Hvala vam što ste posjetili Nature.com.Verzija pretraživača koju koristite ima ograničenu podršku za CSS.Za najbolje iskustvo, preporučujemo da koristite ažurirani pretraživač (ili onemogućite način kompatibilnosti u Internet Exploreru).U međuvremenu, kako bismo osigurali kontinuiranu podršku, prikazat ćemo stranicu bez stilova i JavaScripta.
Biofilmovi su važna komponenta u nastanku hroničnih infekcija, posebno kada su u pitanju medicinski uređaji.Ovaj problem predstavlja veliki izazov za medicinsku zajednicu, jer standardni antibiotici mogu uništiti biofilm samo u vrlo ograničenoj mjeri.Sprečavanje stvaranja biofilma dovelo je do razvoja različitih metoda premaza i novih materijala.Ove tehnike imaju za cilj premazivanje površina na način koji sprečava stvaranje biofilma.Legure staklastih metala, posebno one koje sadrže bakar i titanijum, postale su idealne antimikrobne prevlake.Istovremeno se povećala upotreba tehnologije hladnog prskanja jer je to pogodna metoda za obradu materijala osjetljivih na temperaturu.Dio cilja ovog istraživanja bio je razvoj novog antibakterijskog filmskog metalnog stakla sastavljenog od Cu-Zr-Ni ternarnog materijala primjenom tehnika mehaničkog legiranja.Sferni prah koji čini konačni proizvod koristi se kao sirovina za hladno prskanje površina od nehrđajućeg čelika na niskim temperaturama.Metalne podloge presvučene staklom mogle su značajno smanjiti stvaranje biofilma za najmanje 1 log u odnosu na nehrđajući čelik.
Kroz ljudsku istoriju, svako društvo je bilo u mogućnosti da razvije i promoviše uvođenje novih materijala kako bi zadovoljilo svoje specifične zahtjeve, što je rezultiralo povećanom produktivnošću i rangiranjem u globaliziranoj ekonomiji1.Oduvijek se pripisivao ljudskoj sposobnosti da dizajnira materijale i proizvodnu opremu, kao i dizajnu za proizvodnju i karakterizaciju materijala za postizanje zdravlja, obrazovanja, industrije, ekonomije, kulture i drugih područja iz jedne zemlje ili regije u drugu.Napredak se mjeri bez obzira na zemlju ili region2.Tokom 60 godina, naučnici o materijalima posvetili su mnogo vremena jednom glavnom zadatku: potrazi za novim i naprednim materijalima.Nedavna istraživanja su se fokusirala na poboljšanje kvaliteta i performansi postojećih materijala, kao i na sintezu i pronalaženje potpuno novih vrsta materijala.
Dodavanje legirajućih elemenata, modifikacija mikrostrukture materijala i primjena metoda termičke, mehaničke ili termomehaničke obrade doveli su do značajnog poboljšanja mehaničkih, kemijskih i fizičkih svojstava različitih materijala.Osim toga, uspješno su sintetizirana do sada nepoznata jedinjenja.Ovi uporni napori doveli su do nove porodice inovativnih materijala zajednički poznatih kao Advanced Materials2.Nanokristali, nanočestice, nanocevi, kvantne tačke, nul-dimenzionalna, amorfna metalna stakla i legure visoke entropije samo su neki od primera naprednih materijala koji su se pojavili u svetu od sredine prošlog veka.U proizvodnji i razvoju novih legura poboljšanih svojstava, kako u finalnom proizvodu, tako iu međufazama njegove proizvodnje, često se dodaje problem neuravnoteženosti.Kao rezultat uvođenja novih proizvodnih tehnika koje dozvoljavaju značajna odstupanja od ravnoteže, otkrivena je čitava nova klasa metastabilnih legura, poznatih kao metalna stakla.
Njegov rad na Caltech-u 1960. godine revolucionirao je koncept metalnih legura kada je sintetizovao staklaste legure Au-25 at.% Si brzim očvršćavanjem tečnosti pri skoro milion stepeni u sekundi.4 Otkriće profesora Paula Duvesa ne samo da je označilo početak istorije metalnih naočara (MS), već je dovelo i do promjene paradigme u načinu na koji ljudi razmišljaju o metalnim legurama.Od prvih pionirskih istraživanja u sintezi MS legura, gotovo sva metalna stakla su u potpunosti dobijena jednom od sljedećih metoda: (i) brzo skrućivanje taline ili pare, (ii) poremećaj atomske rešetke, (iii) reakcije amorfizacije u čvrstom stanju između čistih metalnih elemenata i (iv) čvrsti fazni prijelazi metastabilnih faza.
MG se razlikuju po odsustvu atomskog reda dugog dometa povezanog s kristalima, što je definitivna karakteristika kristala.U savremenom svetu, veliki napredak je postignut u oblasti metalnog stakla.To su novi materijali zanimljivih svojstava koji su od interesa ne samo za fiziku čvrstog stanja, već i za metalurgiju, površinsku hemiju, tehnologiju, biologiju i mnoge druge oblasti.Ova nova vrsta materijala ima svojstva koja se razlikuju od tvrdih metala, što ga čini interesantnim kandidatom za tehnološke primjene u raznim poljima.Imaju neka važna svojstva: (i) visoku mehaničku duktilnost i granicu tečenja, (ii) visoku magnetnu permeabilnost, (iii) nisku koercitivnost, (iv) neuobičajenu otpornost na koroziju, (v) temperaturnu nezavisnost.Provodljivost 6.7.
Mehaničko legiranje (MA)1,8 je relativno nova metoda, koju su prvi put uveli 19839. godine prof. KK Kok i njegove kolege.Proizveli su amorfni prah Ni60Nb40 mljevenjem mješavine čistih elemenata na temperaturi okoline koja je vrlo blizu sobnoj.Tipično, MA reakcija se izvodi između difuzijskog vezivanja reaktantnih prahova u reaktoru, obično napravljenom od nehrđajućeg čelika, u mlin s kuglicama.10 (sl. 1a, b).Od tada se ova mehanički inducirana metoda reakcije u čvrstom stanju koristi za pripremu novih prahova od amorfnih/metalnih legura stakla korištenjem niskoenergetskih (slika 1c) i visokoenergetskih kugličnih mlinova i mlinova sa šipkama11,12,13,14,15,16.Konkretno, ova metoda je korišćena za pripremu sistema koji se ne mešaju kao što je Cu-Ta17, kao i legura visoke tačke topljenja kao što su Al-prelazni metal (TM, Zr, Hf, Nb i Ta)18,19 i Fe-W20 sistemi., koji se ne može dobiti konvencionalnim metodama kuhanja.Osim toga, MA se smatra jednim od najmoćnijih nanotehnoloških alata za industrijsku proizvodnju nanokristalnih i nanokompozitnih čestica praha metalnih oksida, karbida, nitrida, hidrida, ugljikovih nanocijevi, nanodijamanata, kao i široku stabilizaciju korištenjem pristupa odozgo prema dolje.1 i metastabilni stadijumi.
Šematski prikaz metode izrade korištene za pripremu Cu50(Zr50-xNix)/SUS 304 metalnog staklenog premaza u ovoj studiji.(a) Priprema praha MC legure sa različitim koncentracijama Ni x (x; 10, 20, 30 i 40 at.%) metodom niskoenergetskog kugličnog mljevenja.(a) Početni materijal se puni u cilindar za alat zajedno sa kuglicama od alatnog čelika i (b) zapečaćen je u pretincu za rukavice napunjen atmosferom He.(c) Transparentni model posude za mlevenje koji ilustruje kretanje kuglice tokom mlevenja.Konačni proizvod u prahu dobijen nakon 50 sati korišten je za hladno premazivanje podloge SUS 304 (d).
Kada su u pitanju površine rasutog materijala (podloge), površinski inženjering uključuje dizajn i modifikaciju površina (podloga) kako bi se obezbijedila određena fizička, hemijska i tehnička svojstva koja nisu prisutna u originalnom rasutom materijalu.Neka od svojstava koja se mogu efikasno poboljšati površinskom obradom uključuju otpornost na abraziju, oksidaciju i koroziju, koeficijent trenja, bioinertnost, električna svojstva i toplotnu izolaciju, da spomenemo samo neke.Kvalitet površine može se poboljšati metalurškim, mehaničkim ili hemijskim metodama.Kao dobro poznati proces, premazivanje se jednostavno definira kao jedan ili više slojeva materijala umjetno nanesenih na površinu masivnog predmeta (supstrata) napravljenog od drugog materijala.Stoga se premazi dijelom koriste za postizanje željenih tehničkih ili dekorativnih svojstava, kao i za zaštitu materijala od očekivanih kemijskih i fizičkih interakcija s okolinom23.
Različite metode i tehnike mogu se koristiti za nanošenje odgovarajućih zaštitnih slojeva od nekoliko mikrometara (ispod 10-20 mikrometara) do više od 30 mikrometara ili čak nekoliko milimetara u debljini.Općenito, procesi nanošenja premaza mogu se podijeliti u dvije kategorije: (i) metode mokre prevlake, uključujući galvanizaciju, galvanizaciju i vruće pocinčavanje, i (ii) metode suhe prevlake, uključujući lemljenje, navarivanje, fizičko taloženje parom (PVD).), hemijsko taloženje pare (CVD), tehnike termičkog raspršivanja i nedavno tehnike hladnog raspršivanja 24 (Slika 1d).
Biofilmovi se definiraju kao mikrobne zajednice koje su nepovratno vezane za površine i okružene ekstracelularnim polimerima koji se sami proizvode (EPS).Formiranje površno zrelog biofilma može dovesti do značajnih gubitaka u mnogim industrijama, uključujući preradu hrane, sisteme vode i zdravstvenu zaštitu.Kod ljudi, sa stvaranjem biofilma, više od 80% slučajeva mikrobnih infekcija (uključujući Enterobacteriaceae i Staphylococci) je teško izliječiti.Osim toga, zabilježeno je da su zreli biofilmi 1000 puta otporniji na liječenje antibioticima u usporedbi s planktonskim bakterijskim stanicama, što se smatra glavnim terapijskim izazovom.Istorijski gledano, korišteni su antimikrobni materijali za površinske premaze koji su dobiveni od uobičajenih organskih spojeva.Iako takvi materijali često sadrže toksične komponente potencijalno štetne za ljude,25,26 to može pomoći u izbjegavanju prijenosa bakterija i razgradnje materijala.
Široko rasprostranjena otpornost bakterija na liječenje antibioticima zbog stvaranja biofilma dovela je do potrebe za razvojem djelotvorne površine obložene antimikrobnom membranom koja se može bezbedno primijeniti27.Razvoj fizičke ili kemijske antiadhezivne površine za koju se bakterijske stanice ne mogu vezati i formirati biofilm zbog adhezije prvi je pristup u ovom procesu27.Druga tehnologija je razvoj premaza koji isporučuju antimikrobne hemikalije tačno tamo gde su potrebne, u visoko koncentrisanim i prilagođenim količinama.To se postiže razvojem jedinstvenih materijala za prevlake kao što su grafen/germanij28, crni dijamant29 i ugljični premazi dopirani dijamantima dopiranim ZnO30 koji su otporni na bakterije, tehnologija koja maksimizira razvoj toksičnosti i otpornosti zbog stvaranja biofilma.Osim toga, premazi koji sadrže germicidne hemikalije koje pružaju dugoročnu zaštitu od bakterijske kontaminacije postaju sve popularniji.Iako su sve tri procedure sposobne da ispolje antimikrobnu aktivnost na obloženim površinama, svaka ima svoj skup ograničenja koja treba uzeti u obzir pri razvoju strategije primene.
Proizvode koji su trenutno na tržištu otežava nedostatak vremena za analizu i testiranje zaštitnih premaza na biološki aktivne sastojke.Kompanije tvrde da će njihovi proizvodi korisnicima pružiti željene funkcionalne aspekte, međutim, to je postala prepreka uspjehu proizvoda koji se trenutno nalaze na tržištu.Jedinjenja dobijena od srebra koriste se u velikoj većini antimikrobnih sredstava koja su trenutno dostupna potrošačima.Ovi proizvodi su dizajnirani da zaštite korisnike od potencijalno štetnog izlaganja mikroorganizmima.Odgođeni antimikrobni učinak i povezana toksičnost spojeva srebra povećavaju pritisak na istraživače da razviju manje štetnu alternativu36,37.Stvaranje globalnog antimikrobnog premaza koji djeluje iznutra i izvana ostaje izazov.Ovo dolazi sa povezanim zdravstvenim i sigurnosnim rizicima.Otkrivanje antimikrobnog agensa koji je manje štetan za ljude i pronalaženje načina da ga se ugradi u podloge za premazivanje s dužim vijekom trajanja je veoma tražen cilj38.Najnoviji antimikrobni i antibiofilmski materijali dizajnirani su da ubijaju bakterije iz blizine, bilo direktnim kontaktom ili nakon oslobađanja aktivnog agensa.Oni to mogu učiniti inhibiranjem početne bakterijske adhezije (uključujući sprječavanje stvaranja proteinskog sloja na površini) ili ubijanjem bakterija ometanjem stanične stijenke.
U suštini, površinski premaz je proces nanošenja drugog sloja na površinu komponente kako bi se poboljšale karakteristike površine.Svrha površinskog premaza je da promijeni mikrostrukturu i/ili sastav područja blizu površine komponente39.Metode površinskog premaza mogu se podijeliti na različite metode, koje su sažete na slici 2a.Premazi se mogu podijeliti na termičke, kemijske, fizičke i elektrohemijske kategorije ovisno o metodi koja se koristi za stvaranje premaza.
(a) Umetak koji prikazuje glavne tehnike izrade površine i (b) odabrane prednosti i nedostatke metode hladnog prskanja.
Tehnologija hladnog raspršivanja ima mnogo zajedničkog sa tradicionalnim tehnikama termičkog raspršivanja.Međutim, postoje i neka ključna osnovna svojstva koja postupak hladnog raspršivanja i materijale za hladno raspršivanje čine posebno jedinstvenim.Tehnologija hladnog spreja je još uvijek u povojima, ali ima veliku budućnost.U nekim slučajevima, jedinstvena svojstva hladnog prskanja nude velike prednosti, prevazilazeći ograničenja konvencionalnih tehnika termičkog prskanja.On prevazilazi značajna ograničenja tradicionalne tehnologije termičkog raspršivanja, u kojoj se prah mora otopiti da bi se nanio na podlogu.Očigledno, ovaj tradicionalni proces premazivanja nije pogodan za materijale koji su vrlo osjetljivi na temperaturu kao što su nanokristali, nanočestice, amorfna i metalna stakla40, 41, 42. Osim toga, materijali za premazivanje termičkim raspršivanjem uvijek imaju visok nivo poroznosti i oksida.Tehnologija hladnog raspršivanja ima mnoge značajne prednosti u odnosu na tehnologiju termičkog raspršivanja, kao što su (i) minimalan unos toplote u podlogu, (ii) fleksibilnost u izboru premaza podloge, (iii) nema fazne transformacije i rasta zrna, (iv) visoka čvrstoća prijanjanja1 .39 (slika 2b).Osim toga, materijali za premazivanje hladnim prskanjem imaju visoku otpornost na koroziju, veliku čvrstoću i tvrdoću, visoku električnu provodljivost i veliku gustoću41.Uprkos prednostima postupka hladnog prskanja, ova metoda i dalje ima neke nedostatke, kao što je prikazano na slici 2b.Prilikom premazivanja čistih keramičkih prahova kao što su Al2O3, TiO2, ZrO2, WC, itd., metoda hladnog prskanja se ne može koristiti.S druge strane, keramičko/metalni kompozitni prah se može koristiti kao sirovina za premaze.Isto važi i za druge metode termičkog prskanja.Teške površine i unutrašnjost cijevi još uvijek je teško prskati.
S obzirom da je ovaj rad usmjeren na korištenje metalnih staklastih prahova kao polaznih materijala za premaze, jasno je da se konvencionalno termičko raspršivanje ne može koristiti u tu svrhu.To je zbog činjenice da metalni staklasti prah kristalizira na visokim temperaturama1.
Većina instrumenata koji se koriste u medicinskoj i prehrambenoj industriji izrađeni su od legura austenitnog nerđajućeg čelika (SUS316 i SUS304) sa sadržajem hroma od 12 do 20 tež.% za proizvodnju hirurških instrumenata.Općenito je prihvaćeno da upotreba metalnog kroma kao legirajućeg elementa u čeličnim legurama može značajno poboljšati otpornost na koroziju standardnih čeličnih legura.Legure nerđajućeg čelika, uprkos visokoj otpornosti na koroziju, nemaju značajna antimikrobna svojstva38,39.To je u suprotnosti s njihovom visokom otpornošću na koroziju.Nakon toga moguće je predvidjeti razvoj infekcije i upale, koji su uglavnom posljedica prianjanja i kolonizacije bakterija na površini biomaterijala od nehrđajućeg čelika.Značajne poteškoće mogu nastati zbog značajnih poteškoća povezanih s bakterijskom adhezijom i putevima stvaranja biofilma, što može dovesti do lošeg zdravlja, što može imati brojne posljedice koje mogu direktno ili indirektno utjecati na zdravlje ljudi.
Ova studija je prva faza projekta finansiranog od strane Kuvajtske fondacije za unapređenje nauke (KFAS), ugovor br.2010-550401, da se ispita izvodljivost proizvodnje metalnih staklastih Cu-Zr-Ni trojnih prahova korištenjem MA tehnologije (tabela).1) Za proizvodnju SUS304 antibakterijskog filma/premaza za površinsku zaštitu.Druga faza projekta, koja treba da počne u januaru 2023. godine, detaljno će proučavati karakteristike galvanske korozije i mehanička svojstva sistema.Provest će se detaljna mikrobiološka ispitivanja na različite vrste bakterija.
Ovaj članak razmatra utjecaj sadržaja legure Zr na sposobnost stvaranja stakla (GFA) na temelju morfoloških i strukturnih karakteristika.Osim toga, raspravljalo se i o antibakterijskim svojstvima kompozita metalnog stakla obloženog prahom/SUS304.Pored toga, u toku je rad na istraživanju mogućnosti strukturne transformacije metalnog staklenog praha do koje dolazi tokom hladnog raspršivanja u prehlađenom tečnom području proizvedenih sistema metalnog stakla.Kao reprezentativni primjeri u ovom istraživanju korištene su legure metalnog stakla Cu50Zr30Ni20 i Cu50Zr20Ni30.
U ovom dijelu prikazane su morfološke promjene u prahu elementarnih Cu, Zr i Ni tokom niskoenergetskog mljevenja.Dva različita sistema koji se sastoje od Cu50Zr20Ni30 i Cu50Zr40Ni10 će se koristiti kao ilustrativni primjeri.MA proces se može podijeliti u tri odvojene faze, o čemu svjedoči metalografska karakterizacija praha dobivenog u fazi mljevenja (slika 3).
Metalografske karakteristike prahova mehaničkih legura (MA) dobijenih nakon različitih faza kugličnog mlevenja.Slike polja emisione skenirajuće elektronske mikroskopije (FE-SEM) prahova MA i Cu50Zr40Ni10 dobijene nakon niskoenergetskog mlevenja kuglica u trajanju od 3, 12 i 50 sati prikazane su u (a), (c) i (e) za Cu50Zr20Ni30 sistem, dok su na istom MA.Odgovarajuće slike Cu50Zr40Ni10 sistema snimljene nakon vremena prikazane su u (b), (d) i (f).
Tokom mljevenja s kuglicom, na efektivnu kinetičku energiju koja se može prenijeti na metalni prah utiče kombinacija parametara, kao što je prikazano na slici 1a.Ovo uključuje sudare između kuglica i praha, smično sabijanje praha zaglavljenog između ili između medija za mljevenje, udare kuglica koje padaju, smicanje i trošenje uzrokovano povlačenjem praha između pomičnih tijela kugličnog mlina i udarni val koji prolazi kroz padajuće kuglice šireći se kroz napunjenu kulturu (slika 1a). Elementarni prah Cu, Zr i Ni bili su jako deformirani zbog hladnog iskre na ranoj fazi MA (3 h), što doprinosi formiranju krupnih čestica praha (> 1 mm u prečniku). Elementarni prah Cu, Zr i Ni su bili jako deformisani usled hladnog zavarivanja u ranoj fazi MA (3 h), što je dovelo do stvaranja velikih čestica praha (> 1 mm u prečniku).Ove velike kompozitne čestice karakteriziraju formiranje debelih slojeva legirajućih elemenata (Cu, Zr, Ni), kao što je prikazano na sl.3a,b.Povećanje vremena MA na 12 h (srednja faza) dovelo je do povećanja kinetičke energije kugličnog mlina, što je dovelo do raspadanja kompozitnog praha na manje prahove (manje od 200 μm), kao što je prikazano na slici 3c, grad .U ovoj fazi, primijenjena posmična sila dovodi do formiranja nove metalne površine s tankim slojevima Cu, Zr, Ni naznaka, kao što je prikazano na sl. 3c, d.Kao rezultat mljevenja slojeva na granici pahuljica, javljaju se reakcije u čvrstoj fazi sa formiranjem novih faza.
Na vrhuncu MA procesa (nakon 50 h) metalografija ljuskica je bila jedva primjetna (sl. 3e, f), a na poliranoj površini praha uočena je zrcalna metalografija.To znači da je MA proces završen i stvorena je jedna faza reakcije.Elementarni sastav regiona prikazanih na Sl.3e (I, II, III), f, v, vi) određivane su pomoću polja emisione skenirajuće elektronske mikroskopije (FE-SEM) u kombinaciji sa energetsko disperzivnom rendgenskom spektroskopijom (EDS).(IV).
U tabeli.2 elementarne koncentracije legirajućih elemenata prikazane su kao postotak ukupne mase svake regije odabrane na sl.3e, f.Uspoređujući ove rezultate s početnim nominalnim sastavima Cu50Zr20Ni30 i Cu50Zr40Ni10 datim u Tabeli 1, vidljivo je da su sastavi ova dva finalna proizvoda vrlo bliski nominalnim sastavima.Osim toga, relativne vrijednosti komponenti za regije navedene na slici 3e,f ne ukazuju na značajno pogoršanje ili varijaciju u sastavu svakog uzorka od jednog do drugog regiona.O tome svjedoči i činjenica da nema promjena u sastavu iz jednog regiona u drugi.Ovo ukazuje na proizvodnju jednolikih prahova legure kao što je prikazano u tabeli 2.
FE-SEM mikrografije praha finalnog proizvoda Cu50(Zr50-xNix) dobijene su nakon 50 MA puta, kao što je prikazano na slici 4a-d, gdje je x 10, 20, 30 i 40 at.%, respektivno.Nakon ovog koraka mljevenja, prah se agregira zbog van der Waalsovog efekta, što dovodi do stvaranja velikih agregata koji se sastoje od ultrafinih čestica prečnika od 73 do 126 nm, kao što je prikazano na slici 4.
Morfološke karakteristike Cu50(Zr50-xNix) prahova dobijenih nakon 50-satnog MA.Za Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40 sisteme, FE-SEM slike prahova dobijene nakon 50 MA prikazane su u (a), (b), (c) i (d), respektivno.
Prije stavljanja praha u hladnu raspršivaču, oni su prvo sonikirani u etanolu analitičke čistoće 15 minuta, a zatim sušeni na 150°C 2 sata.Ovaj korak se mora poduzeti za uspješnu borbu protiv aglomeracije, koja često uzrokuje mnoge ozbiljne probleme u procesu premaza.Nakon završetka MA procesa, provedena su daljnja istraživanja kako bi se ispitala homogenost prahova legure.Na sl.5a–d prikazuju FE-SEM mikrofotografije i odgovarajuće EDS slike legirajućih elemenata Cu, Zr i Ni legure Cu50Zr30Ni20 snimljene nakon 50 h vremena M, respektivno.Treba napomenuti da su prahovi legure dobijeni nakon ovog koraka homogeni, jer ne pokazuju nikakve fluktuacije sastava iznad nivoa ispod nanometara, kao što je prikazano na slici 5.
Morfologija i lokalna distribucija elemenata u prahu MG Cu50Zr30Ni20 dobivenog nakon 50 MA pomoću FE-SEM/energetske disperzivne rendgenske spektroskopije (EDS).(a) SEM i rendgenski EDS snimak (b) Cu-Kα, (c) Zr-Lα i (d) Ni-Kα.
Difrakcioni uzorci rendgenskih zraka mehanički legiranih Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30 i Cu50Zr20Ni30 prahova dobijeni nakon 50-satnog MA prikazani su na slikama.6a–d, respektivno.Nakon ove faze mljevenja, svi uzorci s različitim koncentracijama Zr imali su amorfne strukture s karakterističnim halo difuzijskim obrascima prikazanim na slici 6.
Rendgenske difrakcije prahova Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c) i Cu50Zr20Ni30 (d) nakon MA tokom 50 sati.Halo-difuzioni uzorak je uočen u svim uzorcima bez izuzetka, što ukazuje na formiranje amorfne faze.
Emisiona elektronska mikroskopija visoke rezolucije (FE-HRTEM) korištena je za promatranje strukturnih promjena i razumijevanje lokalne strukture prahova koji su rezultat mljevenja kuglicama u različitim MA vremenima.Slike prahova dobijenih FE-HRTEM metodom nakon ranih (6 h) i srednjih (18 h) faza mljevenja prahova Cu50Zr30Ni20 i Cu50Zr40Ni10 prikazane su na sl.7a, respektivno.Prema snimku svijetlog polja (BFI) praha dobijenom nakon 6 h MA, prah se sastoji od krupnih zrna s jasno definiranim granicama fcc-Cu, hcp-Zr i fcc-Ni elemenata i nema znakova formiranja faze reakcije, kao što je prikazano na slici 7a.Pored toga, korelirani uzorak difrakcije odabrane površine (SADP) uzet iz srednjeg područja (a) otkrio je oštar uzorak difrakcije (slika 7b) koji ukazuje na prisustvo velikih kristalita i odsustvo reaktivne faze.
Lokalne strukturne karakteristike praha MA dobivene nakon ranih (6 h) i srednjih (18 h) faza.(a) Emisiona elektronska mikroskopija visoke rezolucije (FE-HRTEM) i (b) odgovarajući difraktogram odabrane površine (SADP) praha Cu50Zr30Ni20 nakon MA tretmana u trajanju od 6 sati.FE-HRTEM slika Cu50Zr40Ni10 dobijena nakon 18-satnog MA prikazana je u (c).
Kao što je prikazano na sl.7c, povećanje trajanja MA na 18 h dovelo je do ozbiljnih defekata rešetke u kombinaciji s plastičnom deformacijom.U ovoj srednjoj fazi MA procesa pojavljuju se različiti defekti u prahu, uključujući greške u slaganju, defekte rešetke i tačkaste defekte (slika 7).Ovi defekti uzrokuju fragmentaciju velikih zrna duž granica zrna u podzrna manja od 20 nm (slika 7c).
Lokalnu strukturu praha Cu50Z30Ni20 mljevenog 36 h MA karakterizira formiranje ultra finih nanozrnaca ugrađenih u amorfnu tanku matricu, kao što je prikazano na slici 8a.Lokalna analiza EMF-a pokazala je da nanoklasteri prikazani na Sl.8a su povezane s neobrađenim legurama u prahu Cu, Zr i Ni.Sadržaj Cu u matrici varirao je od ~32 at.% (siromašna zona) do ~74 at.% (bogata zona), što ukazuje na formiranje heterogenih proizvoda.Pored toga, odgovarajući SADP prahova dobijenih nakon mlevenja u ovom koraku pokazuju primarne i sekundarne halo-difuzione amorfne fazne prstenove koji se preklapaju sa oštrim tačkama povezanim sa ovim neobrađenim legirajućim elementima, kao što je prikazano na slici 8b.
Lokalne strukturne karakteristike praha Beyond 36 h-Cu50Zr30Ni20 na nanoskali.(a) Slika svijetlog polja (BFI) i odgovarajući (b) SADP praha Cu50Zr30Ni20 dobijenog nakon mljevenja tokom 36 h MA.
Pred kraj MA procesa (50 h), prahovi Cu50(Zr50-xNix), X, 10, 20, 30 i 40 at.% bez izuzetka imaju labirintsku morfologiju amorfne faze, kao što je prikazano na sl.Ni difrakcija tačaka ni oštri prstenasti obrasci nisu se mogli detektovati u odgovarajućim SADS svake kompozicije.Ovo ukazuje na odsustvo neobrađenog kristalnog metala, već na formiranje praha amorfne legure.Ovi korelirani SADP koji pokazuju obrasce halo difuzije također su korišteni kao dokaz za razvoj amorfnih faza u materijalu konačnog proizvoda.
Lokalna struktura finalnog proizvoda Cu50 MS sistema (Zr50-xNix).FE-HRTEM i korelirani uzorci difrakcije nanozraka (NBDP) (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 i (d) Cu50Zr10Ni40 dobijeni nakon 50 h MA.
Korištenjem diferencijalne skenirajuće kalorimetrije proučavana je termička stabilnost temperature staklastog prijelaza (Tg), područja prehlađene tekućine (ΔTx) i temperature kristalizacije (Tx) u zavisnosti od sadržaja Ni (x) u amorfnom sistemu Cu50(Zr50-xNix).(DSC) svojstva u protoku He gasa.DSC krive prahova amorfnih legura Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20 i Cu50Zr10Ni40 dobijenih nakon MA tokom 50 h prikazane su na sl.10a, b, e, redom.Dok je DSC kriva amorfnog Cu50Zr20Ni30 prikazana posebno na slici 10. vek. U međuvremenu, uzorak Cu50Zr30Ni20 zagrejan na ~700°C u DSC je prikazan na slici 10g.
Termička stabilnost Cu50(Zr50-xNix) MG prahova dobijenih nakon MA u trajanju od 50 sati određena je temperaturom staklastog prijelaza (Tg), temperaturom kristalizacije (Tx) i prehlađenim područjem tekućine (ΔTx).Termogrami prahova diferencijalnog skenirajućeg kalorimetra (DSC) prahova legure Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c) i (e) Cu50Zr10Ni40 MG praha legure nakon MA tokom 50 sati.Difrakcija rendgenskih zraka (XRD) uzorka Cu50Zr30Ni20 zagrijanog na ~700°C u DSC prikazana je u (d).
Kao što je prikazano na slici 10, DSC krivulje za sve kompozicije sa različitim koncentracijama nikla (x) ukazuju na dva različita slučaja, jedan endotermni, a drugi egzotermni.Prvi endotermni događaj odgovara Tg, a drugi je povezan sa Tx.Horizontalno područje raspona koje postoji između Tg i Tx naziva se područje pothlađene tekućine (ΔTx = Tx – Tg).Rezultati pokazuju da Tg i Tx uzorka Cu50Zr40Ni10 (slika 10a) postavljenog na 526°C i 612°C pomjeraju sadržaj (x) do 20 at% prema niskotemperaturnoj strani od 482°C i 563°C.°C sa povećanjem sadržaja Ni (x), respektivno, kao što je prikazano na slici 10b.Shodno tome, ΔTx Cu50Zr40Ni10 opada sa 86°C (slika 10a) na 81°C za Cu50Zr30Ni20 (slika 10b).Za leguru MC Cu50Zr40Ni10 takođe je uočeno smanjenje vrednosti Tg, Tx i ΔTx na nivoe od 447°S, 526°S i 79°S (slika 10b).Ovo ukazuje da povećanje sadržaja Ni dovodi do smanjenja termičke stabilnosti MS legure.Naprotiv, vrijednost Tg (507 °C) legure MC Cu50Zr20Ni30 je niža od vrijednosti legure MC Cu50Zr40Ni10;ipak, njegov Tx pokazuje vrijednost uporedivu s njim (612 °C).Stoga ΔTx ima višu vrijednost (87°C) kao što je prikazano na sl.10. vek
Cu50(Zr50-xNix) MC sistem, koristeći kao primjer leguru Cu50Zr20Ni30 MC, kristalizira kroz oštar egzotermni vrh u fcc-ZrCu5, ortorombsku-Zr7Cu10 i ortorombnu-ZrNi kristalnu fazu (Sl.11).Ovaj fazni prelaz iz amorfnog u kristalni potvrđen je analizom difrakcije rendgenskih zraka uzorka MG (slika 10d) koji je zagrijan na 700 °C u DSC.
Na sl.11 prikazuje fotografije snimljene tokom procesa hladnog prskanja koji se izvodi u ovom radu.U ovoj studiji, čestice metalnog staklastog praha sintetizirane nakon MA u trajanju od 50 sati (koristeći Cu50Zr20Ni30 kao primjer) korištene su kao antibakterijska sirovina, a ploča od nehrđajućeg čelika (SUS304) je obložena hladnim sprejom.Metoda hladnog raspršivanja odabrana je za premazivanje u seriji tehnologije termičkog raspršivanja jer je to najefikasnija metoda u seriji tehnologije termičkog raspršivanja gdje se može koristiti za metalne metastabilne materijale osjetljive na toplinu kao što su amorfni i nanokristalni prahovi.Ne podliježe fazi.tranzicije.Ovo je glavni faktor pri odabiru ove metode.Proces hladnog taloženja provodi se pomoću čestica velike brzine koje pretvaraju kinetičku energiju čestica u plastičnu deformaciju, deformaciju i toplinu pri udaru o podlogu ili prethodno nanesene čestice.
Fotografije sa terena pokazuju postupak hladnog prskanja koji se koristi za pet uzastopnih priprema MG/SUS 304 na 550°C.
Kinetička energija čestica, kao i impuls svake čestice tokom formiranja prevlake, moraju se pretvoriti u druge oblike energije kroz takve mehanizme kao što su plastična deformacija (primarne čestice i međučestične interakcije u matrici i interakcije čestica), međuprostorni čvorovi čvrstih tijela, rotacija između čestica i granična energija koja dolazi, adiciona energija nije pretvaranje svih čestica, 9 Pretvoreno u toplotnu energiju i energiju deformacije, rezultat će biti elastični sudar, što znači da se čestice jednostavno odbijaju nakon udara.Primećeno je da se 90% energije udara primenjene na materijal čestica/podloge pretvara u lokalnu toplotu 40 .Osim toga, kada se primjenjuje udarno naprezanje, postižu se visoke stope plastične deformacije u području kontakta čestica/podloga za vrlo kratko vrijeme41,42.
Plastična deformacija se obično posmatra kao proces disipacije energije, odnosno kao izvor toplote u međufaznom području.Međutim, povećanje temperature u međufaznom području obično nije dovoljno za pojavu međufaznog topljenja ili značajnu stimulaciju međusobne difuzije atoma.Nijedna publikacija poznata autorima nije istraživala uticaj svojstava ovih metalnih staklastih prahova na adheziju praha i taloženje koje se javlja kada se koriste tehnike hladnog raspršivanja.
BFI praha legure MG Cu50Zr20Ni30 može se vidjeti na slici 12a, koja je nanesena na supstrat SUS 304 (sl. 11, 12b).Kao što se može vidjeti sa slike, obloženi prahovi zadržavaju svoju originalnu amorfnu strukturu jer imaju osjetljivu labirintsku strukturu bez ikakvih kristalnih karakteristika ili defekata rešetke.S druge strane, slika ukazuje na prisustvo strane faze, o čemu svjedoče nanočestice uključene u matricu praha obloženu MG (slika 12a).Slika 12c prikazuje indeksirani uzorak difrakcije nanozraka (NBDP) povezan sa regijom I (Slika 12a).Kao što je prikazano na sl.12c, NBDP pokazuje slab halo-difuzioni obrazac amorfne strukture i koegzistira sa oštrim tačkama koje odgovaraju kristalnoj velikoj kubičnoj metastabilnoj fazi Zr2Ni plus tetragonalnoj CuO fazi.Formiranje CuO se može objasniti oksidacijom praha pri kretanju od mlaznice pištolja za prskanje do SUS 304 na otvorenom u nadzvučnom toku.S druge strane, devitrifikacija metalnih staklastih prahova rezultirala je formiranjem velikih kubičnih faza nakon tretmana hladnim raspršivanjem na 550°C u trajanju od 30 min.
(a) FE-HRTEM slika MG praha nanesenog na (b) SUS 304 supstrat (umetnuta slika).NBDP indeks okruglog simbola prikazanog u (a) je prikazan u (c).
Da bi se testirao ovaj potencijalni mehanizam za formiranje velikih kubičnih nanočestica Zr2Ni, proveden je neovisni eksperiment.U ovom eksperimentu, praškovi su raspršeni iz atomizera na 550°C u pravcu supstrata SUS 304;međutim, da bi se odredio efekat žarenja, praškovi su uklonjeni sa SUS304 trake što je brže moguće (oko 60 s).).Provedena je još jedna serija eksperimenata u kojima je prah uklonjen sa podloge otprilike 180 sekundi nakon nanošenja.
Slike 13a,b prikazuju slike tamnog polja (DFI) skenirajuće transmisione elektronske mikroskopije (STEM) dva raspršena materijala nanesena na SUS 304 supstrate u trajanju od 60 s, odnosno 180 s.Slika praha deponovana 60 sekundi nema morfološke detalje, što pokazuje bezličnost (slika 13a).Ovo je takođe potvrđeno XRD, koji je pokazao da je ukupna struktura ovih prahova amorfna, na šta ukazuju široki primarni i sekundarni difrakcijski pikovi prikazani na slici 14a.Ovo ukazuje na odsustvo metastabilnih/mezofaznih taloga, u kojima prah zadržava svoju originalnu amorfnu strukturu.Nasuprot tome, prah deponovan na istoj temperaturi (550°C), ali ostavljen na podlozi 180 s, pokazao je taloženje zrna nano veličine, kao što je prikazano strelicama na slici 13b.