Diolch i chi am ymweld â Nature.com. Mae gan y fersiwn porwr rydych chi'n ei ddefnyddio gefnogaeth gyfyngedig ar gyfer CSS. I gael y profiad gorau, rydym yn argymell eich bod chi'n defnyddio porwr wedi'i ddiweddaru (neu'n diffodd y modd cydnawsedd yn Internet Explorer). Yn y cyfamser, er mwyn sicrhau cefnogaeth barhaus, byddwn yn arddangos y wefan heb arddulliau a JavaScript.
Mae bioffilmiau yn elfen bwysig yn natblygiad heintiau cronig, yn enwedig pan fo dyfeisiau meddygol yn gysylltiedig. Mae'r broblem hon yn cyflwyno her enfawr i'r gymuned feddygol, gan mai dim ond i raddau cyfyngedig iawn y gall gwrthfiotigau safonol ddileu bioffilmiau. Mae atal ffurfio bioffilm wedi arwain at ddatblygu amrywiol ddulliau cotio a deunyddiau newydd. Nod y dulliau hyn yw cotio arwynebau mewn modd sy'n atal ffurfio bioffilm. Mae aloion gwydrog metelaidd, yn enwedig y rhai sy'n cynnwys metelau copr a thitaniwm, wedi dod i'r amlwg fel cotiau gwrthficrobaidd delfrydol. Ar yr un pryd, mae'r defnydd o dechnoleg chwistrellu oer wedi cynyddu gan ei fod yn ddull addas ar gyfer prosesu deunyddiau sy'n sensitif i dymheredd. Rhan o bwrpas yr astudiaeth hon oedd datblygu ffilm gwrthfacterol newydd o wydr metelaidd sy'n cynnwys Cu-Zr-Ni teiran gan ddefnyddio technegau aloi mecanyddol. Defnyddir y powdr sfferig sy'n ffurfio'r cynnyrch terfynol fel deunydd crai ar gyfer cotio chwistrellu oer arwynebau dur di-staen ar dymheredd isel. Roedd swbstradau wedi'u gorchuddio â gwydr metelaidd yn gallu lleihau ffurfio bioffilm yn sylweddol o leiaf 1 log o'i gymharu â dur di-staen.
Drwy gydol hanes dynol, mae unrhyw gymdeithas wedi gallu dylunio a hyrwyddo cyflwyno deunyddiau newydd sy'n bodloni ei gofynion penodol, sydd wedi arwain at berfformiad a safle gwell mewn economi fyd-eang1. Fe'i priodolwyd erioed i allu dynol i ddatblygu deunyddiau ac offer gweithgynhyrchu a dyluniadau ar gyfer cynhyrchu a nodweddu deunyddiau i gyflawni enillion mewn iechyd, addysg, diwydiant, economeg, diwylliant a meysydd eraill o un wlad neu ranbarth i'r llall. Mesurir cynnydd waeth beth fo'r wlad neu'r rhanbarth.2 Ers 60 mlynedd, mae gwyddonwyr deunyddiau wedi neilltuo llawer o'u hamser i ganolbwyntio ar un pryder mawr: mynd ar drywydd deunyddiau newydd ac arloesol. Mae ymchwil diweddar wedi canolbwyntio ar wella ansawdd a pherfformiad deunyddiau presennol, yn ogystal â syntheseiddio a dyfeisio mathau cwbl newydd o ddeunyddiau.
Mae ychwanegu elfennau aloi, addasu microstrwythur y deunydd, a chymhwyso technegau prosesu thermol, mecanyddol neu thermo-fecanyddol wedi arwain at welliannau sylweddol ym mhriodweddau mecanyddol, cemegol a ffisegol amrywiaeth o wahanol ddeunyddiau. Ar ben hynny, mae cyfansoddion nas clywyd amdanynt hyd yn hyn wedi'u syntheseiddio'n llwyddiannus ar hyn o bryd. Mae'r ymdrechion parhaus hyn wedi sbarduno teulu newydd o ddeunyddiau arloesol, a elwir gyda'i gilydd yn Ddeunyddiau Uwch2. Mae nanocrisialau, nanoronynnau, nanotiwbiau, dotiau cwantwm, gwydrau metelaidd amorffaidd sero-ddimensiwn, ac aloion entropi uchel yn rhai enghreifftiau o ddeunyddiau uwch a gyflwynwyd i'r byd ers canol y ganrif ddiwethaf. Wrth weithgynhyrchu a datblygu aloion newydd â phriodweddau uwchraddol, naill ai yn y cynnyrch terfynol neu yng nghyfnodau canolradd ei gynhyrchu, mae problem anghydbwysedd yn aml yn cael ei hychwanegu. O ganlyniad i weithredu technegau gweithgynhyrchu newydd i wyro'n sylweddol oddi ar gydbwysedd, mae dosbarth hollol newydd o aloion metasefydlog, a elwir yn wydrau metelaidd, wedi'i ddarganfod.
Daeth ei waith yn Caltech ym 1960 â chwyldro yn y cysyniad o aloion metel pan syntheseiddiodd aloion Au-25 gwydrog at.% Si trwy solidoli hylifau'n gyflym ar bron i filiwn gradd yr eiliad.4. Nid yn unig y nododd digwyddiad darganfod yr Athro Pol Duwezs ddechrau hanes gwydrau metelaidd (MG), ond arweiniodd hefyd at newid paradigm yn y ffordd y mae pobl yn meddwl am aloion metel.Ers yr astudiaethau arloesol cynharaf mewn synthesis aloion MG, mae bron pob gwydr metelaidd wedi'i gynhyrchu'n gyfan gwbl trwy ddefnyddio un o'r dulliau canlynol; (i) solidoli'r toddiant neu'r stêm yn gyflym, (ii) anhrefn atomig y dellt, (iii) adweithiau amorffeiddio cyflwr solid rhwng elfennau metel pur, a (iv) trawsnewidiadau cyflwr solid o gamau metasefydlog.
Mae MGs yn cael eu gwahaniaethu gan eu diffyg y drefn atomig hirdymor sy'n gysylltiedig â chrisialau, sy'n nodwedd ddiffiniol o grisialau. Yn y byd heddiw, mae cynnydd mawr wedi'i wneud ym maes gwydr metelaidd. Maent yn ddeunyddiau newydd gyda phriodweddau diddorol sydd o ddiddordeb nid yn unig mewn ffiseg cyflwr solet, ond hefyd mewn meteleg, cemeg arwyneb, technoleg, bioleg a llawer o feysydd eraill. Mae'r math newydd hwn o ddeunydd yn arddangos priodweddau gwahanol i fetelau solet, gan ei wneud yn ymgeisydd diddorol ar gyfer cymwysiadau technolegol mewn amrywiaeth o feysydd. Mae ganddynt rai priodweddau pwysig; (i) hydwythedd mecanyddol uchel a chryfder cynnyrch, (ii) athreiddedd magnetig uchel, (iii) gorfodaeth isel, (iv) ymwrthedd cyrydiad anarferol, (v) annibyniaeth tymheredd. Dargludedd o 6,7.
Mae aloi mecanyddol (MA)1,8 yn dechneg gymharol newydd, a gyflwynwyd gyntaf ym 19839 gan yr Athro CC Kock a'i gydweithwyr. Fe wnaethant baratoi powdrau Ni60Nb40 amorffaidd trwy falu cymysgedd o elfennau pur ar dymheredd amgylchynol yn agos iawn at dymheredd ystafell. Yn nodweddiadol, cynhelir yr adwaith MA rhwng cyplu trylediadol powdrau'r deunydd adweithydd mewn adweithydd, fel arfer wedi'i wneud o ddur di-staen i mewn i felin bêl 10 (Ffig. 1a, b). Ers hynny, defnyddiwyd y dechneg adwaith cyflwr solid a achosir yn fecanyddol hon i baratoi powdrau aloi gwydr amorffaidd/metelaidd newydd gan ddefnyddio melinau bêl ynni isel (Ffig. 1c) ac uchel, yn ogystal â melinau gwialen11,12,13,14,15,16. Yn benodol, defnyddiwyd y dull hwn i baratoi systemau anghymysgadwy fel Cu-Ta17, yn ogystal ag aloion pwynt toddi uchel fel systemau metel trawsnewid Al (TM; Zr, Hf, Nb a Ta)18,19 a Fe-W20, na ellir eu cael gan ddefnyddio llwybrau paratoi confensiynol. Ar ben hynny, ystyrir MA yn un o'r offer nanotechnoleg mwyaf pwerus ar gyfer paratoi gronynnau powdr nanogrisialog a nanogyfansawdd ar raddfa ddiwydiannol o ocsidau metel, carbidau, nitridau, hydridau, nanotubiau carbon, nanodiamwntau, Yn ogystal â sefydlogi eang trwy ddull o'r brig i lawr 1 a chyfnodau metasefydlog.
Cynllun sgematig yn dangos y dull cynhyrchu a ddefnyddiwyd i baratoi cotio gwydr metelaidd Cu50(Zr50−xNix)/SUS 304 yn yr astudiaeth hon. (a) Paratoi powdrau aloi MG gyda gwahanol grynodiadau Ni x (x; 10, 20, 30 a 40 at.%) gan ddefnyddio techneg melino pêl ynni isel. (a) Llwythir y deunydd cychwyn i mewn i silindr offer ynghyd â pheli dur offer, a (b) caiff ei selio mewn blwch maneg wedi'i lenwi ag awyrgylch He. (c) Model tryloyw o'r llestr malu yn darlunio symudiad y bêl yn ystod malu. Defnyddiwyd cynnyrch terfynol y powdr a gafwyd ar ôl 50 awr i orchuddio'r swbstrad SUS 304 gan ddefnyddio'r dull chwistrellu oer (d).
O ran arwynebau deunyddiau swmp (swbstradau), mae peirianneg arwynebau yn cynnwys dylunio ac addasu arwynebau (swbstradau) i ddarparu rhai rhinweddau ffisegol, cemegol a thechnegol nad ydynt wedi'u cynnwys yn y deunydd swmp gwreiddiol. Mae rhai priodweddau y gellir eu gwella'n effeithiol trwy driniaethau arwyneb yn cynnwys ymwrthedd crafiad, ymwrthedd ocsideiddio a chorydiad, cyfernod ffrithiant, bio-anadlaetholdeb, priodweddau trydanol, ac inswleiddio thermol, i enwi ond ychydig. Gellir gwella ansawdd arwyneb trwy ddefnyddio technegau metelegol, mecanyddol neu gemegol. Fel proses adnabyddus, diffinnir haen yn syml fel un neu luosog haen o ddeunydd a ddyddodir yn artiffisial ar wyneb gwrthrych swmp (swbstrad) wedi'i wneud o ddeunydd arall. Felly, defnyddir haenau yn rhannol i gyflawni rhai priodweddau technegol neu addurniadol dymunol, yn ogystal ag amddiffyn deunyddiau rhag rhyngweithiadau cemegol a ffisegol disgwyliedig â'r amgylchedd cyfagos23.
Er mwyn dyddodi haenau amddiffyn arwyneb addas gyda thrwch yn amrywio o ychydig ficrometrau (islaw 10-20 micrometrau) i dros 30 micrometrau neu hyd yn oed ychydig filimetrau, gellir defnyddio llawer o ddulliau a thechnegau. Yn gyffredinol, gellir rhannu prosesau cotio yn ddau gategori: (i) dulliau cotio gwlyb, gan gynnwys electroplatio, platio electroless, a dulliau galfaneiddio trochi poeth, a (ii) dulliau cotio sych, gan gynnwys presyddu, arwynebu, dyddodiad anwedd corfforol (PVD), dyddodiad anwedd cemegol (CVD), technegau chwistrellu thermol ac yn fwy diweddar technegau chwistrellu oer 24 (Ffig. 1d).
Diffinnir bioffilmiau fel cymunedau microbaidd sydd ynghlwm wrth arwynebau mewn ffordd anwrthdroadwy ac wedi'u hamgylchynu gan bolymerau allgellog hunangynhyrchiedig (EPS). Gall ffurfio bioffilm aeddfed ar yr wyneb arwain at golledion sylweddol mewn llawer o sectorau diwydiannol, gan gynnwys y diwydiant bwyd, systemau dŵr, ac amgylcheddau gofal iechyd. Mewn bodau dynol, pan fydd bioffilmiau'n ffurfio, mae'n anodd trin mwy nag 80% o achosion o heintiau microbaidd (gan gynnwys Enterobacteriaceae a Staphylococci). Ar ben hynny, adroddwyd bod bioffilmiau aeddfed 1000 gwaith yn fwy gwrthiannol i driniaeth wrthfiotig o'i gymharu â chelloedd bacteriol planctonig, a ystyrir yn her therapiwtig fawr. Yn hanesyddol, defnyddiwyd deunyddiau cotio arwyneb gwrthficrobaidd sy'n deillio o gyfansoddion organig confensiynol. Er bod deunyddiau o'r fath yn aml yn cynnwys cydrannau gwenwynig a allai fod yn beryglus i fodau dynol,25,26 gall helpu i osgoi trosglwyddo bacteria a dinistrio deunyddiau.
Mae ymwrthedd eang bacteria i driniaethau gwrthfiotig oherwydd ffurfio bioffilm wedi arwain at yr angen i ddatblygu arwyneb wedi'i orchuddio â philen gwrthficrobaidd effeithiol y gellir ei gymhwyso'n ddiogel27. Datblygu arwyneb gwrthlynol ffisegol neu gemegol y mae celloedd bacteriol yn cael eu hatal rhag rhwymo ac adeiladu bioffilmiau oherwydd adlyniad yw'r dull cyntaf yn y broses hon27. Yr ail dechnoleg yw datblygu haenau sy'n galluogi cemegau gwrthficrobaidd i gael eu danfon yn union lle mae eu hangen, mewn symiau crynodedig iawn a theilwredig. Cyflawnir hyn trwy ddatblygu deunyddiau cotio unigryw fel graffen/germaniwm28, diemwnt du29 a haenau carbon tebyg i ddiemwnt wedi'u dopio â ZnO30 sy'n gwrthsefyll bacteria, technoleg sy'n cynyddu gwenwyndra a datblygiad ymwrthedd oherwydd ffurfio bioffilm yn cael eu lleihau'n sylweddol. Yn ogystal, mae haenau sy'n ymgorffori cemegau germladdol mewn arwynebau i ddarparu amddiffyniad hirdymor rhag halogiad bacteriol yn dod yn fwy poblogaidd. Er bod y tri gweithdrefn yn gallu cynhyrchu effeithiau gwrthficrobaidd ar arwynebau wedi'u gorchuddio, mae gan bob un eu set eu hunain o gyfyngiadau y dylid eu hystyried wrth ddatblygu strategaethau cymhwyso.
Mae cynhyrchion sydd ar y farchnad ar hyn o bryd yn cael eu rhwystro gan ddiffyg amser i ddadansoddi a phrofi haenau amddiffynnol ar gyfer cynhwysion biolegol weithredol. Mae cwmnïau'n honni y bydd eu cynhyrchion yn darparu agweddau swyddogaethol dymunol i ddefnyddwyr; fodd bynnag, mae hyn wedi bod yn rhwystr i lwyddiant cynhyrchion sydd ar y farchnad ar hyn o bryd. Defnyddir cyfansoddion sy'n deillio o arian yn y mwyafrif helaeth o therapïau gwrthficrobaidd sydd ar gael i ddefnyddwyr nawr. Datblygir y cynhyrchion hyn i amddiffyn defnyddwyr rhag effeithiau peryglus posibl micro-organebau. Mae'r effaith gwrthficrobaidd oedi a'r gwenwyndra cysylltiedig â chyfansoddion arian yn cynyddu'r pwysau ar ymchwilwyr i ddatblygu dewis arall llai niweidiol36,37. Mae creu haen gwrthficrobaidd fyd-eang sy'n gweithio dan do ac yn yr awyr agored yn dal i fod yn dasg anodd. Mae hyn oherwydd y risgiau cysylltiedig i iechyd a diogelwch. Mae darganfod asiant gwrthficrobaidd sy'n llai niweidiol i fodau dynol a darganfod sut i'w ymgorffori mewn swbstradau cotio gydag oes silff hirach yn nod y mae galw mawr amdano38. Mae'r deunyddiau gwrthficrobaidd a gwrth-fiofilm diweddaraf wedi'u cynllunio i ladd bacteria o bellter agos, naill ai trwy gyswllt uniongyrchol neu ar ôl i'r asiant gweithredol gael ei ryddhau. Gallant wneud hyn trwy atal adlyniad bacteriol cychwynnol (gan gynnwys gwrthweithio ffurfio haen protein ar yr wyneb) neu trwy ladd bacteria trwy ymyrryd â wal y gell.
Yn y bôn, cotio arwyneb yw'r broses o osod haen arall ar wyneb cydran i wella rhinweddau sy'n gysylltiedig ag arwyneb. Nod cotio arwyneb yw teilwra microstrwythur a/neu gyfansoddiad rhanbarth agos at wyneb y gydran39. Gellir rhannu technegau cotio arwyneb yn wahanol ddulliau, a grynhoir yn Ffig. 2a. Gellir isrannu haenau yn gategorïau thermol, cemegol, ffisegol ac electrocemegol, yn dibynnu ar y dull a ddefnyddir i greu'r haen.
(a) Mewnosodiad yn dangos y prif dechnegau gweithgynhyrchu a ddefnyddir ar gyfer yr wyneb, a (b) manteision ac anfanteision dethol o'r dechneg chwistrellu oer.
Mae technoleg chwistrellu oer yn rhannu llawer o debygrwydd â dulliau chwistrellu thermol confensiynol. Fodd bynnag, mae yna hefyd rai priodweddau sylfaenol allweddol sy'n gwneud y broses chwistrellu oer a deunyddiau chwistrellu oer yn arbennig o unigryw. Mae technoleg chwistrellu oer yn ei dyddiau cynnar o hyd, ond mae ganddi ddyfodol disglair. Mewn rhai cymwysiadau, mae priodweddau unigryw chwistrellu oer yn cynnig manteision mawr, gan oresgyn cyfyngiadau cynhenid ​​​​dulliau chwistrellu thermol nodweddiadol. Mae'n darparu ffordd i oresgyn cyfyngiadau sylweddol technoleg chwistrellu thermol draddodiadol, lle mae'n rhaid toddi'r powdr er mwyn dyddodi ar y swbstrad. Yn amlwg, nid yw'r broses orchuddio draddodiadol hon yn addas ar gyfer deunyddiau sy'n sensitif iawn i dymheredd fel nanogrisialau, nanoronynnau, gwydrau amorffaidd a metelaidd40, 41, 42. Ar ben hynny, mae deunyddiau cotio chwistrellu thermol bob amser yn arddangos lefelau uchel o mandylledd ac ocsidau. Mae gan dechnoleg chwistrellu oer lawer o fanteision sylweddol dros dechnoleg chwistrellu thermol, megis (i) mewnbwn gwres lleiaf i'r swbstrad, (ii) hyblygrwydd mewn dewisiadau cotio swbstrad, (iii) absenoldeb trawsnewid cyfnod a thwf grawn, (iv) cryfder bond uchel1,39 (Ffig. 2b). Yn ogystal, mae gan ddeunyddiau cotio chwistrellu oer gyrydiad uchel ymwrthedd, cryfder a chaledwch uchel, dargludedd trydanol uchel a dwysedd uchel41.Yn groes i fanteision y broses chwistrellu oer, mae rhai anfanteision o hyd i ddefnyddio'r dechneg hon, fel y dangosir yn Ffigur 2b.Wrth orchuddio powdrau ceramig pur fel Al2O3, TiO2, ZrO2, WC, ac ati, ni ellir defnyddio'r dull chwistrellu oer.Ar y llaw arall, gellir defnyddio powdrau cyfansawdd ceramig/metel fel deunyddiau crai ar gyfer haenau.Mae'r un peth yn wir am ddulliau chwistrellu thermol eraill.Mae arwynebau cymhleth ac arwynebau pibellau mewnol yn dal yn anodd eu chwistrellu.
O ystyried bod y gwaith presennol yn anelu at ddefnyddio powdrau gwydrog metelaidd fel deunyddiau cotio crai, mae'n amlwg na ellir defnyddio chwistrellu thermol confensiynol at y diben hwn. Mae hyn oherwydd bod powdrau gwydrog metelaidd yn crisialu ar dymheredd uchel1.
Mae'r rhan fwyaf o'r offer a ddefnyddir yn y diwydiannau meddygol a bwyd wedi'u gwneud o aloion dur di-staen austenitig (SUS316 a SUS304) gyda chynnwys cromiwm rhwng 12 a 20% pwysau ar gyfer cynhyrchu offer llawfeddygol. Yn gyffredinol, derbynnir y gall defnyddio metel cromiwm fel elfen aloi mewn aloion dur wella ymwrthedd cyrydiad aloion dur safonol yn fawr. Nid yw aloion dur di-staen, er gwaethaf eu hymwrthedd uchel i gyrydiad, yn arddangos priodweddau gwrthficrobaidd sylweddol38,39. Mae hyn yn cyferbynnu â'u hymwrthedd uchel i gyrydiad. Ar ôl hyn, gellir rhagweld datblygiad haint a llid, a achosir yn bennaf gan adlyniad bacteriol a gwladychu ar wyneb bioddeunyddiau dur di-staen. Gall anawsterau sylweddol godi oherwydd anawsterau sylweddol sy'n gysylltiedig ag adlyniad bacteriol a llwybrau ffurfio bioffilm, a all arwain at ddirywiad iechyd, a all gael llawer o ganlyniadau a all effeithio'n uniongyrchol neu'n anuniongyrchol ar iechyd pobl.
Yr astudiaeth hon yw cam cyntaf prosiect a ariannwyd gan Sefydliad Kuwait er Hyrwyddo Gwyddoniaeth (KFAS), Contract Rhif 2010-550401, i ymchwilio i ddichonoldeb cynhyrchu powdrau teiran Cu-Zr-Ni gwydrog metelaidd gan ddefnyddio technoleg MA (Tabl 1) ar gyfer cynhyrchu haen amddiffynnol arwyneb ffilm gwrthfacterol/SUS304. Bydd ail gam y prosiect, a ddisgwylir i ddechrau ym mis Ionawr 2023, yn archwilio nodweddion cyrydiad electrocemegol a phriodweddau mecanyddol y system yn fanwl. Cynhelir profion microbiolegol manwl ar gyfer gwahanol rywogaethau bacteriol.
Yn y papur hwn, trafodir effaith cynnwys elfen aloi Zr ar allu ffurfio gwydr (GFA) yn seiliedig ar nodweddion morffolegol a strwythurol. Yn ogystal, trafodwyd priodweddau gwrthfacteria'r cotio powdr gwydr metelaidd wedi'i orchuddio / cyfansawdd SUS304 hefyd. Ar ben hynny, mae gwaith cyfredol wedi'i wneud i ymchwilio i'r posibilrwydd o drawsnewid strwythurol powdrau gwydr metelaidd yn digwydd yn ystod chwistrellu oer o fewn rhanbarth hylif is-oeri systemau gwydr metelaidd wedi'u cynhyrchu. Fel enghreifftiau cynrychioliadol, defnyddiwyd aloion gwydr metelaidd Cu50Zr30Ni20 a Cu50Zr20Ni30 yn yr astudiaeth hon.
Yn yr adran hon, cyflwynir y newidiadau morffolegol mewn powdrau elfennol Cu, Zr a Ni mewn melino pêl ynni isel. Fel enghreifftiau darluniadol, defnyddir dau system wahanol sy'n cynnwys Cu50Zr20Ni30 a Cu50Zr40Ni10 fel enghreifftiau cynrychioliadol. Gellir rhannu'r broses MA yn dair cam gwahanol, fel y dangosir gan nodweddiad metelograffig y powdr a gynhyrchir yn ystod y cam malu (Ffigur 3).
Nodweddion metelograffig powdrau aloi mecanyddol (MA) a gafwyd ar ôl gwahanol gamau o amser melino pêl. Dangosir delweddau microsgopeg sganio electron allyriadau maes (FE-SEM) o bowdrau MA a Cu50Zr40Ni10 a gafwyd ar ôl amseroedd melino pêl ynni isel o 3, 12 a 50 awr yn (a), (c) ac (e) ar gyfer y system Cu50Zr20Ni30, tra yn yr un MA Dangosir delweddau cyfatebol o'r system Cu50Zr40Ni10 a gymerwyd ar ôl amser yn (b), (d) ac (f).
Yn ystod melino pêl, mae'r egni cinetig effeithiol y gellir ei drosglwyddo i'r powdr metel yn cael ei effeithio gan y cyfuniad o baramedrau, fel y dangosir yn Ffig. 1a. Mae hyn yn cynnwys gwrthdrawiadau rhwng peli a phowdrau, cneifio cywasgol powdr sy'n sownd rhwng neu rhwng cyfryngau malu, effaith peli sy'n cwympo, cneifio a gwisgo oherwydd llusgo powdr rhwng cyfryngau melino pêl sy'n symud, a thonnau sioc yn pasio trwy beli sy'n cwympo yn lledaenu trwy lwythi cnydau (Ffig. 1a). Cafodd powdrau elfennol Cu, Zr, a Ni eu hanffurfio'n ddifrifol oherwydd weldio oer yng nghyfnod cynnar MA (3 awr), gan arwain at ronynnau powdr mawr (>1 mm mewn diamedr). Nodweddir y gronynnau cyfansawdd mawr hyn gan ffurfio haenau trwchus o elfennau aloi (Cu, Zr, Ni), fel y dangosir yn Ffig. 3a,b. Arweiniodd cynyddu'r amser MA i 12 awr (cyfnod canolradd) at gynnydd yn egni cinetig y felin bêl, gan arwain at ddadelfennu'r powdr cyfansawdd yn bowdrau mân (llai na 200 µm), fel y dangosir yn Ffig. 3c,d. Ar y cam hwn, mae'r grym cneifio a gymhwysir yn arwain at ffurfio arwyneb metel newydd gyda haenau mân o Cu, Zr, Ni, fel y dangosir yn Ffig. 3c,d. O ganlyniad i fireinio haenau, mae adweithiau cyfnod solet yn digwydd ar ryngwyneb y naddion i gynhyrchu cyfnodau newydd.
Ar uchafbwynt y broses MA (ar ôl 50 awr), dim ond ychydig yn weladwy oedd y metelograffeg naddionog (Ffig. 3e,f), ond dangosodd wyneb caboledig y powdr fetelograffeg drych. Mae hyn yn golygu bod y broses MA wedi'i chwblhau a bod creu un cyfnod adwaith wedi digwydd. Penderfynwyd ar gyfansoddiad elfennol y rhanbarthau a fynegeir yn Ffig. 3e (I, II, III), f, v, vi) trwy ddefnyddio microsgopeg electron sganio allyriadau maes (FE-SEM) ynghyd â sbectrosgopeg pelydr-X gwasgarol ynni (EDS) (IV).
Yn Nhabl 2, dangosir crynodiadau elfennol yr elfennau aloi fel canran o gyfanswm pwysau pob rhanbarth a ddewiswyd yn Ffig. 3e,f. Wrth gymharu'r canlyniadau hyn â'r cyfansoddiadau enwol cychwynnol o Cu50Zr20Ni30 a Cu50Zr40Ni10 a restrir yn Nhabl 1, gellir gweld bod gan gyfansoddiadau'r ddau gynnyrch terfynol hyn werthoedd tebyg iawn i'r cyfansoddiadau enwol. Ar ben hynny, nid yw'r gwerthoedd cydrannau cymharol ar gyfer y rhanbarthau a restrir yn Ffig. 3e,f yn awgrymu dirywiad nac amrywiad sylweddol yng nghyfansoddiad pob sampl o un rhanbarth i'r llall. Mae hyn yn amlwg o'r ffaith nad oes unrhyw newid yn y cyfansoddiad o un rhanbarth i'r llall. Mae hyn yn awgrymu cynhyrchu powdrau aloi homogenaidd, fel y dangosir yn Nhabl 2.
Cafwyd micrograffau FE-SEM o'r powdr Cu50(Zr50−xNix) cynnyrch terfynol ar ôl 50 MA, fel y dangosir yn Ffig. 4a–d, lle mae x yn 10, 20, 30 a 40 at.%, yn y drefn honno. Ar ôl y cam melino hwn, mae'r powdr yn crynhoi oherwydd effaith van der Waals, gan arwain at ffurfio crynhoadau mawr sy'n cynnwys gronynnau mân iawn gyda diamedrau'n amrywio o 73 i 126 nm, fel y dangosir yn Ffigur 4.
Nodweddion morffolegol powdrau Cu50(Zr50−xNix) a gafwyd ar ôl amser MA o 50 awr. Ar gyfer y systemau Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40, dangosir delweddau FE-SEM o'r powdrau a gafwyd ar ôl 50 gwaith MA yn (a), (b), (c) a (d), yn y drefn honno.
Cyn llwytho'r powdrau i mewn i borthwr chwistrellu oer, cawsant eu soniceiddio yn gyntaf mewn ethanol gradd dadansoddol am 15 munud ac yna eu sychu ar 150°C am 2 awr. Rhaid cymryd y cam hwn i frwydro yn erbyn crynhoad yn llwyddiannus sy'n aml yn achosi llawer o broblemau sylweddol drwy gydol y broses orchuddio. Ar ôl cwblhau'r broses MA, cynhaliwyd nodweddiadau pellach i ymchwilio i homogenedd y powdrau aloi. Mae Ffigur 5a–d yn dangos y micrograffau FE-SEM a'r delweddau EDS cyfatebol o elfennau aloi Cu, Zr a Ni yr aloi Cu50Zr30Ni20 a gafwyd ar ôl 50 awr o amser M, yn y drefn honno. Dylid nodi bod y powdrau aloi a gynhyrchir ar ôl y cam hwn yn homogenaidd gan nad ydynt yn dangos unrhyw amrywiadau cyfansoddiadol y tu hwnt i'r lefel is-nanomedr, fel y dangosir yn Ffigur 5.
Morffoleg a dosbarthiad elfennol lleol powdr MG Cu50Zr30Ni20 a gafwyd ar ôl 50 gwaith MA trwy sbectrosgopeg pelydr-X gwasgarol ynni FE-SEM (EDS). (a) Mapio SEM ac EDS pelydr-X o (b) delweddau Cu-Kα, (c) Zr-Lα a (d) Ni-Kα.
Dangosir patrymau XRD powdrau Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30 a Cu50Zr20Ni30 wedi'u aloi'n fecanyddol a gafwyd ar ôl amser melino o 50 awr yn Ffig. 6a–d, yn y drefn honno. Ar ôl y cam hwn o felino, dangosodd pob sampl gyda chrynodiadau Zr gwahanol strwythurau amorffaidd gyda phatrymau trylediad halo nodweddiadol a ddangosir yn Ffig. 6.
Patrymau XRD o bowdrau (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 a (d) Cu50Zr20Ni30 ar ôl amser MA o 50 awr. Dangosodd pob sampl heb eithriad batrwm trylediad halo, sy'n awgrymu ffurfio cyfnod amorffaidd.
Defnyddiwyd microsgopeg electron trawsyrru cydraniad uchel allyriadau maes (FE-HRTEM) i arsylwi newidiadau strwythurol a deall strwythur lleol y powdrau sy'n deillio o felino pêl ar wahanol adegau MA. Dangosir delweddau FE-HRTEM o'r powdrau a gafwyd ar ôl camau cynnar (6 awr) a chanolradd (18 awr) o felino ar gyfer powdrau Cu50Zr30Ni20 a Cu50Zr40Ni10 yn Ffig. 7a,c, yn y drefn honno. Yn ôl y ddelwedd maes llachar (BFI) o'r powdr a gynhyrchwyd ar ôl MA 6 awr, mae'r powdr yn cynnwys gronynnau mawr gyda ffiniau wedi'u diffinio'n dda o'r elfennau fcc-Cu, hcp-Zr ac fcc-Ni, ac nid oes arwydd bod y cyfnod adwaith wedi ffurfio, fel y dangosir yn Ffig. 7a. Ar ben hynny, datgelodd y patrwm diffreithiant ardal ddethol cydberthynol (SADP) a gymerwyd o ranbarth canol (a) batrwm diffreithiant cwsp (Ffig. 7b), sy'n dangos presenoldeb crisialau mawr ac absenoldeb cyfnod adweithiol.
Nodweddu strwythurol lleol powdr MA a gafwyd ar ôl camau cynnar (6 awr) a chanolradd (18 awr). (a) Microsgopeg electron trawsyrru cydraniad uchel allyriadau maes (FE-HRTEM), a (b) y patrwm diffractiad ardal ddethol cyfatebol (SADP) o bowdr Cu50Zr30Ni20 ar ôl triniaeth MA am 6 awr. Dangosir delwedd FE-HRTEM o Cu50Zr40Ni10 a gafwyd ar ôl amser MA o 18 awr yn (c).
Fel y dangosir yn Ffig. 7c, arweiniodd ymestyn hyd yr MA i 18 awr at ddiffygion dellt difrifol ynghyd ag anffurfiad plastig. Yn ystod y cam canolradd hwn o'r broses MA, mae'r powdr yn arddangos amrywiol ddiffygion, gan gynnwys namau pentyrru, diffygion dellt, a diffygion pwynt (Ffigur 7). Mae'r diffygion hyn yn achosi i'r grawn mawr hollti ar hyd eu ffiniau grawn yn is-rawn gyda meintiau llai na 20 nm (Ffig. 7c).
Mae strwythur lleol powdr Cu50Z30Ni20 a felinwyd am 36 awr o amser MA yn dangos ffurfio nanogronynnau mân iawn wedi'u hymgorffori mewn matrics mân amorffaidd, fel y dangosir yn Ffig. 8a. Dangosodd dadansoddiad EDS lleol fod y nanoglystyrau hynny a ddangosir yn Ffig. 8a yn gysylltiedig ag elfennau aloi powdr Cu, Zr a Ni heb eu prosesu. Ar yr un pryd, roedd cynnwys Cu y matrics yn amrywio o ~32 at.% (ardal denau) i ~74 at.% (ardal gyfoethog), sy'n dangos ffurfio cynhyrchion heterogenaidd. Ar ben hynny, mae'r SADPs cyfatebol o'r powdrau a gafwyd ar ôl melino yn y cam hwn yn dangos cylchoedd cynradd ac eilaidd o gyfnod amorffaidd sy'n tryledu halo, yn gorgyffwrdd â phwyntiau miniog sy'n gysylltiedig â'r elfennau aloi crai hynny, fel y dangosir yn Ffig. 8b.
Nodweddion strwythurol lleol nanosgâl powdr Cu50Zr30Ni20 y tu hwnt i 36 awr. (a) Delwedd maes llachar (BFI) a'r SADP cyfatebol (b) o bowdr Cu50Zr30Ni20 a gafwyd ar ôl melino am amser MA o 36 awr.
Tua diwedd y broses MA (50 awr), mae gan bowdrau Cu50(Zr50−xNix), X; 10, 20, 30 a 40 at.% forffoleg cyfnod amorffaidd labyrinthine yn anochel fel y dangosir yn Ffig. 9a–d. Yn SADP cyfatebol pob cyfansoddiad, ni ellid canfod diffracsiynau tebyg i bwyntiau na phatrymau cylchog miniog. Mae hyn yn dangos nad oes metel crisialog heb ei brosesu yn bresennol, ond yn hytrach bod powdr aloi amorffaidd yn cael ei ffurfio. Defnyddiwyd y SADPau cydberthynol hyn sy'n dangos patrymau trylediad halo hefyd fel tystiolaeth ar gyfer datblygiad cyfnodau amorffaidd yn y deunydd cynnyrch terfynol.
Strwythur lleol cynnyrch terfynol y system MG Cu50 (Zr50−xNix). FE-HRTEM a phatrymau diffractiad nanobeam cydberthynol (NBDP) o (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 a (d) Cu50Zr10Ni40 a gafwyd ar ôl 50 awr o MA.
Mae sefydlogrwydd thermol tymheredd y trawsnewidiad gwydr (Tg), rhanbarth yr hylif is-oeri (ΔTx) a thymheredd crisialu (Tx) fel swyddogaeth o gynnwys Ni (x) y system amorffaidd Cu50(Zr50−xNix) wedi'i ymchwilio gan ddefnyddio Calorimetreg sganio gwahaniaethol (DSC) o briodweddau o dan lif nwy He. Dangosir olion DSC y powdrau aloi amorffaidd Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20 a Cu50Zr10Ni40 a gafwyd ar ôl amser MA o 50 awr yn Ffig. 10a, b, e, yn y drefn honno. Tra dangosir cromlin DSC Cu50Zr20Ni30 amorffaidd ar wahân yn Ffig. 10c. Yn y cyfamser, dangosir y sampl Cu50Zr30Ni20 wedi'i gynhesu i ~700 °C yn DSC yn Ffig. 10d.
Sefydlogrwydd thermol powdrau Cu50(Zr50−xNix) MG a gafwyd ar ôl amser MA o 50 awr, fel y'i mynegeir gan dymheredd trawsnewid gwydr (Tg), tymheredd crisialu (Tx), a rhanbarth hylif is-oeri (ΔTx). Thermogramau calorimedr sganio gwahaniaethol (DSC) o (a) powdrau aloi Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 ac (e) powdrau aloi Cu50Zr10Ni40 MG ar ôl amser MA o 50 awr. Dangosir patrwm diffractiad pelydr-X (XRD) y sampl Cu50Zr30Ni20 wedi'i gynhesu i ~700 °C mewn DSC yn (d).
Fel y dangosir yn Ffigur 10, mae cromliniau DSC yr holl gyfansoddiadau â chrynodiadau Ni gwahanol (x) yn dangos dau achos gwahanol, un endothermig a'r llall ecsothermig. Mae'r digwyddiad endothermig cyntaf yn cyfateb i Tg, tra bod yr ail yn gysylltiedig â Tx. Gelwir y rhanbarth rhychwant llorweddol sy'n bodoli rhwng Tg a Tx yn rhanbarth hylif is-oeri (ΔTx = Tx – Tg). Mae'r canlyniadau'n dangos bod Tg a Tx y sampl Cu50Zr40Ni10 (Ffig. 10a), wedi'i osod ar 526°C a 612°C, yn symud y cynnwys (x) i 20 at.% tuag at ochr tymheredd isel 482°C a 563°C gyda chynnwys Ni cynyddol (x), yn y drefn honno, fel y dangosir yn Ffigur 10b. O ganlyniad, mae ΔTx Cu50Zr40Ni10 yn gostwng o 86 °C (Ffig. 10a) i 81 °C ar gyfer Cu50Zr30Ni20 (Ffig. 10b).Ar gyfer yr aloi MG Cu50Zr40Ni10, gwelwyd hefyd fod gwerthoedd Tg, Tx ac ΔTx wedi gostwng i lefel o 447°C, 526°C a 79°C (Ffig. 10b).Mae hyn yn dangos bod y cynnydd yng nghynnwys Ni yn arwain at ostyngiad yn sefydlogrwydd thermol yr aloi MG.Mewn cyferbyniad, mae gwerth Tg (507°C) yr aloi MG Cu50Zr20Ni30 yn is na gwerth yr aloi MG Cu50Zr40Ni10; serch hynny, mae ei Tx yn dangos gwerth cymharol i'r cyntaf (612°C).Felly, mae ΔTx yn arddangos gwerth uwch (87°C), fel y dangosir yn Ffig. 10c.
Mae'r system MG Cu50(Zr50−xNix), gan gymryd yr aloi MG Cu50Zr20Ni30 fel enghraifft, yn crisialu trwy big ecsothermig miniog i mewn i gamau crisial fcc-ZrCu5, orthorhombig-Zr7Cu10 ac orthorhombig-ZrNi (Ffig. 10c). Cadarnhawyd y trawsnewidiad cam amorffaidd i grisialog hwn gan XRD o'r sampl MG (Ffig. 10d), a gynheswyd i 700 °C mewn DSC.
Mae Ffigur 11 yn dangos ffotograffau a dynnwyd yn ystod y broses chwistrellu oer a gynhaliwyd yn y gwaith cyfredol. Yn yr astudiaeth hon, defnyddiwyd y gronynnau powdr metel tebyg i wydr a syntheseiddiwyd ar ôl amser MA o 50 awr (gan gymryd Cu50Zr20Ni30 fel enghraifft) fel deunyddiau crai gwrthfacteria, a gorchuddiwyd y plât dur di-staen (SUS304) gan dechnoleg chwistrellu oer. Dewiswyd y dull chwistrellu oer ar gyfer cotio yn y gyfres dechnoleg chwistrellu thermol oherwydd dyma'r dull mwyaf effeithlon yn y gyfres chwistrellu thermol a gellir ei ddefnyddio ar gyfer deunyddiau metasefydlog metel sy'n sensitif i dymheredd fel powdrau amorffaidd a nanocrisialaidd, nad ydynt yn destun trawsnewidiadau cyfnod. Dyma'r prif ffactor wrth ddewis y dull hwn. Cynhelir y broses chwistrellu oer trwy ddefnyddio gronynnau cyflymder uchel sy'n trosi egni cinetig y gronynnau yn anffurfiad plastig, straen a gwres ar ôl cael effaith â'r swbstrad neu ronynnau a adneuwyd yn flaenorol.
Mae lluniau maes yn dangos y weithdrefn chwistrellu oer a ddefnyddiwyd ar gyfer pum paratoad olynol o orchudd MG/SUS 304 ar 550 °C.
Rhaid trosi egni cinetig y gronynnau, ac felly momentwm pob gronyn yn y ffurfiant cotio, yn ffurfiau eraill o egni trwy fecanweithiau megis anffurfiad plastig (rhyngweithiadau gronyn cychwynnol a gronyn-gronyn yn y swbstrad a rhyngweithiadau gronyn), cydgrynhoi gwagleoedd, cylchdro gronyn-gronyn, straen ac yn y pen draw gwres 39. Ar ben hynny, os nad yw'r holl egni cinetig sy'n dod i mewn yn cael ei drawsnewid yn egni gwres ac straen, y canlyniad yw gwrthdrawiad elastig, sy'n golygu bod y gronynnau'n bownsio'n ôl ar ôl effaith. Nodwyd bod 90% o'r egni effaith a roddir ar y deunydd gronyn/swbstrad yn cael ei drawsnewid yn wres lleol 40. Ar ben hynny, pan roddir straen effaith, cyflawnir cyfraddau straen plastig uchel yn rhanbarth cyswllt y gronyn/swbstrad mewn amser byr iawn 41,42.
Yn gyffredinol, ystyrir bod anffurfiad plastig yn broses o wasgaru ynni, neu'n fwy penodol, yn ffynhonnell wres yn y rhanbarth rhyngwynebol. Fodd bynnag, fel arfer nid yw'r cynnydd tymheredd yn y rhanbarth rhyngwynebol yn ddigonol i gynhyrchu toddi rhyngwynebol neu i hyrwyddo rhyng-drylediad atomig yn sylweddol. Nid oes unrhyw gyhoeddiad sy'n hysbys i'r awduron yn ymchwilio i effaith priodweddau'r powdrau gwydrog metelaidd hyn ar adlyniad a dyddodiad powdr sy'n digwydd pan ddefnyddir dulliau chwistrellu oer.
Gellir gweld BFI powdr aloi MG Cu50Zr20Ni30 yn Ffig. 12a, a oedd wedi'i orchuddio ar swbstrad SUS 304 (Ffigau 11, 12b). Fel y gwelir o'r ffigur, mae'r powdrau wedi'u gorchuddio yn cynnal eu strwythur amorffaidd gwreiddiol gan fod ganddynt strwythur labyrinth cain heb unrhyw nodweddion crisialog na diffygion dellt. Ar y llaw arall, mae'r ddelwedd yn dangos presenoldeb cyfnod allanol, fel yr awgrymir gan nanoronynnau wedi'u hymgorffori yn y matrics powdr wedi'i orchuddio ag MG (Ffig. 12a). Mae Ffigur 12c yn darlunio'r patrwm diffractiad nanobeam mynegeiedig (NBDP) sy'n gysylltiedig â rhanbarth I (Ffigur 12a). Fel y dangosir yn Ffig. 12c, mae NBDP yn arddangos patrwm trylediad halo gwan o strwythur amorffaidd ac yn cydfodoli â chlytiau miniog sy'n cyfateb i'r cyfnod CuO metasefydlog ciwbig mawr crisialog Zr2Ni ynghyd â thetragonal. Gellir priodoli ffurfio CuO i ocsideiddio'r powdr wrth deithio o ffroenell y gwn chwistrellu i SUS 304 yn yr awyr agored o dan lif uwchsonig. Ar y llaw arall, cyflawnodd dad-wydreiddio'r powdrau gwydrog metelaidd ffurfio cyfnodau ciwbig mawr ar ôl triniaeth chwistrellu oer ar 550 °C am 30 munud.
(a) Delwedd FE-HRTEM o bowdr MG wedi'i orchuddio ar (b) swbstrad SUS 304 (mewnosodiad y ffigur). Dangosir mynegai NBDP y symbol crwn a ddangosir yn (a) yn (c).
I wirio'r mecanwaith posibl hwn ar gyfer ffurfio nanoronynnau ciwbig Zr2Ni mawr, perfformiwyd arbrawf annibynnol. Yn yr arbrawf hwn, chwistrellwyd y powdrau o wn chwistrellu ar 550 °C i gyfeiriad y swbstrad SUS 304; fodd bynnag, i egluro effaith anelio'r powdrau, cawsant eu tynnu o'r stribed SUS304 cyn gynted â phosibl (tua 60 eiliad). Cynhaliwyd set arall o arbrofion lle tynnwyd powdr o'r swbstrad tua 180 eiliad ar ôl ei ddyddodi.
Mae Ffigurau 13a,b yn dangos delweddau maes tywyll (DFI) a gafwyd trwy ficrosgopeg electron trawsyrru sganio (STEM) o ddau ddeunydd wedi'u chwistrellu a adneuwyd ar swbstradau SUS 304 am 60 eiliad a 180 eiliad, yn y drefn honno. Nid oes gan y ddelwedd powdr a adneuwyd am 60 eiliad unrhyw fanylion morffolegol, gan ddangos diffyg nodwedd (Ffig. 13a). Cadarnhawyd hyn hefyd gan XRD, a ddangosodd fod strwythur cyffredinol y powdrau hyn yn amorffaidd, fel y nodir gan y maxima diffractiad cynradd ac eilaidd eang a ddangosir yn Ffigur 14a. Mae'r rhain yn dangos absenoldeb gwaddod metasefydlog/mesoffas, lle mae'r powdr yn cadw ei strwythur amorffaidd gwreiddiol. Mewn cyferbyniad, dangosodd y powdr a chwistrellwyd ar yr un tymheredd (550 °C), ond a adawyd ar y swbstrad am 180 eiliad, waddodiad grawn nano-faint, fel y nodir gan y saethau yn Ffig. 13b.