Köszönjük, hogy meglátogatta a Nature.com oldalt.Az Ön által használt böngészőverzió korlátozott CSS-támogatással rendelkezik.A legjobb élmény érdekében javasoljuk, hogy használjon frissített böngészőt (vagy tiltsa le a kompatibilitási módot az Internet Explorerben).Addig is a folyamatos támogatás érdekében a webhelyet stílusok és JavaScript nélkül jelenítjük meg.
A biofilmek fontos összetevői a krónikus fertőzések kialakulásának, különösen, ha orvosi eszközökről van szó.Ez a probléma óriási kihívást jelent az orvostársadalom számára, mivel a standard antibiotikumok csak nagyon korlátozott mértékben képesek elpusztítani a biofilmeket.A biofilm képződés megakadályozása különféle bevonási módszerek és új anyagok kifejlesztéséhez vezetett.Ezek a technikák célja a felületek olyan bevonása, amely megakadályozza a biofilm képződését.Az üveges fémötvözetek, különösen a réz- és titánfémeket tartalmazó ötvözetek ideális antimikrobiális bevonatokká váltak.Ezzel párhuzamosan elterjedt a hidegpermetezés technológia alkalmazása, amely alkalmas módszer a hőmérsékletérzékeny anyagok feldolgozására.A kutatás célja egy új antibakteriális fémes üvegfilm kifejlesztése volt, amely hármas Cu-Zr-Ni-ből áll mechanikai ötvözési technikákkal.A végterméket alkotó gömb alakú port alapanyagként használják rozsdamentes acél felületek alacsony hőmérsékleten történő hideg permetezéséhez.A fémüveggel bevont hordozók a rozsdamentes acélhoz képest legalább 1 logal jelentősen csökkentették a biofilm képződést.
Az emberiség történelme során bármely társadalom képes volt új anyagokat fejleszteni és előmozdítani, hogy megfeleljen sajátos követelményeinek, ami a termelékenység növekedését és a globalizált gazdaságban való rangsorolást eredményezte1.Mindig is az emberek azon képességének tulajdonították, hogy anyagokat és gyártóberendezéseket tervezzen, valamint olyan terveket készítsen és jellemezzen anyagokat, amelyek az egészségügy, az oktatás, az ipar, a gazdaság, a kultúra és más területek elérését szolgálják egyik országból vagy régióból a másikba.Az előrehaladást országtól vagy régiótól függetlenül mérik2.Az anyagtudósok 60 éve sok időt szenteltek egy fő feladatnak: új és fejlett anyagok felkutatásának.A legújabb kutatások középpontjában a meglévő anyagok minőségének és teljesítményének javítása, valamint teljesen új típusú anyagok szintetizálása és feltalálása állt.
Az ötvözőelemek hozzáadása, az anyag mikroszerkezetének módosítása és a termikus, mechanikai vagy termomechanikus kezelési módszerek alkalmazása a különböző anyagok mechanikai, kémiai és fizikai tulajdonságainak jelentős javulását eredményezte.Emellett eddig ismeretlen vegyületeket is sikeresen szintetizáltak.Ezek a kitartó erőfeszítések az innovatív anyagok új családját eredményezték, gyűjtőnéven Advanced Materials2.A nanokristályok, nanorészecskék, nanocsövek, kvantumpontok, nulldimenziós, amorf fémüvegek és nagy entrópiájú ötvözetek csak néhány példa a világban a múlt század közepe óta megjelent fejlett anyagokra.A javított tulajdonságokkal rendelkező új ötvözetek gyártása és fejlesztése során, mind a végtermékben, mind a gyártás közbenső szakaszaiban gyakran hozzáadódik a kiegyensúlyozatlanság problémája.Az egyensúlytól való jelentős eltéréseket lehetővé tevő új gyártási technikák bevezetésének eredményeként a metastabil ötvözetek egy teljesen új osztályát fedezték fel, amelyeket fémüvegeknek neveznek.
1960-ban a Caltechnél végzett munkája forradalmasította a fémötvözetek koncepcióját, amikor Au-25 at.% Si üveges ötvözeteket szintetizált folyadékok gyors megszilárdulásával, közel egymillió fokkal másodpercenként.4 Paul Duves professzor felfedezése nemcsak a fémüvegek (MS) történetének kezdetét jelentette, hanem paradigmaváltáshoz is vezetett abban, ahogy az emberek a fémötvözetekről gondolkodnak.Az MS-ötvözetek szintézisével kapcsolatos első úttörő kutatás óta szinte minden fémüveget teljesen előállítottak az alábbi módszerek valamelyikével: (i) az olvadék vagy gőz gyors megszilárdulása, (ii) atomrács-rendellenesség, (iii) a tiszta fémes elemek közötti szilárd fázisú amorfizációs reakciók és (iv) a metastabil fázisok szilárd fázisátalakulása.
Az MG-ket a kristályokhoz kapcsolódó nagy hatótávolságú atomi rend hiánya jellemzi, ami a kristályok meghatározó jellemzője.A modern világban nagy előrelépés történt a fémüveg területén.Érdekes tulajdonságokkal rendelkező új anyagokról van szó, amelyek nemcsak a szilárdtestfizika, hanem a kohászat, a felületkémia, a technológia, a biológia és sok más terület számára is érdekesek.Ez az új típusú anyag olyan tulajdonságokkal rendelkezik, amelyek eltérnek a keményfémektől, így érdekes jelöltek a technológiai alkalmazásokhoz számos területen.Néhány fontos tulajdonságuk van: (i) nagy mechanikai alakíthatóság és folyáshatár, (ii) nagy mágneses permeabilitás, (iii) alacsony koercitivitás, (iv) szokatlan korrózióállóság, (v) hőmérsékletfüggetlenség.Vezetőképesség 6.7.
A mechanikai ötvözés (MA)1,8 egy viszonylag új módszer, amelyet először 19839-ben vezettek be Prof. KK Kok és munkatársai.Amorf Ni60Nb40 porokat állítottak elő úgy, hogy tiszta elemek keverékét szobahőmérsékleten nagyon közel őrölték.Az MA reakciót jellemzően a reagensporok diffúziós kötése között hajtják végre, általában rozsdamentes acélból készült reaktorban, egy golyósmalomban.10 (1a, b ábra).Azóta ezt a mechanikusan indukált szilárd fázisú reakciómódszert új amorf/fémes üvegötvözet porok előállítására használják alacsony (1c. ábra) és nagy energiájú golyósmalmok és rúdmalmok felhasználásával11,12,13,14,15,16.Ezt a módszert különösen nem elegyedő rendszerek, például Cu-Ta17, valamint magas olvadáspontú ötvözetek, például Al-átmeneti fém (TM, Zr, Hf, Nb és Ta)18,19 és Fe-W20 rendszerek előállítására használták., amely hagyományos főzési módszerekkel nem érhető el.Ezen túlmenően az MA az egyik legerősebb nanotechnológiai eszköz a fémoxidok, karbidok, nitridek, hidridek, szén nanocsövek, nanogyémántok nanokristályos és nanokompozit porszemcséinek ipari méretű előállításához, valamint a széles körű stabilizáláshoz felülről lefelé irányuló megközelítéssel.1 és metastabil stádiumok.
A jelen tanulmányban a Cu50(Zr50-xNix)/SUS 304 fémes üvegbevonat elkészítéséhez használt gyártási módszer vázlata.(a) Különféle koncentrációjú Ni x-et tartalmazó MC ötvözetporok előállítása (x; 10, 20, 30 és 40 at.%) alacsony energiájú golyós őrlési módszerrel.(a) A kiindulási anyagot szerszámacél golyókkal együtt egy szerszámhengerbe töltik, és (b) egy He atmoszférával töltött kesztyűtartóba zárják.(c) Az őrlőedény átlátszó modellje, amely szemlélteti a golyó mozgását az őrlés során.Az 50 óra elteltével kapott végterméket a SUS 304 szubsztrát hideg permetezésére használtuk (d).
Ha ömlesztett anyagfelületekről (szubsztrátumokról) van szó, a felülettechnika magában foglalja a felületek (szubsztrátok) tervezését és módosítását, hogy bizonyos fizikai, kémiai és műszaki tulajdonságokat biztosítsanak, amelyek az eredeti ömlesztett anyagban nincsenek meg.A felületkezeléssel hatékonyan javítható tulajdonságok közé tartozik a kopás-, oxidáció- és korrózióállóság, a súrlódási együttható, a bioinertség, az elektromos tulajdonságok és a hőszigetelés, hogy csak néhányat említsünk.A felület minősége kohászati, mechanikai vagy kémiai módszerekkel javítható.Jól ismert eljárásként a bevonást egyszerűen úgy definiálják, mint egy vagy több anyagréteget, amelyet mesterségesen visznek fel egy másik anyagból készült ömlesztett tárgy (szubsztrátum) felületére.Így a bevonatokat részben a kívánt műszaki vagy dekoratív tulajdonságok eléréséhez, valamint az anyagoknak a környezettel való várható kémiai és fizikai kölcsönhatásoktól való védelmére használják23.
Különféle módszerek és technikák alkalmazhatók a néhány mikrométer (10-20 mikrométer alatti) vastagságtól a 30 mikrométernél nagyobb vagy akár több milliméter vastagságig terjedő megfelelő védőrétegek felvitelére.Általánosságban a bevonási eljárások két kategóriába sorolhatók: (i) nedves bevonási eljárások, beleértve a galvanizálást, galvanizálást és tűzihorganyzást, és (ii) száraz bevonási módszerek, beleértve a forrasztást, keményítést, fizikai gőzleválasztást (PVD).), kémiai gőzfázisú leválasztás (CVD), termikus permetezési technikák és újabban hidegpermetezési technikák 24 (1d. ábra).
A biofilmek olyan mikrobiális közösségek, amelyek visszafordíthatatlanul kötődnek a felületekhez, és saját előállítású extracelluláris polimerekkel (EPS) vesznek körül.A felületesen érett biofilm kialakulása számos iparágban jelentős veszteségekhez vezethet, beleértve az élelmiszer-feldolgozást, a vízrendszereket és az egészségügyet.Emberben a biofilmek kialakulásával a mikrobiális fertőzések (beleértve az Enterobacteriaceae és a Staphylococcusok) több mint 80%-át nehéz kezelni.Ezenkívül az érett biofilmek 1000-szer ellenállóbbak az antibiotikum-kezeléssel szemben, mint a plankton baktériumsejtek, ami jelentős terápiás kihívásnak számít.Történelmileg általános szerves vegyületekből származó antimikrobiális felületbevonó anyagokat használtak.Bár az ilyen anyagok gyakran tartalmaznak mérgező összetevőket, amelyek potenciálisan károsak lehetnek az emberre,25,26 ez segíthet elkerülni a baktériumok terjedését és az anyag lebomlását.
A biofilm képződés miatti széles körben elterjedt bakteriális rezisztencia az antibiotikum-kezeléssel szemben olyan hatékony, antimikrobiális membránnal bevont felület kifejlesztéséhez vezetett, amely biztonságosan alkalmazható27.Ennek a folyamatnak az első megközelítése egy olyan fizikai vagy kémiai tapadásgátló felület kialakítása, amelyhez a baktériumsejtek a tapadás miatt nem tudnak kötődni és biofilmeket képezni27.A második technológia olyan bevonatok kifejlesztése, amelyek pontosan oda szállítják az antimikrobiális vegyszereket, ahol szükség van rájuk, erősen koncentrált és testreszabott mennyiségben.Ezt olyan egyedi bevonóanyagok kifejlesztésével érik el, mint a grafén/germánium28, fekete gyémánt29 és ZnO30-dal adalékolt gyémántszerű szénbevonatok, amelyek ellenállnak a baktériumoknak, ez a technológia maximalizálja a biofilm képződés miatti toxicitás és rezisztencia kialakulását.Emellett egyre népszerűbbek a baktériumölő vegyszereket tartalmazó bevonatok, amelyek hosszú távú védelmet nyújtanak a bakteriális szennyeződések ellen.Bár mindhárom eljárás képes antimikrobiális hatást kifejteni a bevont felületeken, mindegyiknek megvannak a saját korlátai, amelyeket figyelembe kell venni az alkalmazási stratégia kidolgozásakor.
A jelenleg forgalomban lévő termékeket hátráltatja, hogy nincs idő a védőbevonatok biológiailag aktív összetevőinek elemzésére és tesztelésére.A cégek azt állítják, hogy termékeik biztosítják a felhasználók számára a kívánt funkcionális szempontokat, ez azonban a jelenleg piacon lévő termékek sikerének gátjává vált.Az ezüstből származó vegyületeket a fogyasztók számára jelenleg elérhető antimikrobiális szerek túlnyomó többségében használják.Ezeket a termékeket úgy tervezték, hogy megvédjék a felhasználókat a mikroorganizmusoknak való potenciálisan káros expozíciótól.Az ezüstvegyületek késleltetett antimikrobiális hatása és a kapcsolódó toxicitás növeli a kutatókra nehezedő nyomást egy kevésbé káros alternatíva kidolgozására36,37.Továbbra is kihívást jelent egy kívül-belül működő, globális antimikrobiális bevonat létrehozása.Ez egészségügyi és biztonsági kockázatokkal jár.Nagyon keresett cél egy, az emberre kevésbé káros antimikrobiális szer felfedezése, és annak kitalálása, hogyan lehet bevonni a hosszabb eltarthatósági idejű bevonathordozókba38.A legújabb antimikrobiális és antibiofilm anyagokat úgy tervezték, hogy akár közvetlen érintkezés útján, akár a hatóanyag felszabadulását követően közelről elpusztítsák a baktériumokat.Ezt megtehetik a kezdeti bakteriális adhézió gátlásával (beleértve a fehérjeréteg kialakulásának megakadályozását a felszínen), vagy a baktériumok elpusztításával a sejtfal beavatkozásával.
A felületi bevonat lényegében egy újabb réteg felvitele egy alkatrész felületére a felületi jellemzők javítása érdekében.A felületi bevonat célja egy komponens felületközeli régiójának mikroszerkezetének és/vagy összetételének megváltoztatása39.A felületi bevonási módszerek különböző módszerekre oszthatók, amelyeket a 2a. ábra foglal össze.A bevonatok termikus, kémiai, fizikai és elektrokémiai kategóriákra oszthatók a bevonat elkészítésének módszerétől függően.
(a) Beillesztés, amely bemutatja a fő felületkészítési technikákat, és (b) a hidegpermetezési módszer kiválasztott előnyeit és hátrányait.
A hidegpermetezési technológia sok hasonlóságot mutat a hagyományos termikus permetezési technikákkal.Vannak azonban olyan alapvető tulajdonságok is, amelyek a hidegpermetezési eljárást és a hidegpermetezési anyagokat különösen egyedivé teszik.A hideg spray technológia még gyerekcipőben jár, de nagy jövő előtt áll.Egyes esetekben a hideg permetezés egyedülálló tulajdonságai nagy előnyöket kínálnak, leküzdve a hagyományos termikus permetezési technikák korlátait.Leküzdi a hagyományos termikus permetezési technológia jelentős korlátait, amelyekben a port meg kell olvasztani, hogy az aljzatra kerüljön.Nyilvánvaló, hogy ez a hagyományos bevonási eljárás nem alkalmas nagyon hőmérséklet-érzékeny anyagokhoz, például nanokristályokhoz, nanorészecskékhez, amorf és fémes üvegekhez40, 41, 42. Ezen túlmenően a hőpermetező bevonóanyagok mindig magas porozitást és oxidokat mutatnak.A hidegpermetezési technológiának számos jelentős előnye van a termikus permetezési technológiához képest, mint például (i) minimális hőbevitel az aljzatba, (ii) rugalmasság az aljzatbevonat kiválasztásában, (iii) nincs fázisátalakítás és szemcsenövekedés, (iv) nagy tapadási szilárdság1 ,39 (2b. ábra).Ezenkívül a hidegen permetezett bevonóanyagok nagy korrózióállósággal, nagy szilárdsággal és keménységgel, nagy elektromos vezetőképességgel és nagy sűrűséggel rendelkeznek41.A hidegpermetezési eljárás előnyei ellenére ennek a módszernek még vannak hátrányai, amint az a 2b. ábrán látható.Tiszta kerámiaporok, például Al2O3, TiO2, ZrO2, WC stb. bevonásakor a hidegszórásos módszer nem alkalmazható.Másrészt a kerámia/fém kompozit porok felhasználhatók bevonatok alapanyagaként.Ugyanez vonatkozik más termikus permetezési módszerekre is.A nehéz felületeket és a csövek belsejét továbbra is nehéz permetezni.
Tekintettel arra, hogy jelen munka fémes üvegszerű porok bevonat kiindulási anyagként való alkalmazására irányul, nyilvánvaló, hogy a hagyományos termikus permetezés erre a célra nem használható.Ez annak köszönhető, hogy a fémes üvegporok magas hőmérsékleten kristályosodnak1.
Az orvosi és élelmiszeriparban használt műszerek többsége ausztenites rozsdamentes acélötvözetekből (SUS316 és SUS304) készül, 12-20 tömeg% krómtartalommal, sebészeti műszerek gyártásához.Általánosan elfogadott, hogy a krómfém ötvözőelemként történő alkalmazása az acélötvözetek esetében jelentősen javíthatja a szabványos acélötvözetek korrózióállóságát.A rozsdamentes acélötvözetek magas korrózióállóságuk ellenére nem rendelkeznek jelentős antimikrobiális tulajdonságokkal38,39.Ez ellentétben áll a magas korrózióállóságukkal.Ezt követően előre jelezhető a fertőzés és a gyulladás kialakulása, amelyek elsősorban a nemesacél bioanyagok felületén kialakuló bakteriális adhézió és kolonizáció következményei.Jelentős nehézségek adódhatnak a bakteriális adhéziós és biofilmképződési útvonalakkal járó jelentős nehézségek miatt, amelyek rossz egészségi állapothoz vezethetnek, aminek számos olyan következménye lehet, amely közvetlenül vagy közvetve hatással lehet az emberi egészségre.
Ez a tanulmány a Kuwait Foundation for the Advancement of Science (KFAS) által finanszírozott projekt első fázisa.2010-550401, fémes üvegszerű Cu-Zr-Ni terner porok MA technológiával történő előállításának megvalósíthatóságának vizsgálatára (táblázat).1) SUS304 antibakteriális felületvédő fólia/bevonat gyártásához.A projekt 2023 januárjában kezdődő második szakasza részletesen tanulmányozza a galvanikus korróziós jellemzőket és a rendszer mechanikai tulajdonságait.Részletes mikrobiológiai vizsgálatokat végeznek különböző típusú baktériumokra.
Ez a cikk a Zr-ötvözettartalom üvegképző képességre (GFA) gyakorolt ​​hatását tárgyalja morfológiai és szerkezeti jellemzők alapján.Ezen kívül szóba került a porszórt fémüveg/SUS304 kompozit antibakteriális tulajdonságai is.Ezen túlmenően folyamatban van a fémüvegporok szerkezeti átalakulásának lehetőségének vizsgálata a fémüveg-rendszerek túlhűtött folyadéktartományában hideg permetezés során.Ebben a tanulmányban reprezentatív példaként a Cu50Zr30Ni20 és Cu50Zr20Ni30 fémes üvegötvözeteket használtuk.
Ez a rész az elemi Cu, Zr és Ni porainak morfológiai változásait mutatja be alacsony energiájú golyós őrlés során.Szemléltető példaként két különböző rendszert használunk, amelyek a Cu50Zr20Ni30 és Cu50Zr40Ni10 rendszerből állnak.Az MA eljárás három különálló szakaszra osztható, amit az őrlési szakaszban nyert por metallográfiai jellemzése bizonyít (3. ábra).
Mechanikai ötvözetek (MA) porainak metallográfiai jellemzői, amelyeket a golyós őrlés különböző lépései után nyernek.Az MA és Cu50Zr40Ni10 porok téremissziós pásztázó elektronmikroszkópos (FE-SEM) képei, amelyeket 3, 12 és 50 órás alacsony energiájú golyós őrlés után kaptak, az (a), (c) és (e) pontban láthatók a Cu50Zr20Ni30 rendszerhez, míg ugyanazon az MA-n.A Cu50Zr40Ni10 rendszer megfelelő, idő után készített képei a (b), (d) és (f) pontban láthatók.
A golyós marás során a fémporra átvihető effektív kinetikus energiát a paraméterek kombinációja befolyásolja, amint az az 1a. ábrán látható.Ez magában foglalja a golyók és a porok ütközését, az őrlőközeg közé vagy közé beszorult por nyírási összenyomását, a leeső golyók ütéseit, a golyósmalom mozgó testei közötti porellenállás okozta nyírást és kopást, valamint a leeső golyókon áthaladó lökéshullámot, amely a terhelt kultúrán keresztül terjed (1a. ábra). Элементарные порошки Cu, Zr и Ni были сильно деформированы из-за холодной сварки на ранней стадии МА), (3 форакопори крупных частиц порошка (> 1 мм в диаметре). Az elemi Cu, Zr és Ni porok erősen deformálódtak a hideghegesztés következtében az MA korai szakaszában (3 óra), ami nagy (> 1 mm átmérőjű) porszemcsék kialakulásához vezetett.Ezeket a nagyméretű kompozit részecskéket az ötvözőelemek (Cu, Zr, Ni) vastag rétegeinek képződése jellemzi, amint az az 1. ábrán látható.3a,b.Az MA-idő 12 órára való növelése (köztes szakasz) a golyósmalom kinetikus energiájának növekedéséhez vezetett, ami a kompozit por kisebb porokra bomlásához vezetett (200 μm-nél kisebb), amint azt a 3c. ábra mutatja, város.Ebben a szakaszban az alkalmazott nyíróerő új fémfelület kialakulásához vezet vékony Cu, Zr, Ni hint rétegekkel, amint az a 3c, d ábrán látható.A pelyhek határfelületén lévő rétegek őrlődése következtében szilárd fázisú reakciók lépnek fel új fázisok képződésével.
Az MA folyamat csúcspontján (50 óra elteltével) a pelyhes metallográfia alig volt észrevehető (3e, f ábra), a por polírozott felületén pedig tükörmetallográfia volt megfigyelhető.Ez azt jelenti, hogy az MA folyamat befejeződött, és egyetlen reakciófázis jött létre.ábrákon jelzett régiók elemi összetétele.A 3e (I, II, III), f, v, vi) mező emissziós pásztázó elektronmikroszkópiával (FE-SEM) és energiadiszperzív röntgenspektroszkópiával (EDS) kombinálva határoztuk meg.(IV).
táblázatban.Az ötvözőelemek 2 elemi koncentrációja az 1. ábrán kiválasztott egyes régiók össztömegének százalékában látható.3e, f.Ezeket az eredményeket az 1. táblázatban megadott Cu50Zr20Ni30 és Cu50Zr40Ni10 kezdeti névleges összetételével összehasonlítva azt mutatja, hogy e két végtermék összetétele nagyon közel áll a névleges összetételhez.Ezenkívül a 3e, f ábrán felsorolt ​​régiók összetevőinek relatív értékei nem utalnak az egyes minták összetételének jelentős romlására vagy változására egyik régióról a másikra.Ezt bizonyítja, hogy az összetétel nem változik egyik régióról a másikra.Ez a 2. táblázatban látható egységes ötvözetporok előállítását jelzi.
A Cu50(Zr50-xNix) végtermék por FE-SEM mikrofelvételeit 50 MA idő után készítettük, amint az a 4a-d ábrán látható, ahol x értéke 10, 20, 30 és 40 at%-os.Ezt az őrlési lépést követően a por a van der Waals-effektus hatására aggregálódik, ami 73-126 nm átmérőjű, ultrafinom részecskékből álló nagy aggregátumok képződéséhez vezet, amint az a 4. ábrán látható.
50 órás MA után nyert Cu50(Zr50-xNix) porok morfológiai jellemzői.A Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40 rendszerek esetében az 50 MA után kapott porok FE-SEM képeit az (a), (b), (c) és (d) mutatja.
Mielőtt a porokat a hideg permetező adagolóba helyeztük, először analitikai tisztaságú etanolban ultrahanggal kezeltük 15 percig, majd 2 órán át 150 °C-on szárítottuk.Ezt a lépést meg kell tenni az agglomeráció sikeres leküzdéséhez, amely gyakran számos komoly problémát okoz a bevonási folyamatban.Az MA eljárás befejezése után további vizsgálatok történtek az ötvözetporok homogenitásának vizsgálatára.ábrán.Az 5a–d ábrák a Cu50Zr30Ni20 ötvözet Cu, Zr és Ni ötvözőelemeinek FE-SEM mikrográfiáit és megfelelő EDS-képeit mutatják, amelyek 50 óra M idő után készültek.Megjegyzendő, hogy az e lépés után kapott ötvözetporok homogének, mivel nem mutatnak összetétel-ingadozást a nanométer alatti szinten túl, amint azt az 5. ábra mutatja.
Az elemek morfológiája és helyi eloszlása ​​50 MA után FE-SEM/Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) segítségével MG Cu50Zr30Ni20 porban.(a) (b) Cu-Ka, (c) Zr-Lα és (d) Ni-Ka SEM és röntgen EDS képalkotás.
A mechanikusan ötvözött Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30 és Cu50Zr20Ni30 porok röntgendiffrakciós mintázatait 50 órás MA után kapott röntgendiffrakciós mintázatokat a 3. és 2. ábra mutatja.6a–d.Ezt az őrlési szakaszt követően minden különböző Zr-koncentrációjú minta amorf szerkezetű, jellegzetes halo diffúziós mintázattal a 6. ábrán látható.
Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c) és Cu50Zr20Ni30 (d) porok röntgendiffrakciós mintázata MA után 50 órán keresztül.Kivétel nélkül minden mintában halo-diffúziós mintázatot figyeltek meg, ami az amorf fázis kialakulását jelzi.
Nagy felbontású mezőemissziós transzmissziós elektronmikroszkópiát (FE-HRTEM) alkalmaztunk a szerkezeti változások megfigyelésére és a különböző MA ​​időpontokban végzett golyós őrlésből származó porok lokális szerkezetének megértésére.A Cu50Zr30Ni20 és Cu50Zr40Ni10 porok őrlésének korai (6 óra) és közbenső (18 óra) stádiuma után FE-HRTEM módszerrel nyert porok képei az 1-1.7a.A 6 óra MA után kapott por világosmezős képe (BFI) szerint a por nagy szemcsékből áll, amelyekben az fcc-Cu, a hcp-Zr és az fcc-Ni elemek jól meghatározott határai vannak, és reakciófázis kialakulására utaló jelek nem mutatkoznak, amint az a 7a. ábrán látható.Ezenkívül a középső régióból (a) vett korrelált területi diffrakciós mintázat (SADP) éles diffrakciós mintát mutatott (7b. ábra), amely nagy kristályok jelenlétére és reaktív fázis hiányára utal.
A korai (6 óra) és a közbenső (18 óra) stádium után kapott MA por helyi szerkezeti jellemzői.(a) Nagy felbontású mezőemissziós transzmissziós elektronmikroszkópia (FE-HRTEM) és (b) a Cu50Zr30Ni20 por megfelelő kiválasztott területi diffraktogramja (SADP) 6 órás MA-kezelés után.A Cu50Zr40Ni10 FE-HRTEM képe, amelyet 18 órás MA után kapott, a (c) pontban látható.
ábrán látható módon.A 7c. ábrán látható, hogy az MA időtartamának 18 órára történő növelése súlyos rácshibákhoz vezetett, plasztikus deformációval kombinálva.Az MA folyamat ezen közbenső szakaszában különböző hibák jelennek meg a porban, beleértve a halmozási hibákat, a rácshibákat és a ponthibákat (7. ábra).Ezek a hibák a szemcsehatárok mentén lévő nagy szemcsék 20 nm-nél kisebb részszemcsékké való széttöredezését okozzák (7c. ábra).
A 36 órás MA-ig őrölt Cu50Z30Ni20 por lokális szerkezetét az amorf vékony mátrixba ágyazott ultrafinom nanoszemcsék képződése jellemzi, amint az a 8a. ábrán látható.Az EMF helyi elemzése azt mutatta, hogy az 1-1. ábrán látható nanoklaszterek.A 8a. ábra kezeletlen Cu, Zr és Ni porötvözetekhez kapcsolódik.A mátrix réztartalma ~32 at.% (rossz zóna) és ~74 at.% (gazdag zóna) között változott, ami heterogén termékek képződésére utal.Ezenkívül az ebben a lépésben őrlés után kapott porok megfelelő SADP-jei primer és szekunder halogén diffúziós amorf fázisú gyűrűket mutatnak, amelyek átfedik ezeket a kezeletlen ötvözőelemekhez kapcsolódó éles pontokat, amint az a 8b. ábrán látható.
A Beyond 36 h-Cu50Zr30Ni20 por nanoméretű helyi szerkezeti jellemzői.(a) Világos mező kép (BFI) és a megfelelő (b) Cu50Zr30Ni20 por SADP-je, amelyet 36 órás őrlés után kaptak.
Az MA-folyamat vége felé (50 óra) a Cu50(Zr50-xNix), X, 10, 20, 30 és 40 at.%-os porok kivétel nélkül az amorf fázis labirintusos morfológiájával rendelkeznek, amint az ábra mutatja.Sem pontdiffrakció, sem éles gyűrű alakú mintázat nem volt kimutatható az egyes összetételek megfelelő SADS-eiben.Ez a kezeletlen kristályos fém hiányát, hanem inkább amorf ötvözetpor képződését jelzi.Ezeket a korrelált SADP-ket, amelyek halo diffúziós mintázatot mutatnak, bizonyítékként használták a végtermék anyagában az amorf fázisok kialakulásához.
A Cu50 MS rendszer végtermékének lokális szerkezete (Zr50-xNix).Az (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 és (d) Cu50Zr10Ni40 FE-HRTEM és korrelált nanosugár-diffrakciós mintázata (NBDP), amelyet 50 óra MA után kaptunk.
Differenciális pásztázó kalorimetriával vizsgáltuk az üvegesedési hőmérséklet (Tg), a túlhűtött folyadék tartomány (ΔTx) és a kristályosodási hőmérséklet (Tx) termikus stabilitását a Cu50(Zr50-xNix) amorf rendszerben a Ni (x) tartalom függvényében.(DSC) tulajdonságai a He gázáramban.Az 50 órás MA után kapott Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr30Ni20 és Cu50Zr10Ni40 amorf ötvözetek porainak DSC-görbéit a 3. és 2. ábrák mutatják.10a, b, e, ill.Míg az amorf Cu50Zr20Ni30 DSC-görbéje külön látható a 10. századi ábrán, addig a 10g. ábrán egy Cu50Zr30Ni20-minta látható, amelyet DSC-ben ~700 °C-ra hevítettek.
Az MA után 50 órán át nyert Cu50(Zr50-xNix) MG porok hőstabilitását az üvegesedési hőmérséklet (Tg), a kristályosodási hőmérséklet (Tx) és a túlhűtött folyadéktartomány (ΔTx) határozza meg.Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c) és (e) Cu50Zr10Ni40 MG ötvözetporok differenciális pásztázó kaloriméter (DSC) porainak termogramja MA után 50 órán keresztül.A DSC-ben ~700 °C-ra melegített Cu50Zr30Ni20 minta röntgendiffrakciós mintázata (XRD) látható a (d).
Amint a 10. ábrán látható, a DSC görbék minden, különböző nikkelkoncentrációjú készítményre (x) két különböző esetet jeleznek, az egyik endoterm, a másik exoterm.Az első endoterm esemény a Tg-nek felel meg, a második pedig a Tx-hez kapcsolódik.A Tg és Tx között létező vízszintes tartományt hűtött folyadékterületnek nevezzük (ΔTx = Tx – Tg).Az eredmények azt mutatják, hogy az 526°C-on és 612°C-on elhelyezett Cu50Zr40Ni10 minta Tg és Tx értékei (10a. ábra) a tartalmat (x) 20%-ra tolják el a 482°C és 563°C alacsony hőmérsékleti oldala felé.°C növekvő Ni-tartalommal (x), amint az a 10b. ábrán látható.Következésképpen a ΔTx Cu50Zr40Ni10 86°С-ról (10a. ábra) 81°С-ra csökken Cu50Zr30Ni20 esetén (10b. ábra).Az MC Cu50Zr40Ni10 ötvözet esetében a Tg, Tx és ΔTx értékek 447°С-ra, 526°С-ra és 79°С-ra is csökkentek (10b. ábra).Ez azt jelzi, hogy a Ni-tartalom növekedése az MS-ötvözet termikus stabilitásának csökkenéséhez vezet.Éppen ellenkezőleg, az MC Cu50Zr20Ni30 ötvözet Tg értéke (507 °C) alacsonyabb, mint az MC Cu50Zr40Ni10 ötvözeté;ennek ellenére a Tx-je ehhez hasonló értéket mutat (612 °C).Ezért a ΔTx értéke magasabb (87 °C), amint az az 1. ábrán látható.10. század
A Cu50(Zr50-xNix) MC rendszer, példaként a Cu50Zr20Ni30 MC ötvözet felhasználásával, egy éles exoterm csúcson keresztül kristályosodik fcc-ZrCu5, ortoromb-Zr7Cu10 és ortoromb-ZrNi kristályos fázisokká (ábra).Ezt az amorfból kristályossá való fázisátmenetet az MG-minta röntgendiffrakciós analízisével igazoltuk (10d. ábra), amelyet DSC-ben 700 °C-ra melegítettünk.
ábrán.A 11. ábrán a jelenlegi munka során végzett hidegpermetezési eljárás során készült fényképek láthatók.Ebben a vizsgálatban az MA után 50 órán keresztül szintetizált fém üvegszerű porszemcséket (például Cu50Zr20Ni30 felhasználásával) használtak antibakteriális nyersanyagként, és egy rozsdamentes acéllemezt (SUS304) hideg spray bevonattal láttunk el.A hidegszórásos módszert azért választottuk a termikus szórás technológiai sorozat bevonására, mert ez a leghatékonyabb módszer a termikus permetezési technológia sorozatban, ahol fémes, metastabil hőérzékeny anyagokhoz, például amorf és nanokristályos porokhoz alkalmazható.Nem függ a fázistól.átmenetek.Ez a fő szempont a módszer kiválasztásánál.A hideg felhordási eljárást nagy sebességű részecskék felhasználásával hajtják végre, amelyek a részecskék kinetikus energiáját plasztikus deformációvá, deformációvá és hővé alakítják a hordozóval vagy korábban lerakódott részecskékkel való ütközéskor.
A helyszíni fényképeken az MG/SUS 304 öt egymást követő, 550 °C-on történő elkészítéséhez alkalmazott hideg permetezési eljárás látható.
A részecskék kinetikus energiáját, valamint az egyes részecskék lendületét a bevonat kialakítása során más energiaformákká kell alakítani olyan mechanizmusok révén, mint plasztikus deformáció (elsődleges részecskék és részecskék közötti kölcsönhatások a mátrixban és részecskék kölcsönhatásai), szilárd anyagok intersticiális csomói, a részecskék közötti forgás, a fűtési energia összeadása, deformáció és energiakorlátozás. és deformációs energiát, az eredmény rugalmas ütközés lesz, ami azt jelenti, hogy a részecskék egyszerűen lepattannak az ütközés után.Megjegyezték, hogy a részecske/hordozóanyagra kifejtett ütési energia 90%-a helyi hővé alakul 40 .Ezen túlmenően, ha ütési feszültséget alkalmazunk, nagyon rövid idő alatt nagy képlékeny alakváltozási sebesség érhető el a részecske/hordozó érintkezési tartományban41,42.
A képlékeny deformációt általában energiaeloszlási folyamatnak, vagy inkább hőforrásnak tekintik a határfelületi régióban.A határfelületi régió hőmérséklet-emelkedése azonban általában nem elegendő a határfelületi olvadáshoz vagy az atomok kölcsönös diffúziójának jelentős stimulálásához.A szerzők által ismert publikáció nem vizsgálta ezen fémes üvegszerű porok tulajdonságainak hatását a por tapadására és a hidegpermetezési technikák alkalmazásakor fellépő ülepedésre.
Az MG Cu50Zr20Ni30 ötvözetpor BFI-je a 12a. ábrán látható, amely a SUS 304 szubsztrátumra került (11., 12b. ábra).Amint az ábrán látható, a bevont porok megőrzik eredeti amorf szerkezetüket, mivel finom labirintusszerkezettel rendelkeznek, kristályos jellemzők vagy rácshibák nélkül.Másrészt a kép idegen fázis jelenlétét jelzi, amit az MG-bevonatú pormátrixban lévő nanorészecskék bizonyítanak (12a. ábra).A 12c. ábra az I. régióhoz kapcsolódó indexált nanosugár diffrakciós mintát (NBDP) mutatja (12a. ábra).ábrán látható módon.A 12c. ábrán látható, hogy az NBDP gyenge halo-diffúziós mintázatot mutat az amorf szerkezettel, és éles foltokkal együtt létezik, amelyek egy kristályos nagy köbös metastabil Zr2Ni-fázisnak és egy tetragonális CuO fázisnak felelnek meg.A CuO képződése a por oxidációjával magyarázható, amikor a szórópisztoly fúvókájából a SUS 304-be kerül szabad levegőn, szuperszonikus áramlásban.Másrészt a fémüveges porok devitrifikációja nagy köbös fázisok képződését eredményezte 550 °C-on 30 percig tartó hidegpermetezés után.
(a) FE-HRTEM képe a (b) SUS 304 hordozóra lerakott MG-porról (ábra beillesztése).Az (a)-ban látható kerek szimbólum NBDP-indexe a (c)-ben látható.
A nagy köbös Zr2Ni nanorészecskék kialakulásának lehetséges mechanizmusának tesztelésére független kísérletet végeztünk.Ebben a kísérletben porokat permeteztek egy porlasztóból 550 °C-on a SUS 304 szubsztrát irányába;azonban a lágyító hatás meghatározásához a porokat a lehető leggyorsabban (kb. 60 s) eltávolítottuk a SUS304 szalagról.).Egy másik kísérletsorozatot végeztek, amelyben a port körülbelül 180 másodperccel a felhordás után eltávolították a szubsztrátumról.
A 13a, b ábrák pásztázó transzmissziós elektronmikroszkópos (STEM) sötét mező (DFI) képét mutatják két porlasztott anyagról, amelyeket SUS 304 szubsztrátumra helyeztek fel 60 másodpercig, illetve 180 másodpercig.A 60 másodpercig lerakott porkép morfológiai részletek nélkül, jellegtelenséget mutat (13a. ábra).Ezt az XRD is megerősítette, amely azt mutatta, hogy ezeknek a poroknak a teljes szerkezete amorf, amint azt a 14a. ábrán látható széles elsődleges és másodlagos diffrakciós csúcsok jelzik.Ez a metastabil/mezofázisos csapadék hiányát jelzi, amelyben a por megőrzi eredeti amorf szerkezetét.Ezzel szemben az azonos hőmérsékleten (550 °C) lerakódott, de a hordozón 180 másodpercig hagyott por nanoméretű szemcsék lerakódását mutatta, amint azt a 13b. ábra nyilai mutatják.