Kiitos vierailustasi Nature.comissa. Käyttämäsi selainversio tukee rajoitetusti CSS:ää. Parhaan kokemuksen saamiseksi suosittelemme käyttämään päivitettyä selainta (tai poistamaan yhteensopivuustilan Internet Explorerissa). Tällä välin tuen jatkamisen varmistamiseksi näytämme sivuston ilman tyylejä ja JavaScriptiä.
Biofilmit ovat tärkeä osa kroonisten infektioiden kehittymistä, varsinkin kun kyseessä ovat lääkinnälliset laitteet. Tämä ongelma on valtava haaste lääketieteelliselle yhteisölle, sillä tavanomaiset antibiootit pystyvät hävittämään biofilmejä vain hyvin rajoitetusti. Biofilmin muodostumisen estäminen on johtanut erilaisten pinnoitusmenetelmien ja uusien materiaalien kehittämiseen. Näillä menetelmillä pyritään pinnoittamaan pintoja tavalla, joka estää biokalvon muodostumisen. bial coatings.Samaan aikaan kylmäsuihkutekniikan käyttö on lisääntynyt, koska se on sopiva menetelmä lämpötilaherkkien materiaalien käsittelyyn.Osaan tämän tutkimuksen tarkoituksena oli kehittää uusi antibakteerinen kalvometallilasi, joka koostuu kolmiosaisesta Cu-Zr-Ni:stä mekaanisen seostustekniikan avulla. Lopputuotteen muodostavaa pallomaista jauhetta käytetään matalan lämpötilan metallisuihkutetun lasin yhteisruiskutuspinnan raaka-aineena. pystyivät vähentämään merkittävästi biofilmin muodostumista vähintään 1 logilla ruostumattomaan teräkseen verrattuna.
Kautta ihmiskunnan historian mikä tahansa yhteiskunta on kyennyt suunnittelemaan ja edistämään uusien materiaalien käyttöönottoa, jotka täyttävät sen erityisvaatimukset, mikä on johtanut parempaan suorituskykyyn ja sijoitukseen globalisoituneessa taloudessa1. Sen on aina katsottu johtuvan ihmisen kyvystä kehittää materiaaleja ja valmistuslaitteita sekä materiaalien valmistukseen ja karakterisointiin liittyviä suunnitelmia saavuttaakseen hyötyjä terveydenhuollon, koulutuksen, teollisuuden, talouden, kulttuurin ja muiden alojen alalla yhdestä maasta tai alueesta riippumatta.2 60 vuoden ajan materiaalitutkijat ovat omistaneet suuren osan ajastaan ​​keskittyäkseen yhteen pääasiaan: uusien ja huippuluokan materiaalien tavoittelemiseen. Viimeaikaisessa tutkimuksessa on keskitytty olemassa olevien materiaalien laadun ja suorituskyvyn parantamiseen sekä täysin uudentyyppisten materiaalien syntetisoimiseen ja keksimiseen.
Seosalkuaineiden lisääminen, materiaalin mikrorakenteen muuttaminen ja termisten, mekaanisten tai termomekaanisten prosessointitekniikoiden soveltaminen ovat johtaneet merkittäviin parannuksiin useiden eri materiaalien mekaanisissa, kemiallisissa ja fysikaalisissa ominaisuuksissa. Lisäksi tähän asti ennenkuulumattomia yhdisteitä on syntetisoitu onnistuneesti tässä vaiheessa. Nämä pitkäjänteiset ponnistelut ovat synnyttäneet uuden materiaaliperheen, joka tunnetaan nanokokonaisuutena. hiukkaset, nanoputket, kvanttipisteet, nollaulotteiset, amorfiset metallilasit ja korkean entropian metalliseokset ovat vain esimerkkejä edistyneistä materiaaleista, joita on tuotu maailmaan viime vuosisadan puolivälistä lähtien. Kun valmistetaan ja kehitetään uusia seoksia, joilla on ylivoimaiset ominaisuudet joko lopputuotteessa tai sen valmistuksen välivaiheessa, ongelmana on usein kudosten purkaminen tekniikasta merkittävästi. tasapaino, kokonaan uusi metastabiilien metalliseosten luokka, joka tunnetaan nimellä metallilasit, on löydetty.
Hänen työnsä Caltechissa vuonna 1960 toi vallankumouksen metalliseosten käsitteeseen, kun hän syntetisoi lasimaisia ​​Au-25 at.% Si-seoksia jähmettämällä nesteitä nopeasti lähes miljoonalla astetta sekunnissa. MG-seosten synteesissä lähes kaikki metallilasit on valmistettu kokonaan käyttämällä jotakin seuraavista menetelmistä;(i) sulan tai höyryn nopea jähmettyminen, (ii) hilan atomijärjestys, (iii) puhtaiden metallialkuaineiden väliset solid-state-amorfisaatioreaktiot ja (iv) metastabiilien faasien solid-state-siirtymät.
MG:t erottuvat siitä, että niillä ei ole kiteisiin liittyvää pitkän kantaman atomijärjestystä, mikä on kiteille ominaista ominaisuutta. Nykymaailmassa metallilasin alalla on tapahtunut suurta edistystä. Ne ovat uusia materiaaleja, joilla on mielenkiintoisia ominaisuuksia ja jotka kiinnostavat paitsi kiinteän olomuodon fysiikkaa, myös metallurgiassa, pintakemiassa, teknologiassa, materiaalissa, joka on erillinen ominaisuus metallista. teknologiset sovellukset useilla aloilla. Niillä on joitakin tärkeitä ominaisuuksia;(i) korkea mekaaninen sitkeys ja myötölujuus, (ii) korkea magneettinen permeabiliteetti, (iii) alhainen koersitiivisuus, (iv) epätavallinen korroosionkestävyys, (v) lämpötilariippumattomuus. Johtavuus 6,7.
Mekaaninen seostus (MA)1,8 on suhteellisen uusi tekniikka, jonka ensimmäisen kerran otettiin käyttöön vuonna 19839 prof. CC Kockin ja kollegoiden toimesta. He valmistivat amorfisia Ni60Nb40-jauheita jauhamalla puhtaiden alkuaineiden seosta ympäristön lämpötiloissa, jotka ovat hyvin lähellä huoneen lämpötilaa.Tyypillisesti MA-reaktio suoritetaan lähtöaineen jauheiden diffuusiokytkennän välillä reaktorissa, joka on yleensä valmistettu ruostumattomasta teräksestä kuulamyllyksi 10 (kuvat 1a, b). Siitä lähtien tätä mekaanisesti indusoitua solid-state-reaktiotekniikkaa on käytetty uusien amorfisten/metallisten lasiseosten jauheiden valmistamiseen käyttämällä matalan, korkean jauheen, mm. 12,13,14,15 , 16. Tätä menetelmää on käytetty erityisesti sekoittumattomien järjestelmien, kuten Cu-Ta17, sekä korkean sulamispisteen metalliseosten kuten Al-siirtymämetallijärjestelmien (TM; Zr, Hf, Nb ja Ta)18,19 ja Fe-W20 valmistukseen, joita ei voida saavuttaa nanoteknologian tehokkaimpana nanoteknologian keinona toisella valmistusmenetelmällä. metallioksidien, karbidien, nitridien, hydridien, hiilinanoputkien, nanotimanttien kiteiset ja nanokomposiittijauhehiukkaset sekä laaja stabilointi ylhäältä alas -lähestymistavan 1 ja metastabiilien vaiheiden kautta.
Kaavio, joka esittää valmistusmenetelmän, jota on käytetty Cu50(Zr50−xNix) metallilasin (MG) pinnoitteen/SUS 304:n valmistukseen tässä tutkimuksessa.(a) MG-lejeeringin jauheiden valmistus erilaisilla Ni-pitoisuuksilla x (x; 10, 20, 30 ja 40 at. %) matalaenergialla kuulajyrsintätekniikkaa. ed He-ilmakehällä täytettyyn hansikaslokeroon.(c) Läpinäkyvä malli jauhatusastiasta, joka havainnollistaa pallon liikettä hionnan aikana. Jauheen lopputuotetta, joka saatiin 50 tunnin kuluttua, käytettiin SUS 304 -substraatin pinnoittamiseen käyttämällä kylmäsumutusmenetelmää (d).
Irtomateriaalipintojen (substraattien) pintasuunnitteluun kuuluu pintojen (substraattien) suunnittelu ja muokkaaminen tiettyjen fysikaalisten, kemiallisten ja teknisten ominaisuuksien saamiseksi, jotka eivät sisälly alkuperäiseen bulkkimateriaaliin. Joitakin ominaisuuksia, joita voidaan tehokkaasti parantaa pintakäsittelyillä, ovat hankauskestävyys, hapettumisen ja korroosionkestävyys, eristyskerroin parannettu käyttämällä kasvojen kitkakerrointa, sähköisten ominaisuuksien parantaminen, bio-inertyvyys. metallurgiset, mekaaniset tai kemialliset tekniikat.Tunnetuna prosessina pinnoite määritellään yksinkertaisesti yhdeksi tai useiksi kerroksiksi materiaalia, joka on keinotekoisesti kerrostettu toisesta materiaalista tehdyn bulkkiesineen (substraatin) pinnalle. Siten pinnoitteita käytetään osittain haluttujen teknisten tai koristeellisten ominaisuuksien saavuttamiseen sekä materiaalien suojaamiseen odotettavissa olevilta kemiallisilta ja fysikaalisilla vuorovaikutuksilta ympäröivän ympäristön kanssa23.
Sopivien pintasuojakerrosten kerrostamiseksi, joiden paksuus vaihtelee muutamasta mikrometristä (alle 10-20 mikrometristä) yli 30 mikrometriin tai jopa muutamaan millimetriin, voidaan soveltaa monia menetelmiä ja tekniikoita. Päällystysprosessit voidaan yleensä jakaa kahteen luokkaan: (i) märkäpinnoitusmenetelmät, mukaan lukien galvanointi, sähkötön pinnoitus ja fysikaalinen pinnoitus, pinnoitus ja kuumasinkitys, pinnoitus, pinnoitus, pinnoitus ja kuumasinkitys. höyrypinnoitus (PVD), kemiallinen höyrypinnoitus (CVD), lämpösumutustekniikat ja viime aikoina kylmäsumutustekniikat 24 (kuva 1d).
Biofilmit määritellään mikrobiyhteisöiksi, jotka ovat kiinnittyneet peruuttamattomasti pintoihin ja joita ympäröivät itse tuotetut solunulkoiset polymeerit (EPS). Pinnallisesti kypsä biokalvon muodostuminen voi johtaa merkittäviin menetyksiin monilla teollisuuden aloilla, mukaan lukien elintarviketeollisuus, vesijärjestelmät ja terveydenhuoltoympäristöt. Ihmisillä, kun biokalvot muodostuvat, yli 80 %:lla tapauksista mikrobi- ja enterobakteeri- ja enterobakteeri-infektiot ovat on vaikea hoitaa.Lisäksi kypsien biofilmien on raportoitu olevan 1000 kertaa vastustuskykyisempiä antibioottihoidolle verrattuna planktonbakteerisoluihin, mitä pidetään suurena terapeuttisena haasteena. Perinteisistä orgaanisista yhdisteistä johdettuja antimikrobisia pintapäällystemateriaaleja on käytetty historiallisesti.Vaikka tällaiset materiaalit sisältävät usein myrkyllisiä ainesosia, jotka voivat auttaa välttämään bakteerien leviämisen ja tuhoutumisriskin2.
Bakteerien laajalle levinnyt vastustuskyky antibioottikäsittelyille biofilmin muodostumisen vuoksi on johtanut tarpeeseen kehittää tehokas antimikrobisella kalvopäällysteinen pinta, jota voidaan käyttää turvallisesti27. Fysikaalisen tai kemiallisen tarttumista estävän pinnan kehittäminen, johon bakteerisolut estyvät sitoutumasta ja rakentamasta biofilmejä adheesion vuoksi, on ensimmäinen lähestymistapa tässä prosessissa27. Toinen teknologia on juuri siinä, missä tarvitaan mikrobien vastaisia ​​kemikaaleja, jotka mahdollistavat niiden kehittämisen. tiivistettyjä ja räätälöityjä määriä.Tämä saavutetaan kehittämällä ainutlaatuisia pinnoitemateriaaleja, kuten grafeeni/germanium28, musta timantti29 ja ZnO-seostettu timanttimainen hiilipinnoite30, jotka kestävät bakteereja. Teknologia, joka maksimoi myrkyllisyyden ja resistenssin kehittymisen biofilmin muodostumisen vuoksi, vähenee merkittävästi. Lisäksi pinnoitteet, jotka lisäävät pintasuojausta bakteereilta pitkäkestoisiksi tartuntakemikaaleihin, ovat yhä suositumpia. pystyvät tuottamaan antimikrobisia vaikutuksia pinnoitetuille pinnoille, niillä jokaisella on omat rajoituksensa, jotka tulee ottaa huomioon levitysstrategioita kehitettäessä.
Tällä hetkellä markkinoilla olevia tuotteita haittaa, koska aika ei riitä biologisesti aktiivisten ainesosien suojaavien pinnoitteiden analysointiin ja testaamiseen. Yritykset väittävät, että niiden tuotteet tarjoavat käyttäjille toivottuja toiminnallisia ominaisuuksia;Tämä on kuitenkin ollut este markkinoilla olevien tuotteiden menestykselle. Hopeasta johdettuja yhdisteitä käytetään suurimmassa osassa kuluttajien saatavilla olevista antimikrobisista hoidoista. Nämä tuotteet on kehitetty suojaamaan käyttäjiä mikro-organismien mahdollisesti vaarallisilta vaikutuksilta. Hopeayhdisteiden viivästynyt antimikrobinen vaikutus ja siihen liittyvä globaali myrkyllisyys lisää tutkijoiden painetta kehittää vähemmän haitallisia mikrobilääkeaineita. selvittäminen on edelleenkin pelottava tehtävä. Tämä johtuu siihen liittyvistä sekä terveydelle että turvallisuudelle aiheutuvista riskeistä.Ihmisille vähemmän haitallisen antimikrobisen aineen löytäminen ja sen lisääminen pidempään säilyvisiin pinnoitusubstraatteihin on erittäin haluttu tavoite38. Viimeisimmät antimikrobiset ja bakteerien vastaiset aineet vapautuvat joko suoran kosketuksen kautta. bakteerien alkuperäisen adheesion estäminen (mukaan lukien proteiinikerroksen muodostumisen estäminen pinnalla) tai tappamalla bakteereita häiritsemällä soluseinää.
Pohjimmiltaan pintapinnoitus on prosessi, jossa komponentin pinnalle asetetaan toinen kerros pintaan liittyvien ominaisuuksien parantamiseksi. Pintapinnoituksen tavoitteena on räätälöidä komponentin pinta-alueen mikrorakennetta ja/tai koostumusta39. Pintapinnoitustekniikat voidaan jakaa eri menetelmiin, jotka on tiivistetty kuvassa 2a. Käytetyt fysikaaliset, kemialliset ja osaluokitukset voidaan jakaa käytetyistä sähkö-, kemiallisista ja alakategorioista riippuen. syöminen.
(a) Inset, joka näyttää tärkeimmät pinnassa käytetyt valmistustekniikat, ja (b) valitut kylmäsuihkutustekniikan edut ja haitat.
Kylmäsumutustekniikalla on monia yhtäläisyyksiä perinteisten lämpösumutusmenetelmien kanssa. On kuitenkin myös joitain keskeisiä perusominaisuuksia, jotka tekevät kylmäsuihkutusprosessista ja kylmäsuihkutusmateriaalista erityisen ainutlaatuisia. Kylmäsumutustekniikka on vielä lapsenkengissään, mutta sillä on valoisa tulevaisuus. Tietyissä sovelluksissa kylmäsuihkun ainutlaatuiset ominaisuudet tarjoavat suuria etuja, sillä ne voivat voittaa perinteisten lämpösuihkutusmenetelmien luontaiset rajoitukset. Se tarjoaa merkittäviä rajoituksia ruiskutustekniikan sulattamiseen tilauksen aikana. e. Tämä perinteinen päällystysprosessi ei tietenkään sovellu erittäin lämpötilaherkille materiaaleille, kuten nanokiteille, nanohiukkasille, amorfisille ja metallilaseille40, 41, 42. Lisäksi lämpösuihkupinnoitemateriaalit ovat aina huokoisia ja oksideja. valinnat, (iii) faasimuutoksen ja rakeiden kasvun puuttuminen, (iv) korkea sidoslujuus1,39 (kuva 1).2b).Lisäksi kylmäsuihkutuspinnoitemateriaaleilla on korkea korroosionkestävyys, korkea lujuus ja kovuus, korkea sähkönjohtavuus ja korkea tiheys41. Toisin kuin kylmäsuihkutusprosessin edut, tämän tekniikan käyttämisessä on edelleen joitain haittoja, kuten kuvassa 2b. Kun pinnoitetaan puhtaita keraamisia jauheita, kuten Al2O3, TiO2, WC, jne., ei voi käyttää kylmää ruiskutusmenetelmää, keramiikkaa jne. jauheita voidaan käyttää pinnoitteiden raaka-aineina. Sama pätee muihin lämpöruiskutusmenetelmiin. Monimutkaiset pinnat ja putkien sisäpinnat ovat edelleen vaikeita ruiskuttaa.
Koska nykyisessä työssä pyritään käyttämään metallisia lasimaisia ​​jauheita raaka-aineina, on selvää, että tavanomaista lämpösumutusta ei voida käyttää tähän tarkoitukseen. Tämä johtuu siitä, että metalliset lasimaiset jauheet kiteytyvät korkeissa lämpötiloissa1.
Suurin osa lääketeollisuudessa ja elintarviketeollisuudessa käytetyistä työkaluista on valmistettu austeniittisista ruostumattomista teräslejeeringeistä (SUS316 ja SUS304), joiden kromipitoisuus on 12-20 painoprosenttia kirurgisten instrumenttien valmistukseen. On yleisesti hyväksyttyä, että kromimetallin käyttö seosaineena terässeoksissa voi parantaa huomattavasti niiden korroosionkestävyyttä, huolimatta teräksen korroosionkestävyydestä. vastustuskykyisiä, eivät osoita merkittäviä antimikrobisia ominaisuuksia38, 39. Tämä on ristiriidassa niiden korkean korroosionkestävyyden kanssa. Tämän jälkeen voidaan ennustaa infektion ja tulehduksen kehittymistä, joka johtuu pääasiassa bakteerien tarttumisesta ja kolonisaatiosta ruostumattoman teräksen biomateriaalien pinnalle. Merkittäviä vaikeuksia voi syntyä merkittävistä terveydellisistä vaikeuksista, jotka voivat johtaa bakteerien muodostumiseen, biokalvon hajoamiseen, joka voi johtaa moniin biofilmeihin. jotka voivat suoraan tai välillisesti vaikuttaa ihmisten terveyteen.
Tämä tutkimus on ensimmäinen vaihe Kuwait Foundation for the Advancement of Sciencen (KFAS) rahoittamassa hankkeessa, sopimus nro 2010-550401. Tarkoituksena on tutkia metallisten lasimaisten Cu-Zr-Ni-terästen jauheiden valmistuksen toteutettavuutta MA-teknologialla (taulukko 1 ) antibakteerisen kalvon tuotantoa varten. , tutkii yksityiskohtaisesti järjestelmän sähkökemiallisia korroosio-ominaisuuksia ja mekaanisia ominaisuuksia. Eri bakteerilajeille tehdään yksityiskohtaisia ​​mikrobiologisia testejä.
Tässä artikkelissa käsitellään Zr-seosainepitoisuuden vaikutusta lasinmuodostuskykyyn (GFA) morfologisten ja rakenteellisten ominaisuuksien perusteella. Lisäksi käsiteltiin pinnoitetun metallilasijauhemaalin/SUS304-komposiitin antibakteerisia ominaisuuksia. Lisäksi nykyistä työtä on tehty tutkimaan mahdollisuutta, että metallisen lasin ruiskutusalueella esiintyy rakenteellisia muutoksia metallisen lasin ruiskutusalueella. esimerkkejä, Cu50Zr30Ni20 ja Cu50Zr20Ni30 metallilasiseoksia on käytetty tässä tutkimuksessa.
Tässä osiossa on esitetty alkuaine Cu-, Zr- ja Ni-jauheiden morfologiset muutokset matalaenergisessä kuulajauhatuksessa. Havainnollistavina esimerkkeinä käytetään kahta erilaista järjestelmää, jotka koostuvat Cu50Zr20Ni30:stä ja Cu50Zr40Ni10:stä. Esimerkkeinä MA-prosessi voidaan jakaa kolmeen erilliseen vaiheeseen, kuten jauheen jauhatusvaiheen metallografinen karakterisointi osoittaa3.
Kuulajauhatusajan eri vaiheiden jälkeen saatujen mekaanisten metalliseosten (MA) jauheiden metallografiset ominaisuudet. Kenttäemissiopyyhkäisyelektronimikroskoopilla (FE-SEM) kuvatut MA- ja Cu50Zr40Ni10-jauheet, jotka on saatu 3, 12 ja 50 tunnin alhaisen energian kuulajauhatusajan jälkeen, on esitetty kohdissa (a), (c) ja (c) ja (c) ja (e) vastaavat järjestelmän Cu50Z0-kuvat. Cu50Zr40Ni10-järjestelmästä, jotka on otettu ajan jälkeen, on esitetty kohdissa (b), (d) ja (f).
Kuulajyrsinnän aikana metallijauheeseen siirrettävissä olevaan teholliseen kineettiseen energiaan vaikuttaa parametrien yhdistelmä, kuten kuvassa 1a näkyy. Tämä sisältää pallojen ja jauheiden väliset törmäykset, jauhatusaineen väliin tai niiden väliin jääneen jauheen puristusleikkauksen, putoavien pallojen törmäyksen, liikkuvan kuulajyrsintäaineen välisen jauheen vedon aiheuttaman leikkauksen ja kulumisen sekä putoavan kuulan ja putoavan pallon läpi kulkevan paineaallon. Ni-jauheet muuttivat vakavasti muotoaan kylmähitsauksen seurauksena MA:n alkuvaiheessa (3 h), jolloin muodostui suuria jauhehiukkasia (halkaisijaltaan > 1 mm). Näille suurille komposiittihiukkasille on ominaista paksujen seosainekerrosten muodostuminen (Cu, Zr, Ni), kuten kuvassa 3a,b. komposiittijauheen koostumus hienojakoisiksi jauheiksi (alle 200 µm), kuten kuvassa 3c, d. Tässä vaiheessa käytetty leikkausvoima johtaa uuden metallipinnan muodostumiseen, jossa on hienoja Cu, Zr, Ni vihjekerroksia, kuten kuvassa 3c, d. Kerroksen jalostuksen seurauksena kiinteän faasin reaktiot syntyvät rajapinnalle.
MA-prosessin huipentumahetkellä (50 tunnin kuluttua) hiutalemetallografia oli vain heikosti näkyvissä (kuvat 3e,f), mutta jauheen kiillotetussa pinnassa näkyi peilimetallografia. Tämä tarkoittaa, että MA-prosessi on saatu päätökseen ja yksi reaktiofaasi on syntynyt. FE-SEM) yhdistettynä energiaa dispersiiviseen röntgenspektroskopiaan (EDS) (IV).
Taulukossa 2 seostettujen alkuaineiden alkuainepitoisuudet on esitetty prosentteina kunkin kuvassa 3e, f valitun alueen kokonaispainosta. Kun näitä tuloksia verrataan taulukossa 1 lueteltuihin Cu50Zr20Ni30:n ja Cu50Zr40Ni10:n lähtönimelliskoostumuksiin, voidaan nähdä, että näiden kahden tuotteen lopullisilla aineosien koostumuksilla on hyvin samankaltaisia ​​nimellisarvoja. kuvassa 3e, f luetellut alueet eivät tarkoita kunkin näytteen koostumuksen merkittävää heikkenemistä tai vaihtelua alueelta toiselle. Tästä on osoituksena se tosiasia, että koostumuksessa ei tapahdu muutoksia alueelta toiselle. Tämä viittaa homogeenisten seosjauheiden tuotantoon, kuten taulukossa 2 esitetään.
FE-SEM-mikrokuvat lopputuotteesta Cu50(Zr50−xNix) jauheesta saatiin 50 MA-ajan jälkeen, kuten kuvassa 4a–d esitetään, missä x on 10, 20, 30 ja 40 at.%, tässä järjestyksessä. Tämän jauhatusvaiheen jälkeen jauhe aggregoituu halkaisijaltaan van der Waalsin jauheen muodostuessa, jolloin muodostuu suuria ryhmittymiä. 73 - 126 nm, kuten kuvassa 4 esitetään.
50 tunnin MA-ajan jälkeen saatujen Cu50(Zr50−xNix)-jauheiden morfologiset ominaisuudet. Cu50Zr40Ni10-, Cu50Zr30Ni20-, Cu50Zr20Ni30-, Cu50Zr10Ni40-järjestelmille jauheiden FE-SEM-kuvat on esitetty kohdassa 5c) (d)), (.b) ajat, jotka on saatu 50 tunnin jälkeen.
Ennen jauheiden lataamista kylmäsuihkusyöttimeen niitä sonikoitiin ensin analyyttisessä etanolissa 15 minuuttia ja sitten niitä kuivattiin 150°C:ssa 2 tuntia. Tämä vaihe on suoritettava, jotta voidaan torjua onnistuneesti agglomeraatiota, joka usein aiheuttaa monia merkittäviä ongelmia koko päällystysprosessin aikana. MA-prosessin päätyttyä tehtiin lisäkarakterisaatioita jauheen homogeenisyyden selvittämiseksi. EM-mikrokuvat ja vastaavat EDS-kuvat Cu50Zr30Ni20-lejeeringin Cu-, Zr- ja Ni-seoselementeistä, jotka on saatu 50 tunnin M-ajan jälkeen. On huomattava, että tämän vaiheen jälkeen valmistetut seosjauheet ovat homogeenisia, koska ne eivät osoita koostumuksen vaihteluita kuvassa 5 esitetyn ala-nanometrin tason yli.
MG Cu50Zr30Ni20-jauheen morfologia ja paikallinen alkuainejakauma, joka on saatu 50 MA-kerran jälkeen FE-SEM/energiadispersiivisellä röntgenspektroskopialla (EDS).(a) SEM- ja röntgen-EDS-kartoitus (b) Cu-Ka-, (c) Zr-Lα- ja (d) Ni-Ka-kuville.
50 tunnin MA-ajan jälkeen saatujen mekaanisesti seostettujen Cu50Zr40Ni10-, Cu50Zr30Ni20-, Cu50Zr20Ni30- ja Cu50Zr20Ni30-jauheiden XRD-kuviot on esitetty vastaavasti kuvissa 6a–d. Tämän vaiheen jälkeen jyrsintävaiheessa eri halogeenipitoisuuksilla on esitetty kaikki näytteet eri Zmor-pitoisuuksilla. kuva 6.
(a) Cu50Zr40Ni10-, (b) Cu50Zr30Ni20-, (c) Cu50Zr20Ni30- ja (d) Cu50Zr20Ni30-jauheiden XRD-kuviot 50 tunnin MA-ajan jälkeen. Kaikki näytteet poikkeuksetta osoittivat halo-diffuusiokuvion, mikä viittaa faasin muodostumiseen.
Kenttäemission korkearesoluutioisen transmissioelektronimikroskoopin (FE-HRTEM) avulla havainnoitiin rakenteellisia muutoksia ja ymmärrettiin jauheiden paikallista rakennetta kuulajauhatuksesta eri MA-aikoina.Fe-HRTEM-kuvia jauheista, jotka saatiin jauheen varhaisen (6 h) ja välivaiheen (18 h) jälkeen jauhamisen jälkeen jauheille Cu50Zr30NiZr40, are7ac1020 ja Cu50NiZr4s. ly. MA​​ 6 tunnin jälkeen tuotetun jauheen kirkaskenttäkuvan (BFI) mukaan jauhe koostuu suurista rakeista, joiden alkuaineiden fcc-Cu, hcp-Zr ja fcc-Ni rajat ovat tarkasti määritellyt, eikä ole merkkejä siitä, että reaktiovaihe olisi muodostunut, kuten kuvassa 7a näkyy. p-diffraktiokuvio (kuvio 7b), joka osoittaa suurten kristalliittien läsnäolon ja reaktiivisen faasin puuttumisen.
Varhaisen (6 h) ja välivaiheen (18 h) jälkeen saadun MA-jauheen paikallinen rakenteellinen karakterisointi.(a) Kenttäemission korkearesoluutioinen transmissioelektronimikroskooppi (FE-HRTEM) ja (b) Cu50Zr30Ni20-jauheen vastaava valittu aluediffraktiokuvio (SADP) on MA-käsittelyn jälkeen 6 tunnin ajan. c).
Kuten kuvasta 7c näkyy, MA-ajan pidentäminen 18 tuntiin johti vakaviin hilavirheisiin yhdistettynä plastiseen muodonmuutokseen. Tämän MA-prosessin välivaiheen aikana jauheessa on erilaisia ​​vikoja, kuten pinoamisvirheitä, hilavirheitä ja pistevirheitä (Kuva 7). Nämä viat aiheuttavat pienempien raekokojen rajoittumisen suuriin rakeisiin. nm (kuvio 7c).
36 h MA-ajan jauhetun Cu50Z30Ni20-jauheen paikallisessa rakenteessa on muodostunut ultrahienoja nanorakeita upotettuna amorfiseen hienojakoiseen matriisiin, kuten kuvassa 8a. Paikallinen EDS-analyysi osoitti, että ne kuvassa 8a esitetyt nanoklusterit liittyivät käsittelemättömiin Cu-, Zr- ja Ni-jauheen pitoisuuksiin samaan aikaan matriisin sekoituselementeistä. laiha alue) ~74 at.%:iin (rikas alue), mikä osoittaa heterogeenisten tuotteiden muodostumista. Lisäksi tässä vaiheessa jauhamisen jälkeen saatujen jauheiden vastaavat SADP:t osoittavat halogeenia hajottavia primäärisiä ja sekundaarisia amorfisen faasin renkaita, jotka ovat päällekkäin näihin raakaseosaineisiin liittyvien terävien kärkien kanssa, kuten kuvassa 8b.
Yli 36 h-Cu50Zr30Ni20-jauheen nanomittakaavan paikalliset rakenteelliset ominaisuudet.(a) Kirkaskenttäkuva (BFI) ja vastaava (b) Cu50Zr30Ni20-jauheen SADP, joka on saatu 36 tunnin MA-ajan jauhatuksen jälkeen.
Lähellä MA-prosessin loppua (50 h), Cu50(Zr50-xNix), X;10, 20, 30 ja 40 at.% jauheilla on poikkeuksetta labyrinttimainen amorfinen faasimorfologia, kuten on esitetty kuvissa 9a–d. Kunkin koostumuksen vastaavassa SADP:ssä ei voitu havaita pistemäisiä diffraktioita tai teräviä rengaskuvioita. Tämä osoittaa, että prosessoimatonta kiteistä jauhemaista metallia ei ole muodostunut, vaan läsnä on pikemminkin diffuusiota kiteistä metallia. kuvioita käytettiin myös todisteena amorfisten faasien kehittymiselle lopputuotemateriaalissa.
MG Cu50 (Zr50−xNix) -järjestelmän lopputuotteen paikallinen rakenne. (a) Cu50Zr40Ni10:n, (b) Cu50Zr30Ni20:n, (c) Cu50Zr20Ni30:n ja (d) Cu50Zr20Ni30:n ja (d) Cu5040:n h10N5040:n jälkeen saadut FE-HRTEM ja korreloidut nanosädediffraktiokuviot (NBDP).
Lasittumislämpötilan (Tg), alijäähdytetyn nestealueen (ΔTx) ja kiteytyslämpötilan (Tx) lämpöstabiilisuutta amorfisen Cu50(Zr50−xNix) järjestelmän Ni-pitoisuuden (x) funktiona on tutkittu käyttämällä He-kaasuvirtauksen ominaisuuksien differentiaalista pyyhkäisykalorimetriaa (DSC). Amorfiset Zr10Ni40-lejeerinkijauheet, jotka on saatu 50 tunnin MA-ajan jälkeen, on esitetty vastaavasti kuvioissa 10a, b, e. Amorfisen Cu50Zr20Ni30:n DSC-käyrä on esitetty erikseen kuvassa 10c. Samaan aikaan Cu50Zr30Ni30-näyte on kuumennettu lämpötilassa FSC10 °C:ssa ~270.0.
50 tunnin MA-ajan jälkeen saatujen Cu50(Zr50−xNix) MG-jauheiden lämpöstabiilisuus indeksoituna lasittumislämpötilalla (Tg), kiteytyslämpötilalla (Tx) ja alijäähdytetyllä nestealueella (ΔTx). Differentiaalipyyhkäisykalorimetrin (DSC) termogrammit (a) Cu50Zr40Ni)10Zr40Ni) 20Ni30 ja (e) Cu50Zr10Ni40 MG-lejeerinkijauheet 50 tunnin MA-ajan jälkeen. Cu50Zr30Ni20-näytteen röntgendiffraktio (XRD) -kuvio, joka on kuumennettu ~700 °C:seen DSC:ssä, on esitetty kohdassa (d).
Kuten kuvasta 10 näkyy, kaikkien koostumusten DSC-käyrät, joissa on erilaisia ​​Ni-pitoisuuksia (x), osoittavat kahta eri tapausta, joista toinen on endoterminen ja toinen eksoterminen. Ensimmäinen endoterminen tapahtuma vastaa Tg:tä, kun taas toinen liittyy Tx:ään. Tg:n ja Tx:n välissä olevaa vaakasuoraa aluetta kutsutaan alijäähdytetyksi nestealueeksi (ΔTx = Tx – 400 Cu5i0) Tulokset osoittavat, että Tg100 Tx100500. näyte (kuva 10a), asetettu 526 °C:seen ja 612 °C:seen, siirrä pitoisuus (x) arvoon 20 at.% kohti matalan lämpötilan puolta 482 °C:ssa ja 563 °C:ssa Ni-pitoisuuden (x) kasvaessa, kuten kuvassa 10b. C Cu50Zr30Ni20:lle (kuva 10b). MG Cu50Zr40Ni10-seokselle havaittiin myös, että Tg:n, Tx:n ja ΔTx:n arvot laskivat 447 °C:n, 526 °C:n ja 79 °C:n tasolle (Kuva 10b osoittaa, että nikkelipitoisuuden lyijypitoisuuden aleneminen ay:ssa). sitä vastoin MG Cu50Zr20Ni30-lejeeringin Tg-arvo (507 °C) on pienempi kuin MG Cu50Zr40Ni10-seoksen;siitä huolimatta sen Tx on vertailukelpoinen arvo edelliseen (612 °C). Sen vuoksi ATx:llä on korkeampi arvo (87 °C), kuten kuvassa 10c on esitetty.
MG Cu50(Zr50-xNix)-järjestelmä, jossa esimerkkinä on MG Cu50Zr20Ni30-lejeerinki, kiteytyy terävän eksotermisen piikin kautta fcc-ZrCu5:n, ortorombisen-Zr7Cu10:n ja ortorombisen-Zr7Cu10:n ja ortorombisen-Zr7Cu10:n kidefaasiksi, että Xig. (kuvio 10d), joka kuumennettiin 700 °C:seen DSC:ssä.
Kuvassa 11 on esillä olevassa työssä tehdyn kylmäsuihkutusprosessin aikana otettuja valokuvia. Tässä tutkimuksessa antibakteerisina raaka-aineina käytettiin 50 tunnin MA-ajan jälkeen syntetisoituja metallilasimaisia ​​jauhehiukkasia (esimerkiksi Cu50Zr20Ni30) ja ruostumaton teräslevy (SUS304) on pinnoitettu lämpösuihkutustekniikalla kylmäsuihkutusmenetelmässä kylmäruiskutustekniikassa. spray-sarjaa ja sitä voidaan käyttää metallin metastabiileille lämpötilaherkille materiaaleille, kuten amorfisille ja nanokiteisille jauheille, jotka eivät ole alttiita faasisiirtymille. Tämä on tärkein tekijä tämän menetelmän valinnassa. Kylmäsumutusprosessi suoritetaan käyttämällä korkeanopeuksisia hiukkasia, jotka muuttavat hiukkasten kineettisen energian plastisiksi muodonmuutoksiksi, venymäksi ja lämmöksi joutuessaan iskeytymään hiukkassubstraatin kanssa.
Kenttäkuvissa näkyy kylmäsuihkutusmenetelmä, jota käytettiin viidellä peräkkäisellä MG coating/SUS 304 -valmisteella 550 °C:ssa.
Hiukkasten kineettinen energia, ja siten jokaisen hiukkasen liikemäärä pinnoitteen muodostuksessa, on muutettava muiksi energiamuodoiksi sellaisilla mekanismeilla kuin plastinen muodonmuutos (alkuperäinen hiukkasten ja hiukkasten välinen vuorovaikutus alustassa ja hiukkasten vuorovaikutus), onteloiden Konsolidaatio, partikkeli-partikkelikierto, jännitys ja lopulta kaikki lämpöenergia muuttuu kiinteäksi, 39. energia, tuloksena on elastinen törmäys, mikä tarkoittaa, että hiukkaset yksinkertaisesti pomppaavat takaisin törmäyksen jälkeen. On huomautettu, että 90 % hiukkaseen/substraattimateriaaliin kohdistetusta iskuenergiasta muuttuu paikalliseksi lämmöksi 40 .Lisäksi iskujännitystä käytettäessä saavutetaan suuret plastiset venymisnopeudet kosketushiukkasen/substraatin alueella41 erittäin lyhyessä ajassa.
Muovista muodonmuutosta pidetään yleensä energian hajauttamisprosessina tai tarkemmin sanottuna lämmönlähteenä rajapinta-alueella. Lämpötilan nousu rajapinnalla ei kuitenkaan yleensä riitä tuottamaan rajapinnan sulamista tai edistämään merkittävästi atomien välistä diffuusiota. Kirjoittajien tiedossa ei ole julkaisua, jossa ei ole tutkittu näiden metallisten lasimaisten jauheiden ominaisuuksien vaikutusta jauheen tarttumiseen ja suihkutusmenetelmiin.
MG Cu50Zr20Ni30 -seosjauheen BFI näkyy kuvassa 12a, joka pinnoitettiin SUS 304 -substraatille (kuvat 11, 12b). Kuten kuvasta voidaan nähdä, pinnoitetut jauheet säilyttävät alkuperäisen amorfisen rakenteensa, koska niissä on herkkä labyrinttirakenne tai kuvassa, jossa ei ole muita kiteisiä ominaisuuksia. faasi, kuten MG-päällystettyyn jauhematriisiin sisällytetyt nanopartikkelit ehdottavat (kuva 12a). Kuva 12c esittää indeksoitua nanosädediffraktiokuviota (NBDP), joka liittyy alueeseen I (kuvio 12a). Kuten kuvassa 12c on esitetty, NBDP:llä on heikko halogeenidiffuusiokuvio, joka vastaa laajaa kiderakennetta2 ja samanaikaista n-terävää kiderakennetta. metastabiili plus tetragonaalinen CuO-faasi. CuO:n muodostuminen voi johtua jauheen hapettumisesta kulkiessaan ruiskupistoolin suuttimesta SUS 304:ään ulkoilmassa yliäänivirtauksen alaisena. Toisaalta metallisten lasimaisten jauheiden devitrifikaatiolla saavutettiin suurien kuutiofaasien muodostuminen kylmäsuihkutuskäsittelyn jälkeen 550 °C lämpötilassa 550 °C.
(a) FE-HRTEM-kuva MG-jauhemaalatusta (b) SUS 304 -substraatille (kuvan sisäosa). Kohdassa (a) esitetyn pyöreän symbolin indeksi NBDP on esitetty kohdassa (c).
Tämän mahdollisen suurten kuutioiden Zr2Ni-nanohiukkasten muodostumismekanismin tarkistamiseksi suoritettiin riippumaton koe. Tässä kokeessa jauheet ruiskutettiin ruiskupistoolista 550 °C:ssa SUS 304 -substraatin suuntaan;Kuitenkin jauheiden hehkutusvaikutuksen selvittämiseksi ne poistettiin SUS304-liuskasta niin nopeasti kuin mahdollista (noin 60 sekuntia). Suoritettiin toinen koesarja, jossa jauhe poistettiin substraatista noin 180 sekuntia saostuksen jälkeen.
Kuvat 13a,b esittävät pimeän kentän kuvia (DFI), jotka on saatu pyyhkäisytransmissioelektronimikroskoopilla (STEM) kahdesta ruiskutetusta materiaalista, jotka on kerrostettu SUS 304 -substraateille 60 sekuntia ja 180 sekuntia. 60 sekuntia levitetyssä jauhekuvassa ei ole morfologisia yksityiskohtia, ja ne osoittavat näiden jauheen rakenteetttomuutta (kuvio 13a vahvisti myös tämän rakenteen olevan XRD). kuvassa 14a esitetyillä leveillä primaarisilla ja sekundaarisilla diffraktiomaksimilla. Nämä osoittavat metastabiilin/mesofaasisaostumisen puuttumista, jossa jauhe säilyttää alkuperäisen amorfisen rakenteensa. Sitä vastoin samassa lämpötilassa (550 °C) ruiskutettu jauhe, joka oli jätetty alustalle 180 sekunniksi, osoitti nanokokoisten jyvien saostumista.