Terima kasih telah mengunjungi Nature.com.Versi browser yang Anda gunakan memiliki dukungan terbatas untuk CSS.Untuk pengalaman terbaik, kami sarankan Anda menggunakan browser yang diperbarui (atau matikan mode kompatibilitas di Internet Explorer). Sementara itu, untuk memastikan dukungan yang berkelanjutan, kami akan menampilkan situs tanpa gaya dan JavaScript.
Biofilm adalah komponen penting dalam perkembangan infeksi kronis, terutama ketika peralatan medis terlibat. Masalah ini menghadirkan tantangan besar bagi komunitas medis, karena antibiotik standar hanya dapat membasmi biofilm hingga batas yang sangat terbatas. Mencegah pembentukan biofilm telah mengarah pada pengembangan berbagai metode pelapisan dan bahan baru. Metode ini bertujuan untuk melapisi permukaan dengan cara yang menghambat pembentukan biofilm. Aloi kaca logam, terutama yang mengandung logam tembaga dan titanium, telah muncul sebagai pelapis antimikroba yang ideal. Pada saat yang sama, penggunaan teknologi semprotan dingin telah meningkat karena adalah metode yang cocok untuk memproses bahan yang peka terhadap suhu. Bagian dari tujuan penelitian ini adalah untuk mengembangkan kaca film antibakteri novel yang terdiri dari Cu-Zr-Ni terner menggunakan teknik paduan mekanis. Serbuk bulat yang membentuk produk akhir digunakan sebagai bahan baku untuk pelapisan semprot dingin pada permukaan baja tahan karat pada suhu rendah. Substrat yang dilapisi dengan kaca logam mampu secara signifikan mengurangi pembentukan biofilm setidaknya 1 log dibandingkan dengan baja tahan karat.
Sepanjang sejarah manusia, setiap masyarakat telah mampu merancang dan mempromosikan pengenalan bahan-bahan baru yang memenuhi persyaratan spesifiknya, yang telah menghasilkan peningkatan kinerja dan peringkat dalam ekonomi global1. Itu selalu dikaitkan dengan kemampuan manusia untuk mengembangkan bahan dan peralatan fabrikasi dan desain untuk fabrikasi dan karakterisasi bahan untuk mencapai keuntungan di bidang kesehatan, pendidikan, industri, ekonomi, budaya, dan bidang lainnya dari satu negara atau wilayah ke negara lain Kemajuan diukur terlepas dari negara atau wilayah.2 Selama 60 tahun, ilmuwan material telah mencurahkan sebagian besar waktunya untuk berfokus pada satu perhatian utama: pengejaran material baru dan mutakhir. Penelitian terbaru berfokus pada peningkatan kualitas dan kinerja material yang ada, serta mensintesis dan menciptakan jenis material yang sama sekali baru.
Penambahan elemen paduan, modifikasi struktur mikro material, dan penerapan teknik pemrosesan termal, mekanis, atau termo-mekanis telah menghasilkan peningkatan yang signifikan dalam sifat mekanik, kimia, dan fisik dari berbagai material berbeda. Selanjutnya, senyawa yang belum pernah terdengar sebelumnya telah berhasil disintesis pada titik ini. Upaya gigih ini telah melahirkan keluarga baru material inovatif, yang secara kolektif dikenal sebagai Material Canggih2. Kristal nano, partikel nano, tabung nano, titik kuantum, logam nol dimensi, logam amorf kaca, dan paduan entropi tinggi hanyalah beberapa contoh bahan canggih yang diperkenalkan ke dunia sejak pertengahan abad lalu. Ketika membuat dan mengembangkan paduan baru dengan sifat unggul, baik dalam produk akhir atau dalam tahap menengah produksinya, masalah ketidakseimbangan sering ditambahkan.
Karyanya di Caltech pada tahun 1960 membawa revolusi dalam konsep paduan logam ketika ia mensintesis kaca Au-25 pada.% Paduan Si dengan memadatkan cairan dengan cepat pada hampir satu juta derajat per detik 4. Peristiwa penemuan Profesor Pol Duwezs tidak hanya menandai awal sejarah gelas metalik (MG), tetapi juga menyebabkan perubahan paradigma dalam cara orang berpikir tentang paduan logam. Sejak studi perintis paling awal dalam sintesis paduan MG, hampir semua gelas logam telah diproduksi seluruhnya dengan menggunakan salah satu cara berikut;(i) pemadatan cepat dari lelehan atau uap, (ii) atom kekacauan kisi, (iii) reaksi amorfisasi keadaan padat antara unsur logam murni, dan (iv) transisi keadaan padat dari fase metastabil.
MG dibedakan oleh kurangnya urutan atom jarak jauh yang terkait dengan kristal, yang merupakan ciri khas kristal. Di dunia saat ini, kemajuan besar telah dibuat di bidang kaca metalik. Mereka adalah bahan baru dengan sifat menarik yang menarik tidak hanya dalam fisika keadaan padat, tetapi juga dalam metalurgi, kimia permukaan, teknologi, biologi, dan banyak bidang lainnya. Jenis bahan baru ini menunjukkan sifat yang berbeda dari logam padat, menjadikannya kandidat yang menarik untuk aplikasi teknologi di berbagai bidang. Mereka memiliki beberapa sifat penting;(i) daktilitas mekanik tinggi dan kekuatan luluh, (ii) permeabilitas magnetik tinggi, (iii) koersivitas rendah, (iv) ketahanan korosi yang tidak biasa, (v) kemandirian suhu Konduktivitas 6,7.
Paduan mekanis (MA)1,8 adalah teknik yang relatif baru, pertama kali diperkenalkan pada tahun 19839 oleh Prof. CC Kock dan rekannya. Mereka menyiapkan bubuk Ni60Nb40 amorf dengan menggiling campuran unsur murni pada suhu sekitar yang sangat dekat dengan suhu kamar.Biasanya, reaksi MA dilakukan antara penggandengan difusi serbuk bahan reaktan dalam reaktor, biasanya terbuat dari baja tahan karat ke dalam ball mill 10 (Gbr. 1a, b). Sejak saat itu, teknik reaksi keadaan padat yang diinduksi secara mekanis ini telah digunakan untuk menyiapkan bubuk paduan kaca amorf/logam baru menggunakan ball mill berenergi rendah (Gbr. 1c) dan tinggi, serta rod mills11,12,13,14,15, 16.Khususnya, ini metode telah digunakan untuk menyiapkan sistem yang tidak bercampur seperti Cu-Ta17, serta paduan titik leleh tinggi seperti sistem logam transisi-Al (TM; Zr, Hf, Nb dan Ta)18,19 dan Fe-W20 , yang tidak dapat diperoleh dengan menggunakan rute persiapan konvensional. Selain itu, MA dianggap sebagai salah satu alat nanoteknologi yang paling kuat untuk persiapan partikel bubuk nanokristalin dan nanokomposit skala industri dari oksida logam, karbida, nitrida, hidrida, nanotube karbon, nanodiamonds, serta stabilisasi luas melalui pendekatan top-down 1 dan tahapan metastabil.
Skema yang menunjukkan metode fabrikasi yang digunakan untuk menyiapkan pelapis kaca metalik (MG) Cu50(Zr50−xNix)/SUS 304 dalam penelitian ini.(a) Persiapan serbuk paduan MG dengan konsentrasi Ni yang berbeda x (x; 10, 20, 30, dan 40 at.%) menggunakan teknik penggilingan bola energi rendah.(a) Bahan awal dimuat ke dalam silinder perkakas bersama dengan bola baja perkakas, dan (b) disegel dalam kotak sarung tangan yang diisi dengan atmosfer He.(c) Transparan model bejana gerinda yang mengilustrasikan gerakan bola selama gerinda. Produk akhir serbuk yang diperoleh setelah 50 jam digunakan untuk melapisi substrat SUS 304 menggunakan metode semprotan dingin (d).
Ketika berbicara tentang permukaan material curah (substrat), rekayasa permukaan melibatkan desain dan modifikasi permukaan (substrat) untuk memberikan kualitas fisik, kimia, dan teknis tertentu yang tidak terkandung dalam material curah asli. Beberapa sifat yang dapat ditingkatkan secara efektif dengan perawatan permukaan termasuk ketahanan abrasi, ketahanan oksidasi dan korosi, koefisien gesekan, bio-inertness, sifat listrik, dan insulasi termal, untuk beberapa nama. Kualitas permukaan dapat ditingkatkan dengan menggunakan teknik metalurgi, mekanik, atau kimia. Sebagai proses yang terkenal, pelapisan secara sederhana didefinisikan sebagai satu atau beberapa lapisan bahan yang secara artifisial diendapkan pada permukaan objek curah (substrat) yang terbuat dari bahan lain. Dengan demikian, pelapis digunakan sebagian untuk mencapai beberapa sifat teknis atau dekoratif yang diinginkan, serta untuk melindungi bahan dari interaksi kimia dan fisik yang diharapkan dengan lingkungan sekitar23.
Untuk mendepositkan lapisan pelindung permukaan yang sesuai dengan ketebalan mulai dari beberapa mikrometer (di bawah 10-20 mikrometer) hingga lebih dari 30 mikrometer atau bahkan beberapa milimeter, banyak metode dan teknik yang dapat diterapkan. Secara umum, proses pelapisan dapat dibagi menjadi dua kategori: (i) metode pelapisan basah, termasuk pelapisan listrik, pelapisan tanpa listrik, dan metode galvanisasi celup panas, dan (ii) metode pelapisan kering, termasuk mematri, permukaan, pengendapan uap fisik (PVD), bahan kimia deposisi uap (CVD), teknik semprotan termal dan teknik semprotan dingin baru-baru ini 24 (Gbr. 1d).
Biofilm didefinisikan sebagai komunitas mikroba yang melekat secara permanen pada permukaan dan dikelilingi oleh polimer ekstraseluler (EPS) yang diproduksi sendiri. Pembentukan biofilm yang matang secara dangkal dapat menyebabkan kerugian yang signifikan di banyak sektor industri, termasuk industri makanan, sistem air, dan lingkungan perawatan kesehatan. Pada manusia, ketika biofilm terbentuk, lebih dari 80% kasus infeksi mikroba (termasuk Enterobacteriaceae dan Staphylococci) sulit diobati. lipat lebih tahan terhadap pengobatan antibiotik dibandingkan dengan sel bakteri planktonik, yang dianggap sebagai tantangan terapeutik utama. Bahan pelapis permukaan antimikroba yang berasal dari senyawa organik konvensional secara historis telah digunakan. Meskipun bahan tersebut sering mengandung komponen beracun yang berpotensi berisiko bagi manusia,25,26 dapat membantu menghindari penularan bakteri dan perusakan bahan.
Resistensi luas bakteri terhadap perawatan antibiotik karena pembentukan biofilm telah menyebabkan kebutuhan untuk mengembangkan permukaan berlapis membran antimikroba yang efektif yang dapat diterapkan dengan aman.27. Pengembangan permukaan anti-perlekatan fisik atau kimia yang menghambat sel-sel bakteri untuk mengikat dan membangun biofilm karena adhesi adalah pendekatan pertama dalam proses ini. 8, black diamond29 dan lapisan karbon seperti berlian yang didoping ZnO30 yang resisten terhadap bakteri, sebuah teknologi yang memaksimalkan Toksisitas dan pengembangan resistensi karena pembentukan biofilm berkurang secara signifikan. Selain itu, pelapis yang memasukkan bahan kimia pembunuh kuman ke permukaan untuk memberikan perlindungan jangka panjang dari kontaminasi bakteri menjadi lebih populer. Meskipun ketiga prosedur tersebut mampu menghasilkan efek antimikroba pada permukaan yang dilapisi, masing-masing memiliki batasannya sendiri yang harus dipertimbangkan saat mengembangkan strategi aplikasi.
Produk yang saat ini beredar di pasaran terhambat oleh waktu yang tidak mencukupi untuk menganalisis dan menguji lapisan pelindung untuk bahan aktif biologis. Perusahaan mengklaim bahwa produk mereka akan memberikan aspek fungsional yang diinginkan kepada pengguna;namun, hal ini menjadi hambatan bagi kesuksesan produk yang saat ini ada di pasaran. Senyawa yang berasal dari perak digunakan di sebagian besar terapi antimikroba yang sekarang tersedia untuk konsumen. Produk ini dikembangkan untuk melindungi pengguna dari efek mikroorganisme yang berpotensi berbahaya. Efek antimikroba yang tertunda dan toksisitas terkait senyawa perak meningkatkan tekanan pada peneliti untuk mengembangkan alternatif yang tidak terlalu berbahaya36,37.Menciptakan lapisan antimikroba global yang bekerja di dalam dan di luar ruangan masih terbukti menjadi tugas yang menakutkan. kurang berbahaya bagi manusia dan mencari cara untuk memasukkannya ke dalam substrat pelapis dengan umur simpan yang lebih lama adalah tujuan yang sangat dicari38.Bahan antimikroba dan anti-biofilm terbaru dirancang untuk membunuh bakteri dalam jarak dekat, baik melalui kontak langsung atau setelah agen aktif dilepaskan.Mereka dapat melakukan ini dengan menghambat adhesi bakteri awal (termasuk menangkal pembentukan lapisan protein di permukaan) atau dengan membunuh bakteri dengan mengganggu dinding sel.
Pada dasarnya, pelapisan permukaan adalah proses penempatan lapisan lain pada permukaan suatu komponen untuk meningkatkan kualitas yang berhubungan dengan permukaan. Tujuan pelapisan permukaan adalah untuk menyesuaikan struktur mikro dan/atau komposisi daerah dekat permukaan komponen39. Teknik pelapisan permukaan dapat dibagi menjadi beberapa metode berbeda, yang dirangkum dalam Gambar 2a. Pelapisan dapat dibagi lagi menjadi kategori termal, kimia, fisik, dan elektrokimia, bergantung pada metode yang digunakan untuk membuat pelapisan.
(a) Inset menunjukkan teknik fabrikasi utama yang digunakan untuk permukaan, dan (b) keuntungan dan kerugian terpilih dari teknik semprotan dingin.
Teknologi cold spray memiliki banyak kesamaan dengan metode thermal spray konvensional. Namun, ada juga beberapa sifat dasar utama yang membuat proses cold spray dan bahan cold spray menjadi sangat unik. Teknologi cold spray masih dalam tahap awal, namun memiliki masa depan yang cerah. Dalam aplikasi tertentu, sifat unik dari cold spray menawarkan manfaat besar, mengatasi keterbatasan yang melekat pada metode thermal spray pada umumnya. Ini memberikan cara untuk mengatasi keterbatasan signifikan teknologi thermal spray tradisional, di mana bubuk harus dilelehkan untuk mengendap ke substrat. Jelas, proses pelapisan tradisional ini tidak cocok untuk banyak bahan yang peka terhadap suhu seperti kristal nano, partikel nano, gelas amorf dan logam40, 41, 42.Selanjutnya, bahan pelapis semprotan termal selalu menunjukkan tingkat porositas dan oksida yang tinggi. Teknologi semprotan dingin memiliki banyak keunggulan signifikan dibandingkan teknologi semprotan termal, seperti (i) input panas minimal ke substrat, (ii) fleksibilitas dalam pilihan pelapisan substrat, (iii) tidak adanya transformasi fasa dan pertumbuhan butir, (iv) kekuatan ikatan yang tinggi1,39 (Gbr.2b).Selain itu, bahan pelapis cold spray memiliki ketahanan korosi yang tinggi, kekuatan dan kekerasan yang tinggi, konduktivitas listrik yang tinggi dan densitas yang tinggi41.Berlawanan dengan keuntungan dari proses cold spray, masih ada beberapa kelemahan untuk menggunakan teknik ini, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2b.Ketika melapisi bubuk keramik murni seperti Al2O3, TiO2, ZrO2, WC, dll., metode cold spray tidak dapat digunakan. Di sisi lain, bubuk komposit keramik/logam dapat digunakan sebagai bahan baku pelapis. Hal yang sama berlaku untuk metode semprotan termal lainnya. Permukaan yang rumit dan permukaan pipa bagian dalam masih sulit untuk disemprot.
Mengingat bahwa pekerjaan saat ini bertujuan untuk menggunakan serbuk kaca metalik sebagai bahan pelapis mentah, jelas bahwa penyemprotan termal konvensional tidak dapat digunakan untuk tujuan ini. Hal ini karena bubuk kaca metalik mengkristal pada suhu tinggi1.
Sebagian besar alat yang digunakan dalam industri medis dan makanan terbuat dari paduan baja tahan karat austenitik (SUS316 dan SUS304) dengan kandungan kromium antara 12 dan 20% berat untuk produksi instrumen bedah. Secara umum diterima bahwa penggunaan logam kromium sebagai elemen paduan dalam paduan baja dapat sangat meningkatkan ketahanan korosi paduan baja standar. Paduan baja tahan karat, meskipun memiliki ketahanan korosi yang tinggi, tidak menunjukkan sifat antimikroba yang signifikan38,39. ketahanan korosinya yang tinggi.Setelah ini, perkembangan infeksi dan peradangan dapat diprediksi, yang terutama disebabkan oleh adhesi bakteri dan kolonisasi pada permukaan biomaterial stainless steel.Kesulitan yang signifikan dapat timbul karena kesulitan yang signifikan terkait dengan adhesi bakteri dan jalur pembentukan biofilm, yang dapat menyebabkan penurunan kesehatan, yang mungkin memiliki banyak konsekuensi yang dapat secara langsung atau tidak langsung mempengaruhi kesehatan manusia.
Studi ini adalah fase pertama dari sebuah proyek yang didanai oleh Kuwait Foundation for the Advancement of Science (KFAS), Kontrak No. 2010-550401, untuk menyelidiki kelayakan produksi bubuk ternary Cu-Zr-Ni kaca logam menggunakan teknologi MA (Tabel 1) untuk produksi film antibakteri/lapisan pelindung permukaan SUS304. Fase kedua proyek, yang akan dimulai pada Januari 2023, akan memeriksa karakteristik korosi elektrokimia dan sifat mekanik sistem detail.Tes mikrobiologi terperinci akan dilakukan untuk spesies bakteri yang berbeda.
Dalam makalah ini, pengaruh kandungan elemen paduan Zr pada kemampuan pembentukan kaca (GFA) dibahas berdasarkan karakteristik morfologi dan struktural. Selain itu, sifat antibakteri dari lapisan serbuk kaca metalik terlapis/komposit SUS304 juga dibahas. Selanjutnya, pekerjaan saat ini telah dilakukan untuk menyelidiki kemungkinan transformasi struktural serbuk kaca metalik yang terjadi selama penyemprotan dingin dalam daerah cairan subdingin dari sistem kaca metalik fabrikasi. Sebagai contoh yang representatif, Cu50Zr30Ni20 dan Cu50Zr20Ni3 0 paduan kaca metalik telah digunakan dalam penelitian ini.
Pada bagian ini, disajikan perubahan morfologi bubuk unsur Cu, Zr dan Ni dalam ball milling energi rendah. Sebagai contoh ilustrasi, dua sistem berbeda yang terdiri dari Cu50Zr20Ni30 dan Cu50Zr40Ni10 akan digunakan sebagai contoh yang representatif. Proses MA dapat dibagi menjadi tiga tahap berbeda, seperti yang ditunjukkan oleh karakterisasi metalografi serbuk yang dihasilkan selama tahap penggilingan (Gambar 3).
Karakteristik metalografi dari serbuk paduan mekanik (MA) diperoleh setelah berbagai tahap waktu penggilingan bola. Gambar pemindaian emisi medan mikroskop elektron (FE-SEM) dari bubuk MA dan Cu50Zr40Ni10 diperoleh setelah waktu penggilingan bola energi rendah 3, 12 dan 50 jam ditunjukkan dalam (a), (c) dan (e) untuk sistem Cu50Zr20Ni30, sementara di MA yang sama Gambar yang sesuai dari sistem Cu50Zr40Ni10 diambil setelah waktu ditunjukkan dalam (b), (d) dan (f).
Selama penggilingan bola, energi kinetik efektif yang dapat ditransfer ke serbuk logam dipengaruhi oleh kombinasi parameter, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1a. Ini termasuk tumbukan antara bola dan serbuk, geser tekan serbuk yang tersangkut di antara atau di antara media gerinda, benturan bola yang jatuh, geser dan keausan karena tarikan serbuk antara media penggilingan bola yang bergerak, dan gelombang kejut yang melewati Bola jatuh menyebar melalui beban tanaman (Gbr. 1a). Serbuk unsur Cu, Zr, dan Ni mengalami deformasi parah akibat pengelasan dingin pada tahap awal MA (3 jam), menghasilkan partikel serbuk yang besar (berdiameter >1 mm). Partikel komposit yang besar ini ditandai dengan terbentuknya lapisan tebal unsur paduan (Cu, Zr, Ni), seperti ditunjukkan pada Gambar 3a,b. Peningkatan waktu MA menjadi 12 jam (tahap menengah) mengakibatkan peningkatan energi kinetik ball mill, sehingga terjadi dekomposisi serbuk komposit menjadi serbuk yang lebih halus (kurang dari 200 µm), seperti ditunjukkan pada Gambar 3c,d.Pada tahap ini , gaya geser yang diterapkan mengarah pada pembentukan permukaan logam baru dengan lapisan petunjuk Cu, Zr, Ni yang halus, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3c, d. Sebagai hasil dari penyempurnaan lapisan, reaksi fase padat terjadi pada antarmuka serpihan untuk menghasilkan fase baru.
Pada klimaks proses MA (setelah 50 jam), metalografi serpihan hanya terlihat samar (Gbr. 3e, f), tetapi permukaan bubuk yang dipoles menunjukkan metalografi cermin. Ini berarti bahwa proses MA telah selesai dan penciptaan fase reaksi tunggal telah terjadi. Komposisi unsur dari daerah yang diindeks pada Gambar. 3e (I, II, III), f, v, vi) ditentukan dengan menggunakan pemindaian emisi medan mikroskop elektron (FE-SEM) dikombinasikan dengan energi dispersif Spektroskopi sinar-X (EDS) (IV).
Pada Tabel 2, konsentrasi unsur unsur paduan ditampilkan sebagai persentase dari berat total masing-masing daerah yang dipilih pada Gambar. 3e,f.Ketika membandingkan hasil ini dengan komposisi nominal awal Cu50Zr20Ni30 dan Cu50Zr40Ni10 yang tercantum pada Tabel 1, dapat dilihat bahwa komposisi dari kedua produk akhir ini memiliki nilai yang sangat mirip dengan komposisi nominal.Selain itu, nilai komponen relatif untuk daerah yang tercantum pada Gambar. 3e,f tidak mempengaruhi ly penurunan atau fluktuasi yang signifikan dalam komposisi setiap sampel dari satu daerah ke daerah lain.Hal ini dibuktikan dengan fakta bahwa tidak ada perubahan komposisi dari satu daerah ke daerah lain.Hal ini menunjukkan produksi bubuk paduan homogen, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 2.
Mikrograf FE-SEM dari produk akhir bubuk Cu50 (Zr50−xNix) diperoleh setelah 50 kali MA, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4a – d, di mana x masing-masing adalah 10, 20, 30, dan 40 pada%. Setelah langkah penggilingan ini, agregat bubuk karena efek van der Waals, menghasilkan pembentukan agregat besar yang terdiri dari partikel ultrahalus dengan diameter mulai dari 73 hingga 126 nm, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.
Karakteristik morfologi serbuk Cu50(Zr50−xNix) diperoleh setelah waktu MA 50 jam. Untuk sistem Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40, gambar FE-SEM dari serbuk yang diperoleh setelah 50 kali MA masing-masing ditunjukkan dalam (a), (b), (c) dan (d).
Sebelum memasukkan serbuk ke dalam pengumpan semprotan dingin, pertama-tama disonikasi dalam etanol tingkat analitik selama 15 menit dan kemudian dikeringkan pada suhu 150 ° C selama 2 jam. Langkah ini harus diambil untuk berhasil memerangi aglomerasi yang sering menyebabkan banyak masalah signifikan selama proses pelapisan. Setelah proses MA selesai, karakterisasi lebih lanjut dilakukan untuk menyelidiki homogenitas serbuk paduan. Gambar 5a – d menunjukkan mikrograf FE-SEM dan gambar EDS yang sesuai dari Cu, Zr dan Ni elemen paduan dari paduan Cu50Zr30Ni20 masing-masing diperoleh setelah 50 jam waktu M. Perlu dicatat bahwa bubuk paduan yang dihasilkan setelah langkah ini adalah homogen karena tidak menunjukkan fluktuasi komposisi apa pun di luar tingkat sub-nanometer, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.
Morfologi dan distribusi unsur lokal bubuk MG Cu50Zr30Ni20 diperoleh setelah 50 MA kali dengan FE-SEM/spektroskopi sinar-X dispersif energi (EDS).(a) SEM dan pemetaan EDS sinar-X dari (b) gambar Cu-Kα, (c) Zr-Lα dan (d) Ni-Kα.
Pola XRD dari serbuk Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30 dan Cu50Zr20Ni30 paduan mekanis yang diperoleh setelah waktu MA 50 jam masing-masing ditunjukkan pada Gambar. 6a-d. Setelah tahap penggilingan ini, semua sampel dengan konsentrasi Zr yang berbeda menunjukkan struktur amorf dengan pola difusi halo karakteristik yang ditunjukkan pada Gambar. 6.
Pola XRD dari (a) bubuk Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 dan (d) Cu50Zr20Ni30 setelah waktu MA 50 jam. Semua sampel tanpa kecuali menunjukkan pola difusi halo, menyiratkan pembentukan fase amorf.
Mikroskopi elektron transmisi beresolusi tinggi bidang emisi (FE-HRTEM) digunakan untuk mengamati perubahan struktural dan memahami struktur lokal serbuk yang dihasilkan dari penggilingan bola pada waktu MA yang berbeda. Gambar FE-HRTEM dari serbuk yang diperoleh setelah tahap awal (6 jam) dan menengah (18 jam) penggilingan untuk bubuk Cu50Zr30Ni20 dan Cu50Zr40Ni10 masing-masing ditunjukkan pada Gambar. 7a, c. Menurut gambar medan terang (BFI) dari bubuk yang dihasilkan setelah MA 6 jam, bubuk terdiri dari butiran besar dengan batas yang jelas dari elemen fcc-Cu, hcp-Zr dan fcc-Ni, dan tidak ada tanda-tanda bahwa fase reaksi telah terbentuk, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. fase.
Karakterisasi struktural lokal bubuk MA diperoleh setelah tahap awal (6 jam) dan menengah (18 jam). (a) Mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi emisi lapangan (FE-HRTEM), dan (b) pola difraksi area terpilih yang sesuai (SADP) dari bubuk Cu50Zr30Ni20 setelah perawatan MA selama 6 jam. Gambar FE-HRTEM dari Cu50Zr40Ni10 diperoleh setelah waktu MA 18 jam ditunjukkan pada (c).
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7c, memperpanjang durasi MA hingga 18 jam menghasilkan cacat kisi yang parah yang dikombinasikan dengan deformasi plastis. Selama tahap peralihan dari proses MA ini, bubuk menunjukkan berbagai cacat, termasuk kesalahan susun, cacat kisi, dan cacat titik (Gambar 7). Cacat ini menyebabkan butiran besar terbelah di sepanjang batas butirnya menjadi subbutir dengan ukuran kurang dari 20 nm (Gbr. 7c).
Struktur lokal bubuk Cu50Z30Ni20 yang digiling selama 36 jam waktu MA memiliki pembentukan butiran nano ultrahalus yang tertanam dalam matriks halus amorf, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 8a. Analisis EDS lokal menunjukkan bahwa nanocluster yang ditunjukkan pada Gambar. 8a dikaitkan dengan elemen paduan bubuk Cu, Zr, dan Ni yang tidak diproses. area kaya), menunjukkan pembentukan produk heterogen. Selanjutnya, SADP yang sesuai dari bubuk yang diperoleh setelah penggilingan pada tahap ini menunjukkan cincin primer dan sekunder yang menyebarkan halo dari fase amorf, tumpang tindih dengan titik tajam yang terkait dengan elemen paduan mentah tersebut, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 8b.
Melampaui 36 jam-Cu50Zr30Ni20 fitur struktural lokal bubuk nano. (a) Gambar medan terang (BFI) dan sesuai (b) SADP bubuk Cu50Zr30Ni20 diperoleh setelah penggilingan selama 36 jam waktu MA.
Menjelang akhir proses MA (50 jam), Cu50(Zr50−xNix), X;10, 20, 30 dan 40 pada.% bubuk selalu memiliki morfologi fase amorf labirin seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 9a – d. Dalam SADP yang sesuai dari setiap komposisi, tidak ada difraksi seperti titik atau pola annular tajam yang dapat dideteksi. Ini menunjukkan bahwa tidak ada logam kristalin yang tidak diproses, melainkan bubuk paduan amorf yang terbentuk. ous fase dalam bahan produk akhir.
Struktur lokal dari produk akhir sistem MG Cu50 (Zr50−xNix). FE-HRTEM dan pola difraksi nanobeam berkorelasi (NBDP) dari (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 dan (d) Cu50Zr10Ni40 diperoleh setelah 50 jam MA.
Stabilitas termal suhu transisi kaca (Tg), daerah cairan subdingin (ΔTx) dan suhu kristalisasi (Tx) sebagai fungsi kandungan Ni (x) dari sistem amorf Cu50(Zr50−xNix) telah diselidiki menggunakan pemindaian diferensial Kalorimetri (DSC) dari sifat-sifat di bawah aliran gas He. Jejak DSC dari amorf Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20 dan Cu50Zr10Ni40 Serbuk paduan yang diperoleh setelah waktu MA 50 jam masing-masing ditunjukkan pada Gambar. 10a, b, e. Sementara kurva DSC Cu50Zr20Ni30 amorf ditunjukkan secara terpisah pada Gambar. 10c. Sementara itu, sampel Cu50Zr30Ni20 dipanaskan hingga ~700 °C dalam DSC ditunjukkan pada Gambar. 10d.
Stabilitas termal serbuk Cu50(Zr50−xNix) MG diperoleh setelah waktu MA 50 jam, sebagaimana diindeks oleh suhu transisi kaca (Tg), suhu kristalisasi (Tx), dan daerah cairan subdingin (ΔTx). Kalorimeter pemindaian diferensial (DSC) termogram (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 dan (e) Serbuk paduan Cu50Zr10Ni40 MG setelah waktu MA 50 jam. Pola difraksi sinar-X (XRD) dari sampel Cu50Zr30Ni20 yang dipanaskan hingga ~700 °C dalam DSC ditunjukkan pada (d).
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 10, kurva DSC dari semua komposisi dengan konsentrasi Ni yang berbeda (x) menunjukkan dua kasus yang berbeda, satu endotermik dan eksotermik lainnya. Peristiwa endotermik pertama sesuai dengan Tg, sedangkan yang kedua terkait dengan Tx. Daerah bentang horizontal yang ada antara Tg dan Tx disebut daerah cairan subdingin (ΔTx = Tx – Tg). Hasil menunjukkan bahwa Tg dan Tx dari sampel Cu50Zr40Ni10 (Gbr. 10 a), ditempatkan pada 526°C dan 612°C, menggeser kandungan (x) menjadi 20 at.% menuju sisi suhu rendah 482°C dan 563°C dengan meningkatnya kandungan Ni (x), masing-masing, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 10b. Akibatnya, ΔTx Cu50Zr40Ni10 menurun dari 86 °C (Gbr. 10a) menjadi 81 °C untuk Cu50Zr30Ni2 0 (Gbr. 10b). Untuk paduan MG Cu50Zr40Ni10, diamati juga bahwa nilai Tg, Tx, dan ΔTx menurun ke level 447°C, 526°C, dan 79°C (Gbr. 10b). Hal ini menunjukkan bahwa peningkatan kandungan Ni menyebabkan penurunan stabilitas termal paduan MG. Paduan 0Ni30 lebih rendah dari paduan MG Cu50Zr40Ni10;namun demikian, Tx-nya menunjukkan nilai yang sebanding dengan yang sebelumnya (612 °C). Oleh karena itu, ΔTx menunjukkan nilai yang lebih tinggi (87 °C), seperti yang ditunjukkan pada Gambar 10c.
Sistem MG Cu50(Zr50−xNix), mengambil paduan MG Cu50Zr20Ni30 sebagai contoh, mengkristal melalui puncak eksotermik yang tajam ke dalam fase kristal fcc-ZrCu5, ortorombik-Zr7Cu10, dan ortorombik-ZrNi (Gbr. 10c). Transisi fase amorf ke kristalin ini dikonfirmasi oleh XRD dari sampel MG (Gbr. 10d), yang dipanaskan sampai 700 ° C di DSC.
Gambar 11 menunjukkan foto-foto yang diambil selama proses penyemprotan dingin yang dilakukan dalam pekerjaan saat ini. Dalam penelitian ini, partikel serbuk seperti gelas logam yang disintesis setelah waktu MA 50 jam (mengambil Cu50Zr20Ni30 sebagai contoh) digunakan sebagai bahan baku antibakteri, dan pelat baja tahan karat (SUS304) dilapisi dengan teknologi penyemprotan dingin. sebagai bubuk amorf dan nanokristalin, yang tidak tunduk pada transisi fase. Ini adalah faktor utama dalam memilih metode ini. Proses semprotan dingin dilakukan dengan memanfaatkan partikel berkecepatan tinggi yang mengubah energi kinetik partikel menjadi deformasi plastik, regangan dan panas saat tumbukan dengan substrat atau partikel yang diendapkan sebelumnya.
Foto lapangan menunjukkan prosedur cold spray yang digunakan untuk lima preparasi pelapisan MG/SUS 304 berturut-turut pada suhu 550 °C.
Energi kinetik partikel, dan dengan demikian momentum setiap partikel dalam formasi lapisan, harus diubah menjadi bentuk energi lain melalui mekanisme seperti deformasi plastis (partikel awal dan interaksi partikel-partikel dalam substrat dan interaksi partikel), konsolidasi rongga, rotasi partikel-partikel, regangan dan akhirnya panas diterapkan pada bahan partikel/substrat diubah menjadi panas lokal 40 .Selanjutnya, ketika tegangan tumbukan diterapkan, tingkat regangan plastis yang tinggi dicapai di daerah partikel kontak/substrat dalam waktu yang sangat singkat41,42.
Deformasi plastik umumnya dianggap sebagai proses disipasi energi, atau lebih khusus lagi, sumber panas di daerah antar muka. Namun, peningkatan suhu di daerah antar muka biasanya tidak cukup untuk menghasilkan peleburan antar muka atau untuk secara signifikan mendorong interdifusi atom.
BFI serbuk paduan MG Cu50Zr20Ni30 dapat dilihat pada Gambar. 12a, yang dilapisi pada substrat SUS 304 (Gambar 11, 12b). Seperti yang dapat dilihat dari gambar, serbuk yang dilapisi mempertahankan struktur amorf aslinya karena memiliki struktur labirin yang halus tanpa fitur kristal atau cacat kisi. Di sisi lain, gambar tersebut menunjukkan adanya fase asing, seperti yang disarankan oleh nanopartikel yang dimasukkan ke dalam MG matriks bubuk berlapis (Gbr. 12a). Gambar 12c menggambarkan pola difraksi nanobeam terindeks (NBDP) yang terkait dengan wilayah I (Gambar 12a). Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 12c, NBDP menunjukkan pola difusi halo yang lemah dari struktur amorf dan hidup berdampingan dengan tambalan tajam yang sesuai dengan metastabil Zr2Ni kubik besar kristal ditambah fase CuO tetragonal. Pembentukan CuO dapat dikaitkan dengan oksidasi bubuk saat bepergian dari nosel pistol semprot ke SUS 304 di udara terbuka di bawah aliran supersonik. Di sisi lain, devitrifikasi bubuk kaca metalik mencapai pembentukan fase kubik besar setelah perlakuan semprotan dingin pada 550 °C selama 30 menit.
(a) gambar FE-HRTEM dari bubuk MG yang dilapisi pada (b) substrat SUS 304 (inset gambar). Indeks NBDP dari simbol lingkaran yang ditunjukkan pada (a) ditunjukkan pada (c).
Untuk memverifikasi mekanisme potensial untuk pembentukan partikel nano Zr2Ni kubik besar, percobaan independen dilakukan. Dalam percobaan ini, serbuk disemprotkan dari pistol semprot pada suhu 550 °C ke arah substrat SUS 304;namun, untuk menjelaskan efek anil dari serbuk, mereka dikeluarkan dari strip SUS304 secepat mungkin (sekitar 60 detik). Rangkaian percobaan lain dilakukan di mana serbuk dihilangkan dari substrat sekitar 180 detik setelah pengendapan.
Gambar 13a, b menunjukkan gambar medan gelap (DFI) yang diperoleh dengan memindai mikroskop elektron transmisi (STEM) dari dua bahan yang disemprotkan yang disimpan pada substrat SUS 304 masing-masing selama 60 detik dan 180 detik. Gambar bubuk yang disimpan selama 60 detik tidak memiliki detail morfologis, menunjukkan ketidakberdayaan (Gbr. 13a). ction maxima ditunjukkan pada Gambar 14a. Ini menunjukkan tidak adanya presipitasi metastabil / mesofasa, di mana bubuk mempertahankan struktur amorf aslinya. Sebaliknya, bubuk disemprotkan pada suhu yang sama (550 ° C), tetapi dibiarkan di substrat selama 180 detik, menunjukkan pengendapan butiran berukuran nano, seperti yang ditunjukkan oleh panah pada Gambar. 13b.