завяршэння працэсу MA былі праведзены дадатковыя характарыстыкі для даследавання аднастайнасці парашкоў сплаву. Малюнкі 5a-d паказваюць. мікрафатаграфіі FE-SEM і адпаведныя выявы EDS легіруючых элементаў Cu, Zr і Ni сплаву Cu50Zr30Ni20, атрыманыя праз 50 гадзін часу M, 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 элементарнае размеркаванне парашка MG Cu50Zr30Ni20, атрыманага пасля 50 MA разоў з дапамогай FE-SEM/энергіядысперсійнай рэнтгенаўскай спектраскапіі (EDS). (a) SEM і рэнтгенаўскае EDS адлюстраванне (b) Cu-Kα, (c) Zr-Lα і (d) Ni-Kα малюнкаў.
Рентгенаграмы механічна легіраваных парашкоў Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30 і Cu50Zr20Ni30, атрыманыя пасля 50-гадзіннага МА, паказаны на мал. 6a–d адпаведна. Пасля гэтай стадыі памолу ўсе ўзоры з рознай канцэнтрацыяй Zr дэманстравалі аморфныя структуры з характэрнымі карцінамі дыфузіі гало, паказанымі на мал. 6.
Рентгенограммы парашкоў (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 і (d) Cu50Zr20Ni30 пасля часу МА 50 гадзін. Усе ўзоры без выключэння дэманстравалі карціну гало-дыфузіі, што сведчыць аб утварэнні аморфнай фазы.
Полевая эмісійная трансмісійная электронная мікраскапія з высокім раздзяленнем (FE-HRTEM) выкарыстоўвалася для назірання за структурнымі зменамі і разумення лакальнай структуры парашкоў, атрыманых у шаравым млыне ў розны час MA. Выявы парашкоў, атрыманыя з дапамогай FE-HRTEM пасля ранняй (6 гадзін) і прамежкавай (18 гадзін) стадый драбнення парашкоў Cu50Zr30Ni20 і Cu50Zr40Ni10, паказаны на мал. 7а, c, адпаведна. Згодна з відарысам яркага поля (BFI) парашка, атрыманага пасля MA​​ 6 гадзін, парашок складаецца з буйных зерняў з выразна акрэсленымі межамі элементаў ГЦК-Cu, ГПУ-Zr і ГЦК-Ni, і няма ніякіх прыкмет таго, што ўтварылася фаза рэакцыі, як паказана на мал. 7a. дыфрактаграму вострай кропкі (мал. 7б), якая сведчыць аб наяўнасці буйных крышталітаў і адсутнасці рэактыўнай фазы.
Лакальная структурная характарыстыка парашка MA, атрыманая пасля ранняй (6 гадзін) і прамежкавай (18 гадзін) стадый. (a) Эмісійная электронная мікраскапія з высокім дазволам (FE-HRTEM) і (b) адпаведная карціна дыфракцыі выбранай вобласці (SADP) парашка Cu50Zr30Ni20 пасля апрацоўкі MA на працягу 6 гадзін. Выява FE-HRTEM Cu50Zr40Ni10, атрыманая пасля часу MA 18 гадзін паказана на (с).
Як паказана на малюнку 7c, падаўжэнне працягласці МА да 18 гадзін прывяло да сур'ёзных дэфектаў рашоткі ў спалучэнні з пластычнай дэфармацыяй. На гэтай прамежкавай стадыі працэсу МА парашок дэманструе розныя дэфекты, у тым ліку памылкі кладкі, дэфекты рашоткі і кропкавыя дэфекты (малюнак 7). Гэтыя дэфекты прымушаюць буйныя збожжа расшчапляцца ўздоўж іх межаў зерняў на субзерні памерам менш за 20 нм (мал. 7в).
Лакальная структура парашка Cu50Z30Ni20, здробненага на працягу 36 гадзін MA, мае адукацыю звыштонкіх наназерняў, убудаваных у аморфную дробную матрыцу, як паказана на мал. 8а. Мясцовы аналіз EDS паказаў, што гэтыя нанакластэры, паказаныя на мал. 8а, былі звязаны з неапрацаванымі парашковымі легіруючымі элементамі Cu, Zr і Ni. У той жа час утрыманне Cu ў матрыцы вагалася ад ~32 ат.% (бедная плошча) да ~74 ат.% (багатая плошча), што сведчыць аб утварэнні гетэрагенных прадуктаў. Акрамя таго, адпаведныя SADP парашкоў, атрыманых пасля драбнення на гэтай стадыі, дэманструюць першасныя і другасныя кольцы аморфнай фазы, якія рассейваюць арэол, якія перакрываюцца вострымі кропкамі, звязанымі з гэтымі неапрацаванымі легіруючымі элементамі, як паказана на мал. 8b.
Нанаразмерныя лакальныя структурныя асаблівасці парашка Beyond 36 h-Cu50Zr30Ni20. (a) Выява ў светлым полі (BFI) і адпаведнае (b) SADP парашка Cu50Zr30Ni20, атрыманага пасля памолу на працягу 36 гадзін MA.
Бліжэй да канца працэсу МА (50 гадзін), Cu50(Zr50−xNix), X;Парашкі з утрыманнем 10, 20, 30 і 40 ат.% нязменна маюць марфалогію лабірынтавай аморфнай фазы, як паказана на мал. 9a-d. У адпаведнай SADP кожнай кампазіцыі не можа быць выяўлена ні кропкавай дыфракцыі, ні рэзкіх кальцавых узораў. Гэта сведчыць аб тым, што неапрацаванага крышталічнага металу няма, а ўтвараецца парашок аморфнага сплаву. Гэтыя карэляваныя SADP паказваюць Карціны дыфузіі гало таксама выкарыстоўваліся як доказы развіцця аморфных фаз у матэрыяле канчатковага прадукту.
Лакальная структура канчатковага прадукту сістэмы MG Cu50 (Zr50−xNix). FE-HRTEM і карэляваныя карціны дыфракцыі нанапрамяня (NBDP) (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 і (d) Cu50Zr10Ni40, атрыманыя пасля 50 гадзін МА.
Тэрмастабільнасць тэмпературы шклянога пераходу (Tg), вобласці пераахалоджанай вадкасці (ΔTx) і тэмпературы крышталізацыі (Tx) у залежнасці ад утрымання Ni (x) аморфнай сістэмы Cu50(Zr50−xNix) была даследавана з дапамогай дыферэнцыяльнай сканіруючай каларыметрыі (DSC) уласцівасцей у патоку газу He. Сляды DSC Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20 і Cu50Zr Парашкі аморфнага сплаву 10Ni40, атрыманыя пасля 50-гадзіннай вытрымкі, паказаны на мал. 10a, b, e адпаведна. У той час як крывая DSC аморфнага Cu50Zr20Ni30 паказана асобна на мал. 10c. Між тым, узор Cu50Zr30Ni20, нагрэты да ~700 °C у DSC, паказаны на мал. 10d.
Тэрмастабільнасць парашкоў Cu50(Zr50-xNix) MG, атрыманых пасля 50-гадзіннага часу МА, у залежнасці ад тэмпературы шклавання (Tg), тэмпературы крышталізацыі (Tx) і пераахалоджанай вобласці вадкасці (ΔTx). Тэрмаграмы дыферэнцыяльнага сканіруючага каларыметра (DSC) (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Z Парашкі сплаву r20Ni30 і (e) Cu50Zr10Ni40 MG пасля часу MA 50 гадзін. Рэнтгенаграма (XRD) узору Cu50Zr30Ni20, нагрэтага да ~700 °C у ДСК, паказана на (d).
Як паказана на малюнку 10, крывыя DSC усіх кампазіцый з рознымі канцэнтрацыямі Ni (x) паказваюць на два розныя выпадкі: адзін эндатэрмічны, а другі экзатэрмічны. Першае эндатэрмічнае падзея адпавядае Tg, а другое звязана з Tx. Гарызантальная вобласць прамежку, якая існуе паміж Tg і Tx, называецца вобласцю пераахалоджанай вадкасці (ΔTx = Tx – Tg). Вынікі паказваюць, што Tg і Tx Cu50Zr40Ni10 узор (мал. 10а), змешчаны пры 526°C і 612°C, зрушвае ўтрыманне (x) да 20 ат.% у бок нізкай тэмпературы 482°C і 563°C з павелічэннем утрымання Ni (x), адпаведна, як паказана на малюнку 10b. Такім чынам, ΔTx Cu50Zr40Ni10 памяншаецца з 86 °C (мал. 10a) да 81 °C для Cu50Zr30Ni20 (мал. 10b). Для сплаву MG Cu50Zr40Ni10 таксама было заўважана, што значэнні Tg, Tx і ΔTx знізіліся да ўзроўню 447 ° C, 526 ° C і 79 ° C (мал. 10b). Гэта паказвае на тое, што павелічэнне ўтрымання Ni прыводзіць да зніжэння тэрмічнай стабільнасці сплаву MG. У адрозненне ад гэтага, Значэнне Tg (507 °C) сплаву MG Cu50Zr20Ni30 ніжэй, чым у сплаву MG Cu50Zr40Ni10;тым не менш, яго Tx паказвае значэнне, параўнальнае з першым (612 °C). Такім чынам, ΔTx мае больш высокае значэнне (87 °C), як паказана на мал. 10c.
Сістэма MG Cu50(Zr50−xNix), узяўшы ў якасці прыкладу сплаў MG Cu50Zr20Ni30, крышталізуецца праз рэзкі экзатэрмічны пік у крышталічныя фазы ГЦК-ZrCu5, ромбічнага Zr7Cu10 і ромбічнага ZrNi (мал. 10c). Гэты аморфны фазавы пераход у крышталічны быў пацверджаны XRD узору MG (мал. 10d), які быў нагрэты да 700 °C у DSC.
На малюнку 11 паказаны фотаздымкі, зробленыя падчас працэсу халоднага распылення, праведзенага ў бягучай працы. У гэтым даследаванні часціцы металічнага шклопадобнага парашка, сінтэзаваныя пасля МА 50 гадзін (у якасці прыкладу Cu50Zr20Ni30), выкарыстоўваліся ў якасці антыбактэрыйнай сыравіны, а пласціна з нержавеючай сталі (SUS304) была пакрыта з дапамогай тэхналогіі халоднага распылення. Метад халоднага распылення быў абраны для пакрыцця ў серыі тэхналогій тэрмічнага распылення, таму што гэта найбольш эфектыўны метад у тэхналогіі тэрмічнага распылення. серыі распыляльнікаў і могуць выкарыстоўвацца для металічных метастабільных адчувальных да тэмпературы матэрыялаў, такіх як аморфныя і нанакрышталічныя парашкі, якія не падвяргаюцца фазавым пераходам. Гэта галоўны фактар ​​пры выбары гэтага метаду. Працэс халоднага распылення ажыццяўляецца з выкарыстаннем высакахуткасных часціц, якія пераўтвараюць кінэтычную энергію часціц у пластычную дэфармацыю, дэфармацыю і награванне пры сутыкненні з падкладкай або раней нанесенымі часціцамі.
Палявыя фатаграфіі паказваюць працэдуру халоднага распылення, якая выкарыстоўвалася для пяці паслядоўных падрыхтовак пакрыцця MG/SUS 304 пры 550 °C.
Кінетычная энергія часціц і, такім чынам, імпульс кожнай часціцы ў працэсе фарміравання пакрыцця павінны быць пераўтвораны ў іншыя формы энергіі з дапамогай такіх механізмаў, як пластычная дэфармацыя (пачатковая часціца і ўзаемадзеянне часціц-часціц у падкладцы і ўзаемадзеянне часціц), кансалідацыя пустэч, кручэнне часціца-часціца, дэфармацыя і ў канчатковым выніку цяпло 39. Акрамя таго, калі не ўся ўваходная кінэтычная энергія ператвараецца ў цяпло і энергію дэфармацыі, у выніку адбываецца пругкае сутыкненне, што азначае, што часціцы проста адскокваюць назад пасля ўдару. Было адзначана, што 90% энергіі ўдару, прыкладзенай да часціцы/матэрыялу падкладкі, ператвараецца ў лакальнае цяпло 40. Акрамя таго, калі прымяняецца ўдарнае напружанне, высокія хуткасці пластычнай дэфармацыі дасягаюцца ў вобласці кантакту часціца/падкладка за вельмі кароткі час41,42.
Пластычная дэфармацыя звычайна лічыцца працэсам рассейвання энергіі, ці, больш канкрэтна, крыніцай цяпла ў міжфазнай вобласці. Аднак павышэння тэмпературы ў міжфазнай вобласці звычайна недастаткова для плаўлення межфазной паверхні або істотнага садзейнічання ўзаемадыфузіі атамаў. Ніякая публікацыя, вядомая аўтарам, не даследуе ўплыў уласцівасцей гэтых металічных шклопадобных парашкоў на адгезію і адклад парашка, якія адбываюцца пры выкарыстанні метадаў халоднага распылення.
BFI парашка сплаву MG Cu50Zr20Ni30 можна ўбачыць на малюнку 12а, які быў нанесены на падкладку SUS 304 (рысы 11, 12b). Як відаць з малюнка, парашкі з пакрыццём захоўваюць сваю першапачатковую аморфную структуру, паколькі яны маюць далікатную лабірынтавую структуру без якіх-небудзь крышталічных асаблівасцей або дэфектаў рашоткі. З іншага боку, выява паказвае на наяўнасць старонняя фаза, як мяркуюць наначасціцы, уключаныя ў парашковую матрыцу з MG-пакрыццём (мал. 12а). Малюнак 12с адлюстроўвае індэксаваную карціну дыфракцыі нанапучка (NBDP), звязаную з вобласцю I (малюнак 12a). Як паказана на мал. крышталічны вялікі кубічны метастабільны Zr2Ni плюс тэтраганальная фаза CuO. Утварэнне CuO можа быць звязана з акісленнем парашка пры руху ад сопла распыляльніка да SUS 304 на адкрытым паветры пад звышгукавым патокам. З іншага боку, дэшклованне металічных шклопадобных парашкоў дасягнула адукацыі вялікіх кубічных фаз пасля апрацоўкі халодным распыленнем пры 550 °C на працягу 30 хвілін.
(a) FE-HRTEM выява MG з парашковым пакрыццём на (b) падкладцы SUS 304 (устаўка малюнка). Індэкс NBDP круглага сімвала, паказанага ў (a), паказаны ў (c).
Каб праверыць гэты патэнцыйны механізм утварэння буйных кубічных наначасціц Zr2Ni, быў праведзены незалежны эксперымент. У гэтым эксперыменце парашкі распылялі з распыляльніка пры 550 °C у напрамку падкладкі SUS 304;аднак, каб высветліць эфект адпалу парашкоў, іх выдалялі з палоскі SUS304 як мага хутчэй (прыкладна за 60 секунд). Быў праведзены яшчэ адзін набор эксперыментаў, падчас якіх парашок выдалялі з падкладкі прыкладна праз 180 секунд пасля нанясення.
На малюнках 13a,b паказаны малюнкі ў цёмным полі (DFI), атрыманыя метадам сканавальнай трансмісійнай электроннай мікраскапіі (STEM) двух распыленых матэрыялаў, нанесеных на падкладкі SUS 304 на працягу 60 с і 180 с адпаведна. Выява парашка, нанесеная на працягу 60 секунд, не мае марфалагічных дэталяў, дэманструючы безасаблівасць (мал. 13a). Гэта таксама пацвердзіла XRD, якая паказала, што агульная структура гэтых парашкоў была аморфнай, як пазначаны шырокімі першаснымі і другаснымі максімумамі дыфракцыі, паказанымі на малюнку 14a. Яны паказваюць на адсутнасць метастабільнага/мезафазнага выпадзення, калі парашок захоўвае сваю першапачатковую аморфную структуру. Наадварот, парашок, распылены пры той жа тэмпературы (550 °C), але пакінуты на падкладцы на 180 секунд, паказаў выпадзенне зерняў нанапамеру, як паказана стрэлкамі на мал. 13b.