Merci fir Äre Besuch op Nature.com. D'Browserversioun, déi Dir benotzt, ënnerstëtzt CSS limitéiert. Fir déi bescht Erfahrung empfeelen mir Iech, en aktualiséierte Browser ze benotzen (oder de Kompatibilitéitsmodus am Internet Explorer auszeschalten). An der Zwëschenzäit, fir weider Ënnerstëtzung ze garantéieren, wäerte mir d'Websäit ouni Stiler a JavaScript uweisen.
Biofilmer sinn eng wichteg Komponent bei der Entwécklung vu chroneschen Infektiounen, besonnesch wann et ëm medizinesch Geräter geet. Dëst Problem stellt eng grouss Erausfuerderung fir d'Medizinwelt duer, well Standardantibiotike Biofilmer nëmme bis zu engem ganz limitéierten Ausmooss eliminéiere kënnen. D'Verhënnerung vun der Biofilmbildung huet zu der Entwécklung vu verschiddene Beschichtungsmethoden a neie Materialien gefouert. Dës Methode zielen drop of, Flächen op eng Manéier ze beschichten, déi d'Biofilmbildung hemmt. Metallesch glasartig Legierungen, besonnesch déi, déi Koffer- a Titanmetaller enthalen, hunn sech als ideal antimikrobiell Beschichtungen erausgestallt. Gläichzäiteg ass d'Benotzung vun der Kaltsprëtztechnologie eropgaang, well et eng gëeegent Method fir d'Veraarbechtung vun temperaturempfindleche Materialien ass. En Deel vum Zweck vun dëser Studie war et, eng nei antibakteriell Metallglasfilm z'entwéckelen, déi aus ternärem Cu-Zr-Ni besteet, andeems mechanesch Legierungstechniken benotzt goufen. De sphäresche Pulver, deen dat fäerdegt Produkt ausmécht, gëtt als Rohmaterial fir d'Kaltsprëtzbeschichtung vun Edelstahloberflächen bei niddregen Temperaturen benotzt. Substrater, déi mat metalleschem Glas beschichtet sinn, konnten d'Biofilmbildung ëm op d'mannst 1 Log am Verglach mat Edelstahl däitlech reduzéieren.
Am Laf vun der mënschlecher Geschicht konnt all Gesellschaft d'Aféierung vun neie Materialien designen an förderen, déi hir spezifesch Ufuerderungen erfëllen, wat zu enger verbesserter Leeschtung a Ranking an enger globaliséierter Wirtschaft gefouert huet1. Et gouf ëmmer der mënschlecher Fäegkeet zougeschriwwen, Materialien an Fabrikatiounsausrüstung an Designen fir d'Materialfabrikatioun an d'Charakteriséierung z'entwéckelen, fir Gewënn an der Gesondheet, der Bildung, der Industrie, der Wirtschaft, der Kultur an anere Beräicher vun engem Land oder enger Regioun an dat anert z'erreechen. Fortschrëtt gëtt gemooss onofhängeg vum Land oder der Regioun.2 Zënter 60 Joer hunn d'Materialwëssenschaftler e groussen Deel vun hirer Zäit sech op eng Haaptsuerg konzentréiert: d'Sich no neien a modernste Materialien. Déi rezent Fuerschung huet sech op d'Verbesserung vun der Qualitéit a Leeschtung vun existente Materialien konzentréiert, souwéi op d'Synthese an d'Erfindung vu komplett neien Zorte vu Materialien.
D'Zousätzlech vun Legierungselementer, d'Modifikatioun vun der Materialmikrostruktur an d'Uwendung vun thermeschen, mechaneschen oder thermomechaneschen Veraarbechtungstechniken hunn zu bedeitende Verbesserunge vun de mechaneschen, chemeschen a physikalesche Eegeschafte vun enger Villfalt vu verschiddene Materialien gefouert. Ausserdeem goufen bis elo nach ni bekannt Verbindungen erfollegräich synthetiséiert. Dës persistent Efforte hunn eng nei Famill vun innovativen Materialien ervirbruecht, déi kollektiv als Advanced Materials2 bekannt sinn. Nanokristaller, Nanopartikelen, Nanoröhrchen, Quantepunkten, nulldimensional, amorph metallesch Glaser a Legierungen mat héijer Entropie sinn nëmmen e puer Beispiller vu fortgeschrattene Materialien, déi zënter Mëtt vum leschte Joerhonnert op d'Welt agefouert goufen. Bei der Fabrikatioun an der Entwécklung vun neie Legierungen mat iwwerleeënen Eegeschaften, entweder am Endprodukt oder an den Zwëschenstadien vun der Produktioun, kënnt dacks de Problem vum Off-Balance dobäi. Als Resultat vun der Ëmsetzung vun neie Fabrikatiounstechniken, déi däitlech vum Gläichgewiicht ofwäichen, gouf eng ganz nei Klass vu metastabilen Legierungen, bekannt als metallesch Glaser, entdeckt.
Seng Aarbecht um Caltech am Joer 1960 huet eng Revolutioun am Konzept vu Metalllegierungen bruecht, wéi hien glasartich Au-25 mat % Si-Legierungen synthetiséiert huet, andeems hien Flëssegkeeten séier mat bal enger Millioun Grad pro Sekonn fest gemaach huet.4. D'Entdeckung vum Professer Pol Duwezs huet net nëmmen den Ufank vun der Geschicht vu metallesche Glaser (MG) ageleet, mä och zu engem Paradigmewiessel an der Aart a Weis wéi d'Leit iwwer Metalllegierungen denken, gefouert.Zënter den éischte Pionéierstudien an der Synthese vun MG-Legierungen goufen bal all metallesch Glaser komplett mat enger vun de folgende Methode produzéiert; (i) séier Festung vun der Schmelz oder dem Damp, (ii) atomar Stéierung vum Gitter, (iii) Festkierper-Amorphiséierungsreaktiounen tëscht pure Metallelementer, an (iv) Festkierperiwwergäng vu metastabilen Phasen.
MGs ënnerscheede sech duerch hire Manktem un der laangfristeger atomarer Uerdnung, déi mat Kristaller verbonnen ass, wat eng definéierend Charakteristik vu Kristaller ass. An der haiteger Welt gouf grouss Fortschrëtter am Beräich vum metallesche Glas gemaach. Si sinn nei Materialien mat interessanten Eegeschaften, déi net nëmmen an der Festkierperphysik interessant sinn, mä och an der Metallurgie, Uewerflächenchemie, Technologie, Biologie a villen anere Beräicher. Dës nei Zort Material weist ënnerschiddlech Eegeschafte wéi fest Metaller, wat et zu engem interessante Kandidat fir technologesch Uwendungen an enger Villfalt vu Beräicher mécht. Si hunn e puer wichteg Eegeschaften; (i) héich mechanesch Duktilitéit a Streckgrenz, (ii) héich magnetesch Permeabilitéit, (iii) niddreg Koerzitivitéit, (iv) ongewéinlech Korrosiounsbeständegkeet, (v) Temperaturonofhängegkeet. D'Konduktivitéit vu 6,7.
Mechanesch Legierung (MA)1,8 ass eng relativ nei Technik, déi fir d'éischt am Joer 19839 vum Prof. CC Kock a Kollegen agefouert gouf. Si hunn amorph Ni60Nb40-Pulver hiergestallt andeems se eng Mëschung aus puren Elementer bei Raumtemperaturen ganz no bei Raumtemperatur gemuel hunn. Typesch gëtt d'MA-Reaktioun tëscht diffusiver Kopplung vun de Reaktantmaterialpulver an engem Reaktor, normalerweis aus Edelstol, an eng Kugelmill 10 (Fig. 1a, b) duerchgefouert. Zënterhier gouf dës mechanesch induzéiert Festkierperreaktiounstechnik benotzt fir nei amorph/metallesch Glaslegierungspulver mat Hëllef vu Kugelmillen mat niddreger (Fig. 1c) an héijer Energie, souwéi Stäbmillen 11, 12, 13, 14, 15, 16 ze preparéieren. Besonnesch gouf dës Method benotzt fir net mëschbar Systemer wéi Cu-Ta 17 ze preparéieren, souwéi Legierungen mat héijem Schmelzpunkt wéi Al-Iwwergangsmetallsystemer (TM; Zr, Hf, Nb an Ta) 18, 19 a Fe-W 20, déi net mat konventionelle Virbereedungsweeër kritt kënne ginn. Ausserdeem gëllt MA als ee vun de mächtegsten Nanotechnologie-Tools fir d'Virbereedung vun industrielle Nanokristallinen a Nanokompositpulverpartikelen aus Metalloxiden, Carbiden, Nitriden, Hydriden, Kuelestoffnanoröhrchen, Nanodiamanten, souwéi eng breet Stabiliséierung iwwer en Top-Down-Usaz 1 a metastabill Stadien.
Schema vun der Fabrikatiounsmethod fir d'Virbereedung vun der Cu50(Zr50−xNix) Metallglas (MG) Beschichtung/SUS 304 an dëser Studie. (a) Virbereedung vun MG-Legierungspulver mat verschiddene Ni-Konzentratiounen x (x; 10, 20, 30 an 40 at.%) mat Hëllef vun der Energiearmer-Kugelfrästechnik. (a) D'Ausgangsmaterial gëtt zesumme mat Werkzeugstahlkugelen an en Toolzylinder gelueden, an (b) gëtt an enger Handschuhkëscht mat He-Atmosphär versiegelt. (c) E transparent Modell vum Schleifbehälter, dat d'Kugelbewegung beim Schleifen illustréiert. Dat fäerdegt Produkt vum Pulver, dat no 50 Stonnen kritt gouf, gouf benotzt fir den SUS 304-Substrat mat der Kaltsprëtzmethod (d) ze beschichten.
Wann et ëm Uewerflächen aus Groussmaterialien (Substrater) geet, ëmfaasst d'Uewerflächentechnik den Design an d'Modifikatioun vun Uewerflächen (Substrater), fir bestëmmte physikalesch, chemesch an technesch Qualitéiten ze bidden, déi net am urspréngleche Groussmaterial enthale sinn. E puer Eegeschaften, déi duerch Uewerflächenbehandlungen effektiv verbessert kënne ginn, sinn ënner anerem Abriebsbeständegkeet, Oxidatiouns- a Korrosiounsbeständegkeet, Reibungskoeffizient, Bioinertitéit, elektresch Eegeschaften an thermesch Isolatioun. D'Uewerflächenqualitéit kann duerch metallurgesch, mechanesch oder chemesch Technike verbessert ginn. Als bekannte Prozess ass eng Beschichtung einfach definéiert als eng eenzeg oder méi Schichten aus Material, déi künstlech op d'Uewerfläch vun engem Groussmaterial (Substrat) ofgesat ginn, deen aus engem anere Material hiergestallt gëtt. Dofir gi Beschichtungen deelweis benotzt, fir gewënschte technesch oder dekorativ Eegeschaften z'erreechen, souwéi fir Materialien virun erwaarten chemeschen a physikaleschen Interaktioune mat der Ëmgéigend ze schützen.
Fir gëeegent Uewerflächenschutzschichten mat Déckten vun e puer Mikrometer (ënner 10-20 Mikrometer) bis iwwer 30 Mikrometer oder souguer e puer Millimeter ofzesetzen, kënne vill Methoden an Techniken ugewannt ginn. Am Allgemengen kënnen Beschichtungsprozesser an zwou Kategorien agedeelt ginn: (i) Naassbeschichtungsmethoden, dorënner Galvaniséierung, elektrolytesch Beschichtung a waarmverzinkungsmethoden, an (ii) Dréchebeschichtungsmethoden, dorënner Läten, Uewerflächenablagerung, physikalesch Dampfoflagerung (PVD), chemesch Dampfoflagerung (CVD), thermesch Sprëtztechniken a méi rezent Kaltsprëtztechniken 24 (Fig. 1d).
Biofilmer ginn als mikrobiell Gemeinschaften definéiert, déi irreversibel un Uewerflächen ugebonne sinn a vun selwer produzéierten extrazelluläre Polymeren (EPS) ëmginn sinn. D'Bildung vu reife Biofilmer kann zu bedeitende Verloschter a ville Industriesektoren féieren, dorënner d'Liewensmëttelindustrie, Waassersystemer a Gesondheetsëmfeld. Beim Mënsch sinn, wann Biofilmer bilden, méi wéi 80% vun de Fäll vu mikrobiellen Infektiounen (inklusiv Enterobacteriaceae a Staphylokokken) schwéier ze behandelen. Ausserdeem gouf bericht, datt reif Biofilmer 1000-mol méi resistent géint Antibiotikabehandlung sinn am Verglach mat planktonesche Bakterienzellen, wat als eng grouss therapeutesch Erausfuerderung ugesi gëtt. Antimikrobiell Uewerflächenbeschichtungsmaterialien, déi aus konventionelle organesche Verbindungen ofgeleet sinn, goufen historesch benotzt. Och wann esou Materialien dacks gëfteg Komponenten enthalen, déi potenziell geféierlech fir de Mënsch sinn,25,26 kënne se hëllefen, bakteriell Iwwerdroung an Materialzerstéierung ze vermeiden.
Déi wäit verbreet Resistenz vu Bakterien géint Antibiotikabehandlungen wéinst der Biofilmbildung huet zu der Noutwennegkeet gefouert, eng effektiv antimikrobiell Membranbeschichtete Fläch z'entwéckelen, déi sécher ka applizéiert ginn27. D'Entwécklung vun enger physescher oder chemescher Antihaftfläch, op där Bakterienzellen inhibéiert ginn, sech ze bannen a Biofilmer ze bauen duerch Adhäsioun, ass den éischten Usaz an dësem Prozess27. Déi zweet Technologie ass d'Entwécklung vu Beschichtungen, déi et erméiglechen, antimikrobiell Chemikalien genau do ze liwweren, wou se gebraucht ginn, a staark konzentréierten an ugepassten Quantitéiten. Dëst gëtt erreecht duerch d'Entwécklung vun eenzegaartege Beschichtungsmaterialien wéi Graphen/Germanium28, schwaarzen Diamant29 a ZnO-dotiert diamantähnlech Kuelestoffbeschichtungen30, déi resistent géint Bakterien sinn, eng Technologie, déi d'Toxizitéit an d'Resistenzentwécklung wéinst der Biofilmbildung maximéiert, ginn däitlech reduzéiert. Zousätzlech gi Beschichtungen, déi keimtödlech Chemikalien an Flächen integréieren, fir laangfristege Schutz virun bakterieller Kontaminatioun ze bidden, ëmmer méi populär. Och wann all dräi Prozedure fäeg sinn, antimikrobiell Effekter op beschichtete Flächen ze produzéieren, hunn se all hir eege Limitatiounen, déi bei der Entwécklung vun Applikatiounsstrategien berécksiichtegt solle ginn.
Produkter, déi de Moment um Maart sinn, gi behënnert duerch net genuch Zäit fir Schutzbeschichtungen op biologesch aktiv Zutaten z'analyséieren an ze testen. D'Firmen behaapten, datt hir Produkter de Benotzer erwënscht funktionell Aspekter ubidden; Dëst war awer en Hindernis fir den Erfolleg vun de Produkter, déi de Moment um Maart sinn. Verbindungen, déi aus Sëlwer ofgeleet sinn, ginn an der grousser Majoritéit vun antimikrobiellen Therapien benotzt, déi de Konsumenten elo verfügbar sinn. Dës Produkter sinn entwéckelt fir d'Benotzer virun de potenziell geféierleche Effekter vu Mikroorganismen ze schützen. Den verspéiten antimikrobiellen Effekt an déi domat verbonne Toxizitéit vu Sëlwerverbindungen erhéijen den Drock op d'Fuerscher fir eng manner schiedlech Alternativ z'entwéckelen36,37. Eng global antimikrobiell Beschichtung ze kreéieren, déi dobannen an dobausse funktionéiert, erweist sech ëmmer nach als eng beängschtegend Aufgab. Dëst ass wéinst de Risiken, déi domat verbonne sinn, souwuel fir d'Gesondheet wéi och fir d'Sécherheet. En antimikrobiellt Mëttel z'entdecken, dat manner schiedlech fir de Mënsch ass, an erauszefannen, wéi et a Beschichtungssubstrater mat enger méi laanger Haltbarkeet integréiert ka ginn, ass e ganz gesicht Zil38. Déi lescht antimikrobiell an anti-Biofilmmaterialien sinn entwéckelt fir Bakterien op kuerzer Distanz ëmzebréngen, entweder duerch direkten Kontakt oder nodeems den aktiven Agent fräigesat gouf. Si kënnen dat maachen andeems se déi initial bakteriell Adhäsioun hemmen (inklusiv d'Bildung vun enger Proteinschicht op der Uewerfläch entgéintwierken) oder andeems se Bakterien ëmbréngen andeems se d'Zellmauer stéieren.
Grondsätzlech ass Uewerflächenbeschichtung de Prozess fir eng weider Schicht op d'Uewerfläch vun engem Baudeel ze leeën, fir d'Uewerflächenqualitéiten ze verbesseren. Zil vun der Uewerflächenbeschichtung ass et, d'Mikrostruktur an/oder d'Zesummesetzung vum Uewerflächennoberäich vum Baudeel unzepassen39. Uewerflächenbeschichtungstechnike kënnen a verschidde Methoden opgedeelt ginn, déi an der Fig. 2a zesummegefaasst sinn. Beschichtunge kënnen an thermesch, chemesch, physikalesch an elektrochemesch Kategorien opgedeelt ginn, ofhängeg vun der Method, déi benotzt gëtt fir d'Beschichtung ze kreéieren.
(a) Inset, deen déi wichtegst Fabrikatiounstechniken weist, déi fir d'Uewerfläch benotzt ginn, an (b) ausgewielte Vir- an Nodeeler vun der Kaltsprëtztechnik.
D'Kaltsprëtztechnologie huet vill Ähnlechkeeten mat konventionelle Wärmesprëtzmethoden. Wéi och ëmmer, et ginn och e puer wichteg fundamental Eegeschaften, déi de Kaltsprëtzprozess a Kaltsprëtzmaterialien besonnesch eenzegaarteg maachen. D'Kaltsprëtztechnologie ass nach an de Kannerschong, awer huet eng hell Zukunft. A bestëmmten Uwendungen bidden déi eenzegaarteg Eegeschafte vum Kaltsprëtzen grouss Virdeeler, andeems se déi inherent Aschränkungen vun typeschen Wärmesprëtzmethoden iwwerwannen. Et bitt eng Méiglechkeet fir déi bedeitend Aschränkungen vun der traditioneller Wärmesprëtztechnologie ze iwwerwannen, bei där de Pulver geschmolz muss ginn, fir sech op de Substrat ofzesetzen. Natierlech ass dësen traditionellen Beschichtungsprozess net gëeegent fir ganz temperaturempfindlech Materialien wéi Nanokristaller, Nanopartikelen, amorph a metallesch Glaser40, 41, 42. Ausserdeem weisen Wärmesprëtzbeschichtungsmaterialien ëmmer héich Porositéit an Oxiden op. D'Kaltsprëtztechnologie huet vill bedeitend Virdeeler géintiwwer der Wärmesprëtztechnologie, wéi (i) minimale Wärmezufuhr an de Substrat, (ii) Flexibilitéit bei der Wiel vun de Substratbeschichtungen, (iii) Feele vu Phasentransformatioun a Kärenwuesstum, (iv) héich Bindungsstäerkt1,39 (Fig. 2b). Zousätzlech hunn Kaltsprëtzbeschichtungsmaterialien eng héich Korrosiounsquote. Widderstand, héich Festigkeit an Häert, héich elektresch Leetfäegkeet an héich Dicht41. Am Géigesaz zu de Virdeeler vum Kaltsprëtzprozess gëtt et ëmmer nach e puer Nodeeler bei der Notzung vun dëser Technik, wéi an der Figur 2b gewisen. Beim Beschichtung vu rengen Keramikpulver wéi Al2O3, TiO2, ZrO2, WC, etc. kann d'Kaltsprëtzmethod net benotzt ginn. Op der anerer Säit kënnen Keramik/Metall-Kompositpulver als Rohmaterial fir Beschichtungen benotzt ginn. Datselwecht gëllt fir aner thermesch Sprëtzmethoden. Komplex Uewerflächen an bannenzeg Päifflächen sinn ëmmer nach schwéier ze sprëtzen.
Well déi aktuell Aarbecht drop abzielt, metallesch glasartig Pulver als Rohbeschichtungsmaterial ze benotzen, ass et kloer, datt konventionellt Wärmesprëtzen net fir dësen Zweck ka benotzt ginn. Dëst läit dorun, datt metallesch glasartig Pulver bei héijen Temperaturen kristalliséieren1.
Déi meescht vun den Tools, déi an der Medizin- a Liewensmëttelindustrie benotzt ginn, si aus austenitesche Stollegierungen (SUS316 an SUS304) mat engem Chromgehalt tëscht 12 an 20 Gew.-% fir d'Produktioun vu chirurgeschen Instrumenter hiergestallt. Et ass allgemeng ugeholl, datt d'Benotzung vu Chrommetall als Legierungselement a Stollegierungen d'Korrosiounsbeständegkeet vu Standard-Stollegierungen däitlech verbessere kann. Edelstollegierungen weisen trotz hirer héijer Korrosiounsbeständegkeet keng bedeitend antimikrobiell Eegeschaften38,39. Dëst steet am Géigesaz zu hirer héijer Korrosiounsbeständegkeet. Duerno kann d'Entwécklung vun Infektiounen an Entzündungen virausgesot ginn, déi haaptsächlech duerch bakteriell Adhäsioun a Koloniséierung op der Uewerfläch vun Edelstol-Biomaterialien verursaacht gëtt. Bedeitend Schwieregkeete kënnen entstoen wéinst bedeitende Schwieregkeeten am Zesummenhang mat bakterieller Adhäsioun a Biofilmbildungsweeër, déi zu enger Verschlechterung vun der Gesondheet féiere kënnen, wat vill Konsequenze kann hunn, déi direkt oder indirekt d'mënschlech Gesondheet beaflosse kënnen.
Dës Studie ass déi éischt Phas vun engem Projet, dee vun der Kuwait Foundation for the Advancement of Science (KFAS), Kontrakt Nr. 2010-550401, finanzéiert gëtt, fir d'Machbarkeet vun der Produktioun vu metalleschen, glasartigen Cu-Zr-Ni ternäre Pulver mat Hëllef vun der MA-Technologie (Tabell 1) fir d'Produktioun vun antibakteriellen Filmer/SUS304 Uewerflächenschutzbeschichtung z'ënnersichen. Déi zweet Phas vum Projet, déi am Januar 2023 ufänke soll, wäert d'elektrochemesch Korrosiounseigenschaften an d'mechanesch Eegeschafte vum System am Detail ënnersichen. Detailéiert mikrobiologesch Tester ginn fir verschidden Bakterienaarten duerchgefouert.
An dëser Aarbecht gëtt den Effekt vum Zr-Legierungselementgehalt op d'Glasbildungsfäegkeet (GFA) op Basis vu morphologeschen a strukturellen Charakteristiken diskutéiert. Zousätzlech goufen och déi antibakteriell Eegeschafte vum beschichtete metallesche Glaspulverbeschichtung/SUS304-Komposit diskutéiert. Ausserdeem gouf aktuell Aarbecht duerchgefouert fir d'Méiglechkeet vun enger struktureller Transformatioun vu metallesche Glaspulver beim Kaltsprëtzen am ënnergekillte Flëssegkeetsberäich vu fabrizéierte metallesche Glassystemer z'ënnersichen. Als representativ Beispiller goufen Cu50Zr30Ni20- a Cu50Zr20Ni30-Metallglaslegierungen an dëser Studie benotzt.
An dëser Sektioun ginn déi morphologesch Verännerunge vun elementarem Cu-, Zr- a Ni-Pulver am Nidderenergie-Kugelfräsen presentéiert. Als illustrativ Beispiller ginn zwou verschidde Systemer, déi aus Cu50Zr20Ni30 a Cu50Zr40Ni10 bestinn, als representativ Beispiller benotzt. Den MA-Prozess kann an dräi verschidde Phasen opgedeelt ginn, wéi duerch d'metallographesch Charakteriséierung vum Pulver, deen während der Schleifphase produzéiert gëtt, gewisen gëtt (Figur 3).
Metallographesch Charakteristike vu mechanesche Legierungspulver (MA-Pulver), déi no verschiddene Stadien vun der Kugelfräszäit kritt goufen. Feldemissiounsrasterelektronenmikroskopie (FE-SEM) Biller vun MA- a Cu50Zr40Ni10-Pulver, déi no enger Energiekigelfräszäit vun 3, 12 an 50 Stonnen kritt goufen, sinn an (a), (c) an (e) fir de Cu50Zr20Ni30-System gewisen, während am selwechte MA entspriechend Biller vum Cu50Zr40Ni10-System, déi no der Zäit opgeholl goufen, an (b), (d) an (f) gewisen sinn.
Beim Kugelmühlen gëtt déi effektiv kinetesch Energie, déi op de Metallpulver iwwerdroe ka ginn, vun der Kombinatioun vu Parameteren beaflosst, wéi an der Fig. 1a gewisen. Dëst beinhalt Kollisiounen tëscht Kugelen a Pulver, Kompressiounsschéieren vum Pulver, deen tëscht oder tëscht Schleifmedien hänke bliwwen ass, den Impakt vu falende Kugelen, Schéieren a Verschleiung wéinst Pulverwiderstand tëscht bewegende Kugelmühlmedien, a Schockwellen, déi duerch falend Kugelen lafen, déi sech duerch d'Fruchtlasten verbreeden (Fig. 1a). Elementar Cu-, Zr- a Ni-Pulver goufen an der fréier Phas vum MA (3 Stonnen) duerch Kaltschweißen staark deforméiert, wat zu grousse Pulverpartikelen (>1 mm Duerchmiesser) gefouert huet. Dës grouss Kompositpartikelen si charakteriséiert duerch d'Bildung vun décke Schichten vun Legierungselementer (Cu, Zr, Ni), wéi an der Fig. 3a,b gewisen. D'Erhéijung vun der MA-Zäit op 12 Stonnen (Zwëschenphas) ​​huet zu enger Erhéijung vun der kinetischer Energie vun der Kugelmühl gefouert, wat zu der Zersetzung vum Kompositpulver a méi fein Pulver (manner wéi 200 µm) gefouert huet, wéi an der Fig. 3c,d gewisen. An dëser Phas féiert déi ugewandte Schéierkraaft zu ... d'Bildung vun enger neier Metalluewerfläch mat feine Cu-, Zr- an Ni-Hintschichten, wéi an der Fig. 3c,d gewisen. Als Resultat vun der Schichtverfeinerung geschéien Festphasreaktiounen op der Grenzfläch vun de Flacken, fir nei Phasen ze generéieren.
Um Héichpunkt vum MA-Prozess (no 50 Stonnen) war déi schuppeg Metallographie nëmme liicht ze gesinn (Fig. 3e,f), awer déi poléiert Uewerfläch vum Pulver huet eng Spigelmetallographie gewisen. Dëst bedeit, datt den MA-Prozess ofgeschloss ass an d'Schafung vun enger eenzeger Reaktiounsphase stattfonnt huet. D'elementar Zesummesetzung vun de Regiounen, déi an der Fig. 3e (I, II, III), f, v, vi) indexéiert sinn, gouf mat Hëllef vun der Feldemissiounsrasterelektronemikroskopie (FE-SEM) a Kombinatioun mat energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS) (IV) bestëmmt.
An der Tabell 2 sinn d'Elementarkonzentratioune vun de Legierungselementer als Prozentsaz vum Gesamtgewiicht vun all Regioun, déi an der Fig. 3e,f ausgewielt gouf, ugewisen. Wann een dës Resultater mat den nominellen Ausgangszesummesetzunge vu Cu50Zr20Ni30 a Cu50Zr40Ni10, déi an der Tabell 1 opgezielt sinn, vergläicht, kann een gesinn, datt d'Zesummesetzunge vun dësen zwou Endprodukter ganz ähnlech Wäerter wéi déi nominell Zesummesetzunge hunn. Ausserdeem bedeiten déi relativ Komponentwäerter fir d'Regiounen, déi an der Fig. 3e,f opgezielt sinn, keng bedeitend Verschlechterung oder Schwankung vun der Zesummesetzung vun all Prouf vun enger Regioun an déi aner. Dëst gëtt duerch d'Tatsaach bewisen, datt et keng Ännerung vun der Zesummesetzung vun enger Regioun an déi aner gëtt. Dëst weist op d'Produktioun vun homogenen Legierungspulver hin, wéi an der Tabell 2 gewisen.
FE-SEM-Mikrographie vum fäerdege Cu50(Zr50−xNix)-Pulver goufen no 50 MA-Zäiten kritt, wéi an der Fig. 4a-d gewisen, wou x 10, 20, 30 respektiv 40 at.% ass. No dësem Frässchratt aggregéiert sech de Pulver wéinst dem van der Waals-Effekt, wat zu der Bildung vu groussen Aggregaten féiert, déi aus ultrafeinen Partikelen mat Duerchmiesser vun 73 bis 126 nm bestinn, wéi an der Figur 4 gewisen.
Morphologesch Charakteristike vu Cu50(Zr50−xNix)-Pulver, déi no enger MA-Zäit vu 50 Stonnen kritt goufen. Fir d'Cu50Zr40Ni10-, Cu50Zr30Ni20-, Cu50Zr20Ni30-, Cu50Zr10Ni40-Systemer sinn d'FE-SEM-Biller vun de Pulver, déi no 50 MA-Zäiten kritt goufen, an (a), (b), (c) respektiv (d) gewisen.
Ier d'Pulver an e Kale-Spray-Fudder gelueden goufen, goufe se fir d'éischt 15 Minutten an Ethanol vun analytescher Qualitéit sonikéiert an duerno 2 Stonnen bei 150°C gedréchent. Dëse Schrëtt muss gemaach ginn, fir d'Agglomeratioun erfollegräich ze bekämpfen, déi dacks vill bedeitend Problemer während dem Beschichtungsprozess verursaacht. Nodeems den MA-Prozess ofgeschloss war, goufen weider Charakteriséierungen duerchgefouert, fir d'Homogenitéit vun de Legierungspulver z'ënnersichen. Figur 5a-d weisen d'FE-SEM-Mikrographien an déi entspriechend EDS-Biller vun de Cu-, Zr- an Ni-Legierungselementer vun der Cu50Zr30Ni20-Legierung, déi no 50 Stonnen M-Zäit kritt goufen. Et sollt bemierkt ginn, datt d'Legierungspulver, déi no dësem Schrëtt produzéiert ginn, homogen sinn, well se keng Zesummesetzungsschwankungen iwwer dem Subnanometerniveau eraus weisen, wéi an der Figur 5 gewisen.
Morphologie a lokal Elementverdeelung vum MG Cu50Zr30Ni20-Pulver, dat no 50 MA-Moosse mat FE-SEM/energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS) kritt gouf. (a) SEM- an Röntgen-EDS-Mapping vun (b) Cu-Kα-, (c) Zr-Lα- an (d) Ni-Kα-Biller.
D'XRD-Mustere vu mechanesch legéierte Cu50Zr40Ni10-, Cu50Zr30Ni20-, Cu50Zr20Ni30- a Cu50Zr20Ni30-Pulver, déi no enger MA-Zäit vu 50 Stonnen kritt goufen, sinn an der Fig. 6a-d gewisen. No dëser Phas vum Fräsen hunn all Prouwe mat verschiddene Zr-Konzentratioune amorph Strukturen mat charakteristeschen Halodiffusiounsmuster gewisen, déi an der Fig. 6 gewisen sinn.
XRD-Muster vun (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 an (d) Cu50Zr20Ni30 Pulver no enger MA-Zäit vun 50 Stonnen. All Proben ouni Ausnam hunn en Halodiffusiounsmuster gewisen, wat op d'Bildung vun enger amorpher Phas hiweist.
D'Feldemissiouns-Héichopléisungs-Transmissiounselektronemikroskopie (FE-HRTEM) gouf benotzt fir strukturell Ännerungen ze observéieren an déi lokal Struktur vun de Pulver ze verstoen, déi duerch d'Kugelfräsen zu verschiddene MA-Zäiten entstane sinn. FE-HRTEM-Biller vun de Pulver, déi no der fréier (6 Stonnen) an der mëttlerer (18 Stonnen) Phas vum Fräsen fir Cu50Zr30Ni20- a Cu50Zr40Ni10-Pulver kritt goufen, sinn an der Fig. 7a, c gewisen. Laut dem Hellfeldbild (BFI) vum Pulver, dat no MA 6 Stonnen produzéiert gouf, besteet de Pulver aus grousse Kären mat gutt definéierte Grenze vun den Elementer fcc-Cu, hcp-Zr an fcc-Ni, an et gëtt kee Zeeche vun enger Reaktiounsphas, wéi an der Fig. 7a gewisen. Ausserdeem huet dat korreléiert ausgewielte Flächendiffraktiounsmuster (SADP), dat aus der mëttlerer Regioun vun (a) geholl gouf, e Cusp-Diffraktiounsmuster gewisen (Fig. 7b), wat op d'Präsenz vu grousse Kristalliten an d'Feele vun enger reaktiver Phas hiweist.
Lokal strukturell Charakteriséierung vum MA-Pulver, dat no fréien (6 Stonnen) an intermediären (18 Stonnen) Stadien kritt gouf. (a) Feldemissiouns-Héichopléisungs-Transmissiounselektronemikroskopie (FE-HRTEM), an (b) dat entspriechend ausgewielt Flächendiffraktiounsmuster (SADP) vum Cu50Zr30Ni20-Pulver no enger MA-Behandlung vu 6 Stonnen. D'FE-HRTEM-Bild vum Cu50Zr40Ni10, dat no enger MA-Zäit vun 18 Stonnen kritt gouf, gëtt an (c) gewisen.
Wéi an der Fig. 7c gewisen, huet d'Verlängerung vun der MA-Dauer op 18 Stonnen zu schwéiere Gitterdefekter a Kombinatioun mat plastescher Deformatioun gefouert. Wärend dëser Zwëschenphase vum MA-Prozess weist de Pulver verschidde Defekter op, dorënner Stapelfehler, Gitterdefekter a Punktdefekter (Figur 7). Dës Defekter verursaachen, datt déi grouss Kären sech laanscht hir Käregrenzen a Subkären mat Gréissten vu manner wéi 20 nm opdeelen (Fig. 7c).
Déi lokal Struktur vum Cu50Z30Ni20-Pulver, dat 36 Stonnen MA-Zäit gemuel gouf, weist d'Bildung vun ultrafeinen Nanokären, déi an enger amorpher feiner Matrix agebett sinn, wéi an der Fig. 8a gewisen. Lokal EDS-Analyse huet gewisen, datt déi Nanocluster, déi an der Fig. 8a gewisen sinn, mat onveraarbechte Cu-, Zr- an Ni-Pulverlegierungselementer assoziéiert waren. Gläichzäiteg huet de Cu-Gehalt vun der Matrix vun ~32 at.% (magerer Fläch) bis ~74 at.% (räicher Fläch) geschwankt, wat op d'Bildung vun heterogenen Produkter hiweist. Ausserdeem weisen déi entspriechend SADPs vun de Pulver, déi nom Mielen an dëser Phas kritt goufen, halo-diffuséierend primär a sekundär Réng vun der amorpher Phas, déi sech mat schaarfe Punkten iwwerlappen, déi mat dëse réie Legierungselementer assoziéiert sinn, wéi an der Fig. 8b gewisen.
Iwwer 36 h-Cu50Zr30Ni20 Pulver op der Nanoskala eraus, lokal Strukturmerkmale. (a) Hellfeldbild (BFI) an entspriechend (b) SADP vum Cu50Zr30Ni20 Pulver, dat nom Mielprozess fir 36 Stonnen MA-Zäit kritt gouf.
Géint Enn vum MA-Prozess (50 Stonnen) hunn d'Cu50(Zr50−xNix), X; 10, 20, 30 an 40 at.% Pulver ëmmer eng labyrinthesch amorph Phasenmorphologie, wéi an der Fig. 9a-d gewisen. Am entspriechende SADP vun all Zesummesetzung konnten weder punktähnlech Diffraktiounen nach schaarf ringfërmeg Mustere festgestallt ginn. Dëst weist drop hin, datt kee onveraarbechte kristallint Metall präsent ass, mä éischter en amorpht Legierungspulver geformt gëtt. Dës korreléiert SADPs, déi Halodiffusiounsmuster weisen, goufen och als Beweis fir d'Entwécklung vun amorphe Phasen am Endproduktmaterial benotzt.
Lokal Struktur vum Endprodukt vum MG Cu50 (Zr50−xNix) System. FE-HRTEM a korreléiert Nanobeam-Diffraktiounsmuster (NBDP) vun (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 an (d) Cu50Zr10Ni40, déi no 50 Stonnen MA kritt goufen.
Déi thermesch Stabilitéit vun der Glasiwwergangstemperatur (Tg), der ënnergekillter Flëssegkeetsregioun (ΔTx) an der Kristallisatiounstemperatur (Tx) als Funktioun vum Ni-Gehalt (x) vum amorphe Cu50(Zr50−xNix)-System gouf mat Hëllef vun der Differentialscanningkalorimetrie (DSC) vun den Eegeschaften ënner He-Gasfloss ënnersicht. D'DSC-Spuere vun den amorphen Legierungspulver Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20 a Cu50Zr10Ni40, déi no enger MA-Zäit vu 50 Stonnen kritt goufen, sinn an der Fig. 10a, b, e jeeweileg gewisen. Wärend d'DSC-Kurve vum amorphe Cu50Zr20Ni30 separat an der Fig. 10c gewisen ass. Mëttlerweil gëtt d'Cu50Zr30Ni20-Prouf, déi op ~700 °C an DSC erhëtzt gouf, an der Fig. 10d gewisen.
Thermesch Stabilitéit vu Cu50(Zr50−xNix) MG-Pulver, déi no enger MA-Zäit vu 50 Stonnen kritt goufen, wéi indexéiert duerch d'Glasiwwergangstemperatur (Tg), d'Kristallisatiounstemperatur (Tx) an d'ënnerkillt Flëssegkeetsregioun (ΔTx). Differenzial-Rasterkalorimeter (DSC)-Thermogrammer vun (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 an (e) Cu50Zr10Ni40 MG-Legierungspulver no enger MA-Zäit vu 50 Stonnen. D'Röntgendiffraktiounsmuster (XRD) vun der Cu50Zr30Ni20-Prouf, déi op ~700 °C an DSC erhëtzt gouf, gëtt an (d) gewisen.
Wéi an der Figur 10 gewisen, weisen d'DSC-Kurven vun alle Kompositioune mat verschiddenen Ni-Konzentratiounen (x) zwou verschidde Fäll op, een endotherm an deen aneren exotherm. Den éischten endothermen Event entsprécht Tg, während den zweeten mat Tx zesummenhänkt. Déi horizontal Spannregioun, déi tëscht Tg an Tx existéiert, gëtt als ënnergekillte Flëssegkeetsregioun bezeechent (ΔTx = Tx – Tg). D'Resultater weisen, datt den Tg an den Tx vun der Cu50Zr40Ni10-Prouf (Fig. 10a), déi bei 526°C an 612°C placéiert gouf, den Inhalt (x) op 20 at.% a Richtung vun der Déiftemperaturseite vun 482°C an 563°C mat zouhuelendem Ni-Gehalt (x) verréckelen, wéi an der Figur 10b gewisen. Dofir fällt den ΔTx vu Cu50Zr40Ni10 vun 86°C (Fig. 10a) op 81°C fir Cu50Zr30Ni20 (Fig. 10b). Fir d'MG Cu50Zr40Ni10-Legierung gouf och observéiert, datt d'Wäerter vun Tg, Tx an ΔTx op 447°C, 526°C an 79°C erofgaange sinn (Fig. 10b). Dëst weist drop hin, datt d'Erhéijung vum Ni-Gehalt zu enger Ofsenkung vun der thermescher Stabilitéit vun der MG-Legierung féiert. Am Géigesaz dozou ass den Tg-Wäert (507°C) vun der MG Cu50Zr20Ni30-Legierung méi niddreg wéi dee vun der MG Cu50Zr40Ni10-Legierung; trotzdem weist säin Tx e vergläichbare Wäert wéi dee vun der éischter (612°C). Dofir weist ΔTx e méi héije Wäert (87°C), wéi an der Fig. 10c gewisen.
Den MG Cu50(Zr50−xNix)-System, deen d'MG Cu50Zr20Ni30-Legierung als Beispill hëlt, kristalliséiert duerch e schaarfen exotherme Peak an d'Kristallphasen aus fcc-ZrCu5, orthorhombeschem Zr7Cu10 an orthorhombeschem ZrNi (Fig. 10c). Dësen amorphen zu kristallinem Phaseniwwergang gouf duerch XRD vun der MG-Prouf bestätegt (Fig. 10d), déi op 700 °C an DSC erhëtzt gouf.
Figur 11 weist Fotoen, déi wärend dem Kaltsprëtzprozess an der aktueller Aarbecht gemaach goufen. An dëser Studie goufen déi metallesch, glasartig Pulverpartikelen, déi no enger MA-Zäit vu 50 Stonnen synthetiséiert goufen (mat Cu50Zr20Ni30 als Beispill), als antibakteriell Rohmaterialien benotzt, an d'Edelstahlplack (SUS304) gouf mat Kaltsprëtztechnologie beschichtet. D'Kaltsprëtzmethod gouf fir d'Beschichtung an der Thermosprëtztechnologie-Serie gewielt, well se déi effizientst Method an der Thermosprëtztechnologie-Serie ass a fir metallesch metastabill, temperaturempfindlech Materialien, wéi amorph a nanokristallin Pulver, benotzt ka ginn, déi net Phaseniwwergäng ënnerleien. Dëst ass den Haaptfaktor bei der Wiel vun dëser Method. De Kaltsprëtzprozess gëtt duerch d'Benotzung vun Héichgeschwindegkeetspartikelen duerchgefouert, déi d'kinetesch Energie vun de Partikelen a plastesch Deformatioun, Dehnung an Hëtzt beim Impakt mam Substrat oder virdru ofgesate Partikelen ëmwandelen.
Feldfotoe weisen d'Kaltsprëtzprozedur, déi fir fënnef hannereneen Virbereedunge vun MG-Beschichtung/SUS 304 bei 550 °C benotzt gouf.
Déi kinetesch Energie vun de Partikelen, an domat den Impuls vun all Partikel an der Beschichtungsbildung, muss duerch Mechanismen wéi plastesch Deformatioun (initial Partikel- a Partikel-Partikel-Interaktiounen am Substrat a Partikel-Interaktiounen), Lächer Konsolidéierung, Partikel-Partikel-Rotatioun, Dehnung a schlussendlech Hëtzt 39 an aner Energieformen ëmgewandelt ginn. Ausserdeem, wann net all akommende kinetesch Energie an Hëtzt- a Dehnungsenergie ëmgewandelt gëtt, ass d'Resultat eng elastesch Kollisioun, dat heescht, datt d'Partikelen no dem Impakt einfach zrécksprangen. Et gouf drop higewisen, datt 90% vun der Impaktenergie, déi op d'Partikel/Substratmaterial ugewannt gëtt, a lokal Hëtzt ëmgewandelt gëtt 40. Ausserdeem, wann Impaktstress ugewannt gëtt, ginn héich plastesch Dehnungsraten an der Kontaktpartikel/Substratregioun an enger ganz kuerzer Zäit erreecht 41,42.
Plastesch Deformatioun gëtt allgemeng als e Prozess vun Energieverloscht oder méi spezifesch als eng Hëtztquell am Grenzflächenberäich ugesinn. Wéi och ëmmer, ass den Temperaturanstieg am Grenzflächenberäich normalerweis net genuch fir d'Schmëlzung vun de Grenzflächen ze produzéieren oder d'Atomdiffusioun wesentlech ze fërderen. Keng Publikatioun, déi den Auteuren kennt, ënnersicht den Effekt vun den Eegeschafte vun dëse metallesche glasartigen Pulveren op d'Pulverhaftung an d'Oflagerung, déi optrieden, wann Kaltsprëtzmethoden benotzt ginn.
D'BFI vum MG Cu50Zr20Ni30 Legierungspulver kann an der Fig. 12a gesi ginn, deen op engem SUS 304 Substrat beschichtet gouf (Fig. 11, 12b). Wéi aus der Figur ze gesinn ass, behalen déi beschichtete Pulver hir ursprénglech amorph Struktur, well se eng delikat Labyrinthstruktur ouni kristallin Eegeschaften oder Gitterdefekter hunn. Op der anerer Säit weist d'Bild d'Präsenz vun enger externer Phas, wéi duerch Nanopartikelen, déi an der MG-beschichteter Pulvermatrix integréiert sinn, suggeréiert ginn (Fig. 12a). Figur 12c weist dat indexéiert Nanobeam-Diffraktiounsmuster (NBDP), dat mat der Regioun I assoziéiert ass (Figur 12a). Wéi an der Fig. 12c gewisen, weist den NBDP e schwaacht Halodiffusiounsmuster vun amorpher Struktur a koexistéiert mat schaarfe Flecken, déi der kristalliner grousser kubescher Zr2Ni metastabiler plus tetragonaler CuO-Phas entspriechen. D'Bildung vu CuO kann op d'Oxidatioun vum Pulver zougeschriwwe ginn, wann et vun der Düse vun der Sprëtzpistoul op SUS 304 geet. déi oppe Loft ënner engem iwwerschallschale Stroum. Op der anerer Säit huet d'Entglasung vun de metallesche glasartigen Pulveren d'Bildung vu grousse kubesche Phasen no enger Kaltsprëtzbehandlung bei 550 °C fir 30 Minutten erreecht.
(a) FE-HRTEM-Bild vun MG-Pulverbeschichtung op (b) SUS 304-Substrat (Asaz vun der Figur). Den Index NBDP vum kreesfërmegen Symbol, deen an (a) gewisen ass, gëtt an (c) gewisen.
Fir dëse potenziellen Mechanismus fir d'Bildung vu groussen kubeschen Zr2Ni-Nanopartikelen ze verifizéieren, gouf en onofhängegt Experiment duerchgefouert. An dësem Experiment goufen d'Pulver mat enger Sprëtzpistoul bei 550 °C a Richtung vum SUS 304-Substrat gesprëtzt; fir den Glüheffekt vun de Pulveren awer ze klären, goufen se sou séier wéi méiglech (ongeféier 60 Sekonnen) vum SUS304-Sträifen ewechgeholl. Eng aner Serie vun Experimenter gouf duerchgefouert, bei deenen de Pulver ongeféier 180 Sekonnen no der Oflagerung vum Substrat ewechgeholl gouf.
D'Figuren 13a, b weisen Donkelfeldbiller (DFI), déi duerch Rastertransmissiounselektronemikroskopie (STEM) vun zwou gesprëtzte Materialien op SUS 304 Substrater fir 60 Sekonnen respektiv 180 Sekonnen ofgesat goufen, kritt goufen. D'Pulverbild, dat fir 60 Sekonnen ofgesat gouf, huet keng morphologesch Detailer a weist keng Charakteristiken (Fig. 13a). Dëst gouf och duerch XRD bestätegt, wat ugedeit huet, datt déi allgemeng Struktur vun dëse Pulver amorph war, wéi duerch déi breet primär an sekundär Diffraktiounsmaxima an der Figur 14a ugedeit gëtt. Dës weisen op d'Feele vu metastabiler/Mesophase-Nidderschlag hin, wou de Pulver seng ursprénglech amorph Struktur behält. Am Géigesaz dozou huet de Pulver, deen bei der selwechter Temperatur (550 °C) gesprëtzt gouf, awer fir 180 Sekonnen um Substrat bliwwen ass, d'Nidderschlag vu Kären an der Nanogréisst gewisen, wéi duerch d'Pfeiler an der Fig. 13b ugedeit gëtt.