Hvala što ste posjetili Nature.com.Verzija preglednika koju koristite ima ograničenu podršku za CSS.Za najbolje iskustvo preporučujemo da koristite ažurirani preglednik (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 razvoju kroničnih infekcija, posebice 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.Sprječavanje stvaranja biofilma dovelo je do razvoja različitih metoda premazivanja i novih materijala.Cilj ovih tehnika je premazivanje površina na način koji sprječava stvaranje biofilma.Staklaste metalne legure, posebno one koje sadrže metale bakra i titana, postale su idealni antimikrobni premazi.Istodobno se povećala upotreba tehnologije hladnog raspršivanja jer je to prikladna metoda za obradu materijala osjetljivih na temperaturu.Dio cilja ovog istraživanja bio je razviti novi antibakterijski film metalnog stakla koji se sastoji od trokomponentnog Cu-Zr-Ni korištenjem tehnika mehaničkog legiranja.Kuglasti prah koji čini konačni proizvod koristi se kao sirovina za hladno prskanje površina od nehrđajućeg čelika na niskim temperaturama.Podloge obložene metalnim staklom mogle su značajno smanjiti stvaranje biofilma za najmanje 1 log u usporedbi s nehrđajućim čelikom.
Kroz ljudsku povijest, svako je društvo bilo u mogućnosti razviti i promovirati uvođenje novih materijala kako bi zadovoljilo svoje specifične zahtjeve, što je rezultiralo povećanom produktivnošću i rangiranjem u globaliziranom gospodarstvu1.Oduvijek se pripisivao ljudskoj sposobnosti da dizajnira materijale i proizvodnu opremu, kao i dizajne za proizvodnju i karakterizaciju materijala za postizanje zdravlja, obrazovanja, industrije, ekonomije, kulture i drugih polja iz jedne zemlje ili regije u drugu.Napredak se mjeri bez obzira na zemlju ili regiju2.Tijekom 60 godina znanstvenici za materijale posvetili su mnogo vremena jednom glavnom zadatku: potrazi za novim i naprednim materijalima.Nedavna istraživanja usmjerena su na poboljšanje kvalitete i učinkovitosti postojećih materijala, kao i na sintezu i izum posve novih vrsta materijala.
Dodavanjem legirajućih elemenata, modificiranjem mikrostrukture materijala i primjenom toplinskih, mehaničkih ili termomehaničkih metoda obrade došlo je do značajnog poboljšanja mehaničkih, kemijskih i fizikalnih svojstava različitih materijala.Osim toga, uspješno su sintetizirani dosad nepoznati spojevi.Ovi uporni napori doveli su do nove obitelji inovativnih materijala zajednički poznatih kao Advanced Materials2.Nanokristali, nanočestice, nanocijevi, kvantne točke, nulta dimenzionalna, amorfna metalna stakla i visokoentropijske legure samo su neki od primjera naprednih materijala koji su se u svijetu pojavili od sredine prošlog stoljeća.U proizvodnji i razvoju novih legura s poboljšanim svojstvima, kako u konačnom proizvodu tako iu međufazama njegove proizvodnje, često se dodaje problem neuravnoteženosti.Kao rezultat uvođenja novih proizvodnih tehnika koje dopuštaju značajna odstupanja od ravnoteže, otkrivena je cijela nova klasa metastabilnih legura, poznatih kao metalna stakla.
Njegov rad u Caltechu 1960. revolucionirao je koncept metalnih legura kada je sintetizirao staklene legure Au-25 at.% Si brzim skrućivanjem tekućina pri gotovo milijun stupnjeva u sekundi.4 Otkriće profesora Paula Duvesa ne samo da je označilo početak povijesti metalnih naočala (MS), već je dovelo i do promjene paradigme u tome kako ljudi razmišljaju o metalnim legurama.Od prvih pionirskih istraživanja u sintezi MS legura, gotovo sva metalna stakla u potpunosti su dobivena pomoću jedne od sljedećih metoda: (i) brzo skrućivanje taline ili pare, (ii) poremećaj atomske rešetke, (iii) reakcije amorfizacije čvrstog stanja između čistih metalnih elemenata i (iv) prijelazi čvrste faze metastabilnih faza.
MG se razlikuju po odsutnosti atomskog reda velikog dometa povezanog s kristalima, što je definirajuća karakteristika kristala.U suvremenom svijetu veliki napredak postignut je u području metalnog stakla.Riječ je o novim materijalima zanimljivih svojstava koji su od interesa ne samo za fiziku čvrstog stanja, već i za metalurgiju, površinsku kemiju, tehnologiju, biologiju i mnoga druga područja.Ova nova vrsta materijala ima svojstva koja se razlikuju od tvrdih metala, što ga čini zanimljivim kandidatom za tehnološke primjene u raznim područjima.Imaju neka važna svojstva: (i) visoku mehaničku duktilnost i granicu tečenja, (ii) visoku magnetsku permeabilnost, (iii) nisku koercitivnost, (iv) neobičnu otpornost na koroziju, (v) neovisnost o temperaturi.Vodljivost 6.7.
Mehaničko legiranje (MA)1,8 relativno je nova metoda koju su prvi put predstavili 1983. godine prof. KK Kok i njegovi kolege.Proizveli su amorfne prahove Ni60Nb40 mljevenjem smjese čistih elemenata na temperaturi okoline vrlo blizu sobne temperature.Tipično, MA reakcija se provodi između difuzijskog vezivanja praškastih reaktanata u reaktoru, obično izrađenom od nehrđajućeg čelika, u mlin s kuglicama.10 (sl. 1a, b).Od tada se ova mehanički inducirana metoda reakcije čvrstog stanja koristi za pripremu novih prahova amorfne/metalne staklene slitine korištenjem kugličnih mlinova s ​​niskom (Sl. 1c) i visoke energije i štapnih mlinova11,12,13,14,15,16.Konkretno, ova metoda je korištena za pripremu sustava koji se ne miješaju kao što je Cu-Ta17 kao i legura s visokim talištem kao što su Al-prijelazni metal (TM, Zr, Hf, Nb i Ta)18,19 i sustavi Fe-W20., koji se ne može dobiti konvencionalnim metodama kuhanja.Osim toga, MA se smatra jednim od najmoćnijih nanotehnoloških alata za industrijsku proizvodnju nanokristalnih i nanokompozitnih praškastih čestica metalnih oksida, karbida, nitrida, hidrida, ugljikovih nanocijevi, nanodijamanata, kao i široku stabilizaciju korištenjem pristupa odozgo prema dolje.1 i metastabilni stadiji.
Shema koja prikazuje metodu izrade korištenu za pripremu prevlake od metalnog stakla Cu50(Zr50-xNix)/SUS 304 u ovoj studiji.(a) Priprema praha MC legura s različitim koncentracijama Ni x (x; 10, 20, 30 i 40 at.%) primjenom metode niskoenergetskog kugličnog mljevenja.(a) Početni materijal se puni u cilindar alata zajedno s kuglicama od alatnog čelika i (b) zatvara u pretinac za rukavice ispunjen atmosferom He.(c) Prozirni model posude za mljevenje koji prikazuje kretanje kuglice tijekom mljevenja.Konačni praškasti proizvod dobiven nakon 50 sati korišten je za nanošenje hladnog raspršivanja supstrata SUS 304 (d).
Kada je riječ o površinama (supstratima) rasutog materijala, površinski inženjering uključuje dizajn i modifikaciju površina (supstrata) kako bi se osigurala određena fizikalna, kemijska i tehnička svojstva koja nisu prisutna u izvornom rasutom materijalu.Neka od svojstava koja se mogu učinkovito poboljšati površinskom obradom uključuju otpornost na habanje, oksidaciju i koroziju, koeficijent trenja, bioinertnost, električna svojstva i toplinsku izolaciju, da spomenemo samo neke.Kvaliteta površine može se poboljšati metalurškim, mehaničkim ili kemijskim metodama.Kao dobro poznati postupak, premazivanje se jednostavno definira kao jedan ili više slojeva materijala umjetno nanesenih na površinu rasutog predmeta (supstrata) izrađenog od drugog materijala.Stoga se premazi djelomično 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 debljine od nekoliko mikrometara (ispod 10-20 mikrometara) do više od 30 mikrometara ili čak nekoliko milimetara.Općenito, procesi premazivanja mogu se podijeliti u dvije kategorije: (i) metode mokrog premazivanja, uključujući galvanizaciju, galvanizaciju i vruće pocinčavanje, i (ii) metode suhog premazivanja, uključujući lemljenje, navarivanje, fizičko taloženje parom (PVD).), kemijsko taloženje iz parne pare (CVD), tehnike toplinskog raspršivanja i odnedavno tehnike hladnog raspršivanja 24 (Slika 1d).
Biofilmovi se definiraju kao mikrobne zajednice koje su nepovratno pričvršćene za površine i okružene samoproizvedenim izvanstaničnim polimerima (EPS).Stvaranje površinski zrelog biofilma može dovesti do značajnih gubitaka u mnogim industrijama, uključujući preradu hrane, vodovodne sustave i zdravstvenu skrb.Kod ljudi, uz stvaranje biofilma, više od 80% slučajeva mikrobnih infekcija (uključujući Enterobacteriaceae i Staphylococci) teško je liječiti.Osim toga, zabilježeno je da su zreli biofilmovi 1000 puta otporniji na liječenje antibioticima u usporedbi s planktonskim bakterijskim stanicama, što se smatra velikim terapeutskim izazovom.Povijesno gledano, korišteni su antimikrobni materijali za površinske premaze izvedeni iz uobičajenih organskih spojeva.Iako takvi materijali često sadrže otrovne komponente potencijalno štetne za ljude,25,26 to može pomoći u izbjegavanju prijenosa bakterija i degradacije materijala.
Široko rasprostranjena bakterijska otpornost na liječenje antibioticima zbog stvaranja biofilma dovela je do potrebe za razvojem učinkovite površine obložene antimikrobnom membranom koja se može sigurno primijeniti27.Razvoj fizičke ili kemijske antiadhezivne površine na koju se bakterijske stanice ne mogu vezati i formirati biofilmove zbog adhezije je prvi pristup u ovom procesu27.Druga tehnologija je razvoj premaza koji isporučuju antimikrobne kemikalije točno tamo gdje su potrebne, u visoko koncentriranim i prilagođenim količinama.To se postiže razvojem jedinstvenih materijala za premazivanje kao što su grafen/germanij28, crni dijamant29 i ugljične prevlake nalik dijamantu dopirane ZnO30 koje su otporne na bakterije, tehnologijom koja maksimalno povećava razvoj toksičnosti i otpornosti zbog stvaranja biofilma.Osim toga, premazi koji sadrže germicidne kemikalije koje pružaju dugoročnu zaštitu od bakterijske kontaminacije postaju sve popularniji.Iako su sva tri postupka sposobna ispoljiti antimikrobno djelovanje na obložene površine, svaki ima svoj skup ograničenja koja treba uzeti u obzir pri razvoju strategije primjene.
Proizvodi koji su trenutno na tržištu otežani su nedostatkom vremena za analizu i ispitivanje zaštitnih premaza za biološki aktivne sastojke.Tvrtke tvrde da će njihovi proizvodi korisnicima pružiti željene funkcionalne aspekte, no to je postalo prepreka uspjehu proizvoda koji su trenutno na tržištu.Spojevi dobiveni iz srebra koriste se u velikoj većini antimikrobnih sredstava trenutno dostupnih potrošačima.Ovi su proizvodi dizajnirani za zaštitu korisnika 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.To dolazi s povezanim zdravstvenim i sigurnosnim rizicima.Otkrivanje antimikrobnog sredstva koje je manje štetno za ljude i smišljanje kako ga ugraditi u podloge za premazivanje s duljim vijekom trajanja vrlo je tražen cilj38.Najnoviji antimikrobni materijali i materijali s antibiofilmom dizajnirani su za ubijanje bakterija iz neposredne blizine bilo izravnim kontaktom ili nakon otpuštanja aktivnog agensa.To mogu učiniti inhibicijom početne bakterijske adhezije (uključujući sprječavanje stvaranja proteinskog sloja na površini) ili ubijanjem bakterija ometanjem stanične stijenke.
U osnovi, površinsko premazivanje je postupak nanošenja drugog sloja na površinu komponente kako bi se poboljšale karakteristike površine.Svrha površinskog premaza je promijeniti mikrostrukturu i/ili sastav područja blizu površine komponente39.Metode površinskog premazivanja mogu se podijeliti u različite metode, koje su sažete na slici 2a.Premazi se mogu podijeliti u toplinske, kemijske, fizikalne i elektrokemijske kategorije ovisno o metodi koja se koristi za izradu premaza.
(a) Umetak koji prikazuje glavne tehnike izrade površine i (b) odabrane prednosti i nedostatke metode hladnog prskanja.
Tehnologija hladnog raspršivanja ima mnogo toga zajedničkog s tradicionalnim tehnikama termičkog raspršivanja.Međutim, postoje i neka ključna temeljna svojstva koja postupak hladnog raspršivanja i materijale hladnog raspršivanja čine posebno jedinstvenima.Tehnologija hladnog raspršivanja tek je u povojima, ali ima sjajnu budućnost.U nekim slučajevima, jedinstvena svojstva hladnog prskanja nude velike prednosti, nadilazeći ograničenja konvencionalnih tehnika toplinskog prskanja.Nadilazi značajna ograničenja tradicionalne tehnologije termičkog raspršivanja, u kojoj se prah mora rastopiti da bi se nanio na podlogu.Očito, ovaj tradicionalni postupak premazivanja nije prikladan za vrlo temperaturno osjetljive materijale kao što su nanokristali, nanočestice, amorfna i metalna stakla40, 41, 42. Osim toga, materijali za premazivanje toplinskim raspršivanjem uvijek imaju visoku razinu poroznosti i oksida.Tehnologija hladnog raspršivanja ima mnoge značajne prednosti u odnosu na tehnologiju termičkog raspršivanja, kao što su (i) minimalan unos topline u podlogu, (ii) fleksibilnost u odabiru premaza podloge, (iii) nema fazne transformacije i rasta zrna, (iv) visoka adhezivna čvrstoća1.39 (Sl. 2b).Osim toga, materijali za premazivanje hladnim raspršivanjem imaju visoku otpornost na koroziju, veliku čvrstoću i tvrdoću, visoku električnu vodljivost i veliku gustoću41.Unatoč prednostima postupka hladnog raspršivanja, ova metoda još uvijek ima neke nedostatke, kao što je prikazano na slici 2b.Kod premazivanja čistog keramičkog praha kao što su Al2O3, TiO2, ZrO2, WC, itd., ne može se koristiti metoda hladnog prskanja.S druge strane, keramički/metalni kompozitni prahovi mogu se koristiti kao sirovine za premaze.Isto vrijedi i za druge metode toplinskog prskanja.Teške površine i unutrašnjost cijevi i dalje je teško prskati.
S obzirom da je ovaj rad usmjeren na upotrebu metalnih staklastih prahova kao polaznih materijala za prevlake, 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 austenitnih legura nehrđajućeg čelika (SUS316 i SUS304) s udjelom kroma od 12 do 20 tež.% za proizvodnju kirurških instrumenata.Općenito je prihvaćeno da uporaba metalnog kroma kao legirajućeg elementa u čeličnim legurama može značajno poboljšati otpornost na koroziju standardnih čeličnih legura.Legure nehrđajućeg čelika, unatoč 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 bakterijske adhezije i kolonizacije na površini biomaterijala od nehrđajućeg čelika.Značajne poteškoće mogu nastati zbog značajnih poteškoća povezanih s bakterijskom adhezijom i putovima stvaranja biofilma, što može dovesti do lošeg zdravlja, što može imati brojne posljedice koje mogu izravno ili neizravno utjecati na ljudsko zdravlje.
Ova je studija prva faza projekta financiranog od strane Kuvajtske zaklade za napredak znanosti (KFAS), ugovor br.2010-550401, kako bi se istražila izvedivost proizvodnje metalnih staklastih Cu-Zr-Ni ternarnih prahova korištenjem MA tehnologije (tablica).1) Za proizvodnju SUS304 antibakterijskog površinskog zaštitnog filma/premaza.Druga faza projekta, koja bi trebala započeti u siječnju 2023., detaljno će proučiti karakteristike galvanske korozije i mehanička svojstva sustava.Provest će se detaljne mikrobiološke pretrage na razne vrste bakterija.
Ovaj članak raspravlja o utjecaju sadržaja Zr legure na sposobnost oblikovanja stakla (GFA) na temelju morfoloških i strukturnih karakteristika.Osim toga, raspravljalo se io antibakterijskim svojstvima kompozita metalno staklo presvučeno prahom/SUS304.Osim toga, u tijeku je rad na istraživanju mogućnosti strukturne transformacije metalnog staklenog praha do koje dolazi tijekom hladnog raspršivanja u prehlađenom tekućem području izrađenih metalnih staklenih sustava.Kao reprezentativni primjeri u ovom istraživanju korištene su legure metalnog stakla Cu50Zr30Ni20 i Cu50Zr20Ni30.
U ovom odjeljku prikazane su morfološke promjene u prahu elementarnog Cu, Zr i Ni tijekom niskoenergetskog kugličnog mljevenja.Dva različita sustava koji se sastoje od Cu50Zr20Ni30 i Cu50Zr40Ni10 koristit će se kao ilustrativni primjeri.Proces MA može se podijeliti u tri odvojene faze, što dokazuje metalografska karakterizacija praha dobivenog u fazi mljevenja (slika 3).
Metalografske karakteristike prahova mehaničkih legura (MA) dobivenih nakon različitih faza kugličnog mljevenja.Slike praškova MA i Cu50Zr40Ni10 dobivene nakon niskoenergetskog mljevenja s kuglicama 3, 12 i 50 sati prikazane su u (a), (c) i (e) za sustav Cu50Zr20Ni30, dok su na istom MA.Odgovarajuće slike sustava Cu50Zr40Ni10 snimljene nakon vremena prikazane su u (b), (d) i (f).
Tijekom kugličnog mljevenja, na efektivnu kinetičku energiju koja se može prenijeti na metalni prah utječe kombinacija parametara, kao što je prikazano na slici 1a.To uključuje sudare između kuglica i praha, kompresiju smicanjem praha zalijepljenog između ili između medija za mljevenje, udarce od padajućih kuglica, smicanje i trošenje uzrokovano povlačenjem praha između pokretnih tijela mlina s kuglicama i udarni val koji prolazi kroz padajuće kuglice šireći se kroz opterećenu kulturu (Sl. 1a). Elementarni prašci Cu, Zr i Ni bili su jako deformirani iz hladnog svarka u ranijoj fazi MA (3 sata), što je pogodovalo formiranju krupnih čestica praha (> 1 mm u promjeru). Elementarni prahovi Cu, Zr i Ni jako su deformirani uslijed hladnog zavarivanja u ranoj fazi MA (3 h), što je dovelo do stvaranja velikih čestica praha (> 1 mm u promjeru).Ove velike kompozitne čestice karakterizira stvaranje debelih slojeva legirajućih elemenata (Cu, Zr, Ni), kao što je prikazano na sl.3a,b.Povećanje vremena MA na 12 h (srednji stupanj) dovelo je do povećanja kinetičke energije kuglastog mlina, što je dovelo do razgradnje kompozitnog praha u manje prahove (manje od 200 μm), kao što je prikazano na slici 3c, grad .U ovoj fazi, primijenjena posmična sila dovodi do stvaranja nove metalne površine s tankim slojevima Cu, Zr, Ni, kao što je prikazano na sl. 3c, d.Kao rezultat mljevenja slojeva na granici ljuskica, dolazi do reakcija čvrste faze uz stvaranje novih faza.
Na vrhuncu MA procesa (nakon 50 h), metalografija u obliku ljuskica bila je jedva primjetna (sl. 3e, f), a na poliranoj površini praha uočena je zrcalna metalografija.To znači da je proces MA završen i da je stvorena jedna faza reakcije.Elementarni sastav područja prikazanih na sl.3e (I, II, III), f, v, vi) određeni su pomoću skenirajuće elektronske mikroskopije s emisijom polja (FE-SEM) u kombinaciji s energetsko disperzivnom spektroskopijom X-zraka (EDS).(IV).
U tablici.2 elementarne koncentracije legirajućih elemenata prikazane su kao postotak ukupne mase svakog područja odabranog na sl.3e, f.Usporedba ovih rezultata s početnim nominalnim sastavima Cu50Zr20Ni30 i Cu50Zr40Ni10 danim u tablici 1. pokazuje da su sastavi ova dva finalna proizvoda vrlo blizu nazivnim sastavima.Osim toga, relativne vrijednosti komponenata za regije navedene na sl. 3e,f ne sugeriraju značajno pogoršanje ili varijaciju u sastavu svakog uzorka od jedne regije do druge.O tome svjedoči i činjenica da nema promjene sastava iz jedne regije u drugu.Ovo ukazuje na proizvodnju jednolikog praha legure kao što je prikazano u tablici 2.
FE-SEM mikrografije praha konačnog proizvoda Cu50(Zr50-xNix) dobivene su nakon 50 MA puta, kao što je prikazano na sl. 4a-d, gdje je x 10, 20, 30 i 40 at.%, redom.Nakon ovog koraka mljevenja, prah se agregira zbog van der Waalsovog efekta, što dovodi do stvaranja velikih agregata koji se sastoje od ultrafinih čestica promjera od 73 do 126 nm, kao što je prikazano na slici 4.
Morfološke karakteristike Cu50(Zr50-xNix) prahova dobivenih nakon 50-satnog MA.Za sustave Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40, FE-SEM slike prahova dobivenih nakon 50 MA prikazane su u (a), (b), (c), odnosno (d).
Prije punjenja praškova u dovod hladnog raspršivača, oni su prvo bili sonikirani u etanolu analitičke čistoće 15 minuta i zatim sušeni na 150°C 2 sata.Ovaj se korak mora poduzeti za uspješnu borbu protiv aglomeracije, koja često uzrokuje mnoge ozbiljne probleme u procesu premazivanja.Nakon završetka procesa MA, provedena su daljnja istraživanja kako bi se ispitala homogenost praha legura.Na sl.Slike 5a–d prikazuju FE-SEM mikrografije i odgovarajuće EDS slike Cu, Zr i Ni legirajućih elemenata legure Cu50Zr30Ni20 snimljene nakon 50 h vremena M, redom.Treba napomenuti da su prahovi legure dobiveni nakon ovog koraka homogeni, budući da ne pokazuju nikakve fluktuacije sastava izvan subnanometarske razine, kao što je prikazano na slici 5.
Morfologija i lokalna raspodjela elemenata u prahu MG Cu50Zr30Ni20 dobivenom nakon 50 MA pomoću FE-SEM/Energetsko disperzivne rendgenske spektroskopije (EDS).(a) SEM i rendgenska EDS slika (b) Cu-Kα, (c) Zr-Lα i (d) Ni-Kα.
Difraktogrami rendgenskih zraka mehanički legiranih prahova Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30 i Cu50Zr20Ni30 dobiveni nakon 50-satnog MA prikazani su na sl.6a–d, odnosno.Nakon ove faze mljevenja, svi uzorci s različitim koncentracijama Zr imali su amorfne strukture s karakterističnim uzorcima halo difuzije prikazanim na slici 6.
Difraktogrami rendgenskih zraka prahova Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c) i Cu50Zr20Ni30 (d) nakon MA tijekom 50 h.U svim uzorcima bez iznimke uočen je obrazac halo-difuzije, što ukazuje na stvaranje amorfne faze.
Elektronska transmisijska elektronska mikroskopija visoke rezolucije (FE-HRTEM) korištena je za promatranje strukturnih promjena i razumijevanje lokalne strukture prahova nastalih mljevenjem s kuglicama u različitim MA vremenima.Slike prahova dobivenih FE-HRTEM metodom nakon ranih (6 h) i međufaza (18 h) mljevenja prahova Cu50Zr30Ni20 i Cu50Zr40Ni10 prikazane su na sl.7a, odnosno.Prema slici svijetlog polja (BFI) praha dobivenog nakon 6 h MA, prah se sastoji od velikih zrna s jasno definiranim granicama fcc-Cu, hcp-Zr i fcc-Ni elemenata i nema znakova stvaranja reakcijske faze, kao što je prikazano na slici 7a.Uz to, korelirani difrakcijski uzorak odabranog područja (SADP) uzet iz srednjeg područja (a) otkrio je oštar difrakcijski uzorak (Sl. 7b) koji ukazuje na prisutnost velikih kristalita i odsutnost reaktivne faze.
Lokalne strukturne karakteristike MA praha dobivenog nakon ranog (6 h) i srednjeg (18 h) stadija.(a) Transmisijska elektronska mikroskopija visoke rezolucije (FE-HRTEM) i (b) odgovarajući difraktogram odabranog područja (SADP) praha Cu50Zr30Ni20 nakon MA tretmana tijekom 6 sati.FE-HRTEM slika Cu50Zr40Ni10 dobivena 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 procesa MA pojavljuju se različiti nedostaci u prahu, uključujući greške pri slaganju, defekte rešetke i točkaste defekte (slika 7).Ovi nedostaci uzrokuju fragmentaciju velikih zrna duž granica zrna u podzrna manja od 20 nm (slika 7c).
Lokalna struktura Cu50Z30Ni20 praha mljevenog 36 h MA karakterizirana je stvaranjem ultrafinih nanozrnaca ugrađenih u amorfnu tanku matricu, kao što je prikazano na slici 8a.Lokalna analiza EMF-a pokazala je da su nanoklasteri prikazani na sl.8a povezani su s neobrađenim legurama praha Cu, Zr i Ni.Sadržaj Cu u matriksu varirao je od ~32 at.% (siromašna zona) do ~74 at.% (bogata zona), što ukazuje na stvaranje heterogenih produkata.Osim toga, odgovarajući SADP prahova dobivenih nakon mljevenja u ovom koraku pokazuju prstenove amorfne faze primarne i sekundarne halo-difuzije koji se preklapaju s oštrim vrhovima povezanim s tim neobrađenim legirajućim elementima, kao što je prikazano na slici 8b.
Lokalne strukturne značajke nanomjernog praha Beyond 36 h-Cu50Zr30Ni20.(a) Slika svijetlog polja (BFI) i odgovarajući (b) SADP praha Cu50Zr30Ni20 dobivenog nakon mljevenja tijekom 36 h MA.
Pred kraj MA procesa (50 h), prahovi Cu50(Zr50-xNix), X, 10, 20, 30 i 40 at.%, bez iznimke, imaju labirintsku morfologiju amorfne faze, kao što je prikazano na slici.Ni točkasta difrakcija ni oštri prstenasti uzorci nisu se mogli otkriti u odgovarajućim SADS-ovima svakog sastava.To ukazuje na odsutnost neobrađenog kristalnog metala, već na stvaranje praha amorfne legure.Ovi korelirani SADP-ovi koji pokazuju uzorke halo difuzije također su korišteni kao dokaz za razvoj amorfnih faza u materijalu konačnog proizvoda.
Lokalna struktura konačnog proizvoda Cu50 MS sustava (Zr50-xNix).FE-HRTEM i korelirani difrakcijski uzorci nanozraka (NBDP) (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 i (d) Cu50Zr10Ni40 dobiveni nakon 50 h MA.
Pomoću diferencijalne skenirajuće kalorimetrije proučavana je toplinska stabilnost temperature staklastog prijelaza (Tg), područja prehlađene tekućine (ΔTx) i temperature kristalizacije (Tx) ovisno o sadržaju Ni (x) u amorfnom sustavu Cu50(Zr50-xNix).(DSC) svojstva u protoku plina He.DSC krivulje prahova amorfnih legura Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20 i Cu50Zr10Ni40 dobivene nakon MA tijekom 50 h prikazane su na sl.10a, b, e, redom.Dok je DSC krivulja amorfnog Cu50Zr20Ni30 prikazana zasebno na slici 10. stoljeće. U međuvremenu, uzorak Cu50Zr30Ni20 zagrijan na ~700°C u DSC prikazan je na slici 10g.
Toplinska stabilnost Cu50(Zr50-xNix) MG prahova dobivenih nakon MA tijekom 50 sati određena je temperaturom staklenog prijelaza (Tg), temperaturom kristalizacije (Tx) i područjem prehlađene tekućine (ΔTx).Termogrami praha diferencijalnog skenirajućeg kalorimetra (DSC) praha Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c) i (e) praha Cu50Zr10Ni40 MG legure nakon MA tijekom 50 sati.Difrakcijski uzorak X-zraka (XRD) uzorka Cu50Zr30Ni20 zagrijanog na ~700°C u DSC prikazan je u (d).
Kao što je prikazano na slici 10, DSC krivulje za sve sastave s različitim koncentracijama nikla (x) pokazuju dva različita slučaja, jedan endotermni, a drugi egzotermni.Prvi endotermni događaj odgovara Tg, a drugi je povezan s Tx.Vodoravno područje raspona koje postoji između Tg i Tx naziva se područje pothlađene tekućine (ΔTx = Tx – Tg).Rezultati pokazuju da Tg i Tx uzorka Cu50Zr40Ni10 (Sl. 10a) postavljenog na 526°C i 612°C pomiču sadržaj (x) do 20 at% prema strani niske temperature od 482°C i 563°C.°C s povećanjem sadržaja Ni (x), kao što je prikazano na slici 10b.Posljedično, ΔTx Cu50Zr40Ni10 opada sa 86°S (Slika 10a) na 81°S za Cu50Zr30Ni20 (Slika 10b).Za leguru MC Cu50Zr40Ni10 također je uočeno smanjenje vrijednosti Tg, Tx i ΔTx na razine od 447°S, 526°S i 79°S (slika 10b).To ukazuje da povećanje udjela Ni dovodi do smanjenja toplinske stabilnosti MS legure.Naprotiv, vrijednost Tg (507 °C) legure MC Cu50Zr20Ni30 niža je od one legure MC Cu50Zr40Ni10;ipak, njegov Tx pokazuje vrijednost usporedivu s njim (612 °C).Stoga ΔTx ima višu vrijednost (87°C) kao što je prikazano na sl.10. stoljeće
Cu50(Zr50-xNix) MC sustav, koristeći Cu50Zr20Ni30 MC leguru kao primjer, kristalizira kroz oštar egzotermni vrh u kristalne faze fcc-ZrCu5, ortorombske-Zr7Cu10 i ortorombske-ZrNi (slika 10c).Ovaj fazni prijelaz iz amorfnog u kristalni potvrđen je analizom rendgenske difrakcije uzorka MG (Sl. 10d) koji je zagrijan na 700 °C u DSC.
Na sl.11 prikazuje fotografije snimljene tijekom postupka hladnog prskanja koji se provodi u trenutnom radu.U ovoj studiji čestice metalnog staklastog praha sintetizirane nakon MA tijekom 50 sati (koristeći Cu50Zr20Ni30 kao primjer) korištene su kao antibakterijska sirovina, a ploča od nehrđajućeg čelika (SUS304) premazana je hladnim raspršivanjem.Metoda hladnog raspršivanja odabrana je za premazivanje u seriji tehnologije termalnog raspršivanja jer je to najučinkovitija 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.prijelazi.Ovo je glavni čimbenik pri odabiru ove metode.Proces hladnog taloženja provodi se česticama velike brzine koje pretvaraju kinetičku energiju čestica u plastičnu deformaciju, deformaciju i toplinu pri udaru o podlogu ili prethodno nanesene čestice.
Fotografije s terena pokazuju postupak hladnog raspršivanja korišten za pet uzastopnih priprema MG/SUS 304 na 550°C.
Kinetička energija čestica, kao i zamah svake čestice tijekom formiranja prevlake, moraju se pretvoriti u druge oblike energije kroz mehanizme kao što su plastična deformacija (primarne čestice i međučestične interakcije u matrici i interakcije čestica), međuprostorni čvorovi čvrstih tijela, rotacija između čestica, deformacija i ograničenje zagrijavanja 39. Osim toga, ako se ne pretvori sva ulazna kinetička energija u toplinsku energiju i energiju deformacije, rezultat će biti elastični sudar, što znači da se čestice nakon udarca jednostavno odbiju.Primijećeno je da se 90% energije udarca primijenjene na materijal čestice/supstrata pretvara u lokalnu toplinu 40 .Osim toga, kada se primijeni udarno naprezanje, visoke stope plastične deformacije postižu se u području kontakta čestica/supstrat u vrlo kratkom vremenu41,42.
Plastična deformacija obično se smatra procesom disipacije energije, odnosno izvorom topline u međufaznom području.Međutim, porast temperature u području međupovršina obično nije dovoljan za pojavu međupovršinskog taljenja ili značajniju stimulaciju međusobne difuzije atoma.Niti jedna publikacija poznata autorima nije istraživala učinak svojstava ovih metalnih staklastih prahova na adheziju praha i taloženje do kojih dolazi pri korištenju tehnika hladnog raspršivanja.
BFI praha legure MG Cu50Zr20Ni30 može se vidjeti na sl. 12a, koji je položen na podlogu SUS 304 (sl. 11, 12b).Kao što se može vidjeti na slici, obloženi prašci zadržavaju svoju izvornu amorfnu strukturu budući da imaju osjetljivu labirintsku strukturu bez ikakvih kristalnih karakteristika ili defekata rešetke.S druge strane, slika ukazuje na prisutnost strane faze, o čemu svjedoče nanočestice uključene u matricu praha obloženu MG-om (slika 12a).Slika 12c prikazuje indeksirani difrakcijski uzorak nanozraka (NBDP) povezan s regijom I (Slika 12a).Kao što je prikazano na sl.Na slici 12c, NBDP pokazuje slab halo-difuzijski uzorak amorfne strukture i koegzistira s oštrim točkama koje odgovaraju kristalnoj velikoj kubičnoj metastabilnoj Zr2Ni fazi plus tetragonalnoj CuO fazi.Nastanak CuO može se objasniti oksidacijom praha pri kretanju od mlaznice pištolja za prskanje do SUS 304 na otvorenom u nadzvučnom strujanju.S druge strane, devitrifikacija metalnog staklastog praha rezultirala je stvaranjem velikih kubičnih faza nakon tretmana hladnim raspršivanjem na 550°C tijekom 30 minuta.
(a) FE-HRTEM slika MG praha nanesenog na (b) podlogu SUS 304 (umetnuta slika).NBDP indeks okruglog simbola prikazanog u (a) prikazan je u (c).
Kako bi se ispitao ovaj potencijalni mehanizam za stvaranje velikih kubičnih nanočestica Zr2Ni, proveden je neovisni eksperiment.U ovom eksperimentu, prašci su raspršeni iz raspršivača na 550°C u smjeru supstrata SUS 304;međutim, da bi se odredio učinak žarenja, praškovi su uklonjeni sa trake SUS304 što je brže moguće (oko 60 s).).Provedena je druga serija eksperimenata u kojima je prah uklonjen sa supstrata približno 180 sekundi nakon nanošenja.
Slike 13a,b prikazuju slike tamnog polja (DFI) skenirajuće transmisijske elektronske mikroskopije (STEM) dva raspršena materijala položena na SUS 304 supstrate tijekom 60 s, odnosno 180 s.Na slici praha taloženoj 60 sekundi nedostaju morfološki detalji, pokazujući bezličnost (Sl. 13a).Ovo je također potvrđeno XRD-om, koji je pokazao da je ukupna struktura ovih prahova amorfna, kao što pokazuju široki primarni i sekundarni difrakcijski vrhovi prikazani na slici 14a.To ukazuje na odsutnost metastabilnih/mezofaznih taloga, u kojima prah zadržava svoju izvornu amorfnu strukturu.Nasuprot tome, prah taložen na istoj temperaturi (550°C), ali ostavljen na podlozi 180 s, pokazao je taloženje nanovelikih zrnaca, kao što je prikazano strelicama na slici 13b.