Ďakujeme, že ste navštívili Nature.com.Verzia prehliadača, ktorú používate, má obmedzenú podporu CSS.Pre najlepší zážitok vám odporúčame použiť aktualizovaný prehliadač (alebo vypnúť režim kompatibility v programe Internet Explorer).Medzitým, aby sme zabezpečili nepretržitú podporu, vykreslíme stránku bez štýlov a JavaScriptu.
Biofilmy sú dôležitou súčasťou rozvoja chronických infekcií, najmä pokiaľ ide o zdravotnícke pomôcky.Tento problém predstavuje obrovskú výzvu pre lekársku komunitu, pretože štandardné antibiotiká dokážu ničiť biofilmy len vo veľmi obmedzenom rozsahu.Prevencia tvorby biofilmu viedla k vývoju rôznych metód poťahovania a nových materiálov.Cieľom týchto techník je pokryť povrchy spôsobom, ktorý zabraňuje tvorbe biofilmu.Zliatiny sklovitých kovov, najmä tie, ktoré obsahujú kovy medi a titánu, sa stali ideálnymi antimikrobiálnymi povlakmi.Súčasne sa zvýšilo používanie technológie striekania za studena, pretože ide o vhodný spôsob spracovania materiálov citlivých na teplotu.Súčasťou cieľa tohto výskumu bolo vyvinúť nové antibakteriálne filmové kovové sklo zložené z Cu-Zr-Ni ternárneho skla pomocou mechanických legovacích techník.Guľovitý prášok, ktorý tvorí konečný produkt, sa používa ako surovina na studený nástrek nerezových povrchov pri nízkych teplotách.Kovové sklo potiahnuté substráty boli schopné výrazne znížiť tvorbu biofilmu aspoň o 1 log v porovnaní s nehrdzavejúcou oceľou.
V priebehu ľudskej histórie bola každá spoločnosť schopná vyvinúť a podporiť zavádzanie nových materiálov, aby splnila svoje špecifické požiadavky, čo viedlo k zvýšeniu produktivity a postaveniu v globalizovanej ekonomike1.Vždy sa pripisovala ľudskej schopnosti navrhovať materiály a výrobné zariadenia, ako aj dizajnom vyrábať a charakterizovať materiály na dosiahnutie zdravia, vzdelávania, priemyslu, ekonomiky, kultúry a iných oblastí z jednej krajiny alebo regiónu do druhej.Pokrok sa meria bez ohľadu na krajinu alebo región2.Už 60 rokov venovali materiáloví vedci veľa času jednej hlavnej úlohe: hľadaniu nových a pokrokových materiálov.Nedávny výskum sa zameral na zlepšenie kvality a výkonu existujúcich materiálov, ako aj na syntézu a vynájdenie úplne nových typov materiálov.
Pridaním legujúcich prvkov, úpravou mikroštruktúry materiálu a aplikáciou metód tepelného, ​​mechanického alebo termomechanického spracovania došlo k výraznému zlepšeniu mechanických, chemických a fyzikálnych vlastností rôznych materiálov.Okrem toho sa podarilo úspešne syntetizovať doteraz neznáme zlúčeniny.Toto vytrvalé úsilie viedlo k vzniku novej rodiny inovatívnych materiálov, ktoré sú spoločne známe ako Advanced Materials2.Nanokryštály, nanočastice, nanorúrky, kvantové bodky, amorfné kovové sklá s nulovým rozmerom a zliatiny s vysokou entropiou sú len niektoré príklady pokročilých materiálov, ktoré sa vo svete objavili od polovice minulého storočia.Pri výrobe a vývoji nových zliatin so zlepšenými vlastnosťami, ako vo finálnom produkte, tak aj v medzistupňoch jeho výroby, sa často pridáva problém nevyváženosti.V dôsledku zavedenia nových výrobných techník, ktoré umožňujú výrazné odchýlky od rovnováhy, bola objavená úplne nová trieda metastabilných zliatin, známych ako kovové sklá.
Jeho práca v Caltech v roku 1960 spôsobila revolúciu v koncepcii kovových zliatin, keď syntetizoval Au-25 at.% Si sklovité zliatiny rýchlym tuhnutím kvapalín rýchlosťou takmer milión stupňov za sekundu.4 Objav profesora Paula Duvesa znamenal nielen začiatok histórie kovových okuliarov (MS), ale viedol aj k zmene paradigmy v tom, ako ľudia uvažujú o kovových zliatinách.Od úplne prvého priekopníckeho výskumu v syntéze MS zliatin boli takmer všetky kovové sklá úplne získané jednou z nasledujúcich metód: (i) rýchle tuhnutie taveniny alebo pary, (ii) porucha atómovej mriežky, (iii) amorfizačné reakcie v tuhom stave medzi čistými kovovými prvkami a (iv) prechody metastabilných fáz v pevnej fáze.
MG sa vyznačujú absenciou atómového poriadku s dlhým dosahom spojeného s kryštálmi, čo je definujúca charakteristika kryštálov.V modernom svete sa v oblasti kovového skla dosiahol veľký pokrok.Ide o nové materiály so zaujímavými vlastnosťami, ktoré sú zaujímavé nielen pre fyziku pevných látok, ale aj pre metalurgiu, povrchovú chémiu, technológiu, biológiu a mnohé ďalšie oblasti.Tento nový typ materiálu má vlastnosti, ktoré sa líšia od tvrdých kovov, čo z neho robí zaujímavého kandidáta na technologické aplikácie v rôznych oblastiach.Majú niektoré dôležité vlastnosti: (i) vysokú mechanickú ťažnosť a medzu klzu, (ii) vysokú magnetickú permeabilitu, (iii) nízku koercitivitu, (iv) nezvyčajnú odolnosť proti korózii, (v) teplotnú nezávislosť.Vodivosť 6.7.
Mechanické legovanie (MA) 1,8 je relatívne nová metóda, ktorá bola prvýkrát predstavená v roku 19839 prof. KK Kokom a jeho kolegami.Vyrábali amorfné prášky Ni60Nb40 mletím zmesi čistých prvkov pri teplote okolia veľmi blízkej teplote miestnosti.Typicky sa MA reakcia uskutočňuje medzi difúznym spájaním práškov reaktantov v reaktore, zvyčajne vyrobenom z nehrdzavejúcej ocele, do guľového mlyna.10 (obr. la, b).Odvtedy sa táto metóda mechanicky indukovanej reakcie v tuhom stave používa na prípravu nových práškov amorfných/kovových zliatin skla pomocou nízkoenergetických (obr. 1c) a vysoko energetických guľových mlynov a tyčových mlynov11,12,13,14,15,16.Tento spôsob sa použil najmä na prípravu nemiešateľných systémov, ako je Cu-Ta17, ako aj zliatin s vysokou teplotou topenia, ako sú systémy Al-prechodný kov (TM, Zr, Hf, Nb a Ta)18,19 a Fe-W20., ktoré nie je možné získať konvenčnými spôsobmi varenia.Okrem toho sa MA považuje za jeden z najvýkonnejších nanotechnologických nástrojov na výrobu nanokryštalických a nanokompozitných práškových častíc oxidov kovov, karbidov, nitridov, hydridov, uhlíkových nanorúrok, nanodiamantov v priemyselnom meradle, ako aj širokú stabilizáciu pomocou prístupu zhora nadol.1 a metastabilné štádiá.
Schéma znázorňujúca výrobnú metódu použitú na prípravu povlaku z kovového skla Cu50(Zr50-xNix)/SUS 304 v tejto štúdii.(a) Príprava práškov zliatiny MC s rôznymi koncentráciami Nix (x; 10, 20, 30 a 40 at. %) s použitím metódy nízkoenergetického guľového mletia.(a) Východiskový materiál sa vloží do nástrojového valca spolu s guličkami z nástrojovej ocele a (b) sa utesní v rukavicovej skrinke naplnenej atmosférou He.(c) Priehľadný model mlecej nádoby znázorňujúci pohyb gule počas mletia.Konečný práškový produkt získaný po 50 hodinách sa použil na potiahnutie substrátu SUS 304 (d) nástrekom za studena.
Pokiaľ ide o povrchy sypkých materiálov (substráty), povrchové inžinierstvo zahŕňa návrh a úpravu povrchov (substrátov) s cieľom poskytnúť určité fyzikálne, chemické a technické vlastnosti, ktoré nie sú prítomné v pôvodnom sypkom materiáli.Niektoré z vlastností, ktoré je možné účinne zlepšiť pomocou povrchovej úpravy, zahŕňajú odolnosť proti oderu, oxidácii a korózii, koeficient trenia, bioinertnosť, elektrické vlastnosti a tepelnú izoláciu, aby sme vymenovali aspoň niektoré.Kvalitu povrchu je možné zlepšiť metalurgickými, mechanickými alebo chemickými metódami.Ako dobre známy proces je povlak jednoducho definovaný ako jedna alebo viac vrstiev materiálu umelo nanesených na povrch hromadného predmetu (substrát) vyrobeného z iného materiálu.Nátery sa teda čiastočne používajú na dosiahnutie požadovaných technických alebo dekoratívnych vlastností, ako aj na ochranu materiálov pred očakávanými chemickými a fyzikálnymi interakciami s prostredím23.
Na nanášanie vhodných ochranných vrstiev možno použiť rôzne metódy a techniky od niekoľkých mikrometrov (pod 10-20 mikrometrov) po viac ako 30 mikrometrov alebo dokonca niekoľko milimetrov v hrúbke.Vo všeobecnosti možno procesy poťahovania rozdeliť do dvoch kategórií: (i) metódy mokrého pokovovania, vrátane galvanického pokovovania, galvanizácie a žiarového zinkovania, a (ii) metódy suchého pokovovania, vrátane spájkovania, navárania, fyzikálneho nanášania pár (PVD).), chemické nanášanie pár (CVD), techniky tepelného striekania a novšie techniky striekania za studena 24 (obrázok 1d).
Biofilmy sú definované ako mikrobiálne spoločenstvá, ktoré sú ireverzibilne pripojené k povrchom a sú obklopené vlastnými extracelulárnymi polymérmi (EPS).Tvorba povrchovo zrelého biofilmu môže viesť k významným stratám v mnohých priemyselných odvetviach vrátane spracovania potravín, vodných systémov a zdravotníctva.U ľudí je s tvorbou biofilmov ťažko liečiteľných viac ako 80 % prípadov mikrobiálnych infekcií (vrátane Enterobacteriaceae a Stafylokokov).Okrem toho sa uvádza, že zrelé biofilmy sú 1000-krát odolnejšie voči liečbe antibiotikami v porovnaní s bunkami planktonických baktérií, čo sa považuje za hlavnú terapeutickú výzvu.Historicky sa používali antimikrobiálne povrchové náterové materiály odvodené od bežných organických zlúčenín.Hoci takéto materiály často obsahujú toxické zložky potenciálne škodlivé pre ľudí,25,26 to môže pomôcť zabrániť prenosu baktérií a degradácii materiálu.
Široká bakteriálna rezistencia na liečbu antibiotikami v dôsledku tvorby biofilmu viedla k potrebe vyvinúť účinný povrch potiahnutý antimikrobiálnou membránou, ktorý možno bezpečne aplikovať27.Prvým prístupom v tomto procese je vývoj fyzikálneho alebo chemického antiadhézneho povrchu, na ktorý sa bakteriálne bunky nemôžu viazať a vytvárať biofilmy v dôsledku adhézie27.Druhou technológiou je vývoj povlakov, ktoré dodávajú antimikrobiálne chemikálie presne tam, kde sú potrebné, vo vysoko koncentrovaných a prispôsobených množstvách.Dosahuje sa to vývojom jedinečných poťahových materiálov, ako je grafén/germánium28, čierny diamant29 a uhlíkové povlaky dopované ZnO30, ktoré sú odolné voči baktériám, čo je technológia, ktorá maximalizuje vývoj toxicity a odolnosti v dôsledku tvorby biofilmu.Okrem toho sú čoraz populárnejšie nátery obsahujúce germicídne chemikálie, ktoré poskytujú dlhodobú ochranu pred bakteriálnou kontamináciou.Zatiaľ čo všetky tri postupy sú schopné vyvinúť antimikrobiálnu aktivitu na potiahnutých povrchoch, každý má svoj vlastný súbor obmedzení, ktoré by sa mali zvážiť pri vývoji aplikačnej stratégie.
Produkty, ktoré sú v súčasnosti na trhu, sú brzdené nedostatkom času na analýzu a testovanie ochranných náterov na biologicky aktívne zložky.Spoločnosti tvrdia, že ich produkty poskytnú užívateľom požadované funkčné aspekty, čo sa však stalo prekážkou úspechu produktov, ktoré sú v súčasnosti na trhu.Zlúčeniny odvodené od striebra sa používajú vo veľkej väčšine antimikrobiálnych látok, ktoré sú v súčasnosti spotrebiteľom dostupné.Tieto produkty sú navrhnuté tak, aby chránili používateľov pred potenciálne škodlivým vystavením mikroorganizmom.Oneskorený antimikrobiálny účinok a súvisiaca toxicita zlúčenín striebra zvyšujú tlak na výskumníkov, aby vyvinuli menej škodlivú alternatívu36,37.Výzvou zostáva vytvorenie globálneho antimikrobiálneho povlaku, ktorý funguje zvnútra aj zvonka.S tým sú spojené zdravotné a bezpečnostné riziká.Objavenie antimikrobiálneho činidla, ktoré je menej škodlivé pre ľudí, a zistenie, ako ho začleniť do náterových substrátov s dlhšou skladovateľnosťou, je veľmi žiadaným cieľom38.Najnovšie antimikrobiálne a antibiofilmové materiály sú navrhnuté tak, aby ničili baktérie na blízko buď priamym kontaktom alebo po uvoľnení aktívneho činidla.Môžu to urobiť inhibíciou počiatočnej adhézie baktérií (vrátane zabránenia tvorby proteínovej vrstvy na povrchu) alebo zabíjaním baktérií zásahom do bunkovej steny.
Povrchová úprava je v podstate proces nanášania ďalšej vrstvy na povrch komponentu, aby sa zlepšili vlastnosti povrchu.Účelom povrchovej úpravy je zmeniť mikroštruktúru a/alebo zloženie blízkej povrchovej oblasti komponentu39.Metódy povrchovej úpravy možno rozdeliť na rôzne metódy, ktoré sú zhrnuté na obr. 2a.Povlaky možno rozdeliť do tepelných, chemických, fyzikálnych a elektrochemických kategórií v závislosti od metódy použitej na vytvorenie povlaku.
(a) Vložka zobrazujúca hlavné techniky výroby povrchu a (b) vybrané výhody a nevýhody metódy striekania za studena.
Technológia striekania za studena má veľa spoločného s tradičnými technikami tepelného striekania.Existujú však aj niektoré kľúčové základné vlastnosti, vďaka ktorým je proces striekania za studena a materiály striekania za studena obzvlášť jedinečné.Technológia nástreku za studena je ešte len v plienkach, no čaká ju veľká budúcnosť.V niektorých prípadoch ponúkajú jedinečné vlastnosti striekania za studena veľké výhody, čím prekonávajú obmedzenia konvenčných techník žiarového striekania.Prekonáva významné obmedzenia tradičnej technológie tepelného striekania, pri ktorej sa prášok musí roztaviť, aby sa naniesol na substrát.Je zrejmé, že tento tradičný proces poťahovania nie je vhodný pre materiály veľmi citlivé na teplotu, ako sú nanokryštály, nanočastice, amorfné a kovové sklá40, 41, 42. Okrem toho materiály na poťahovanie žiarovým striekaním majú vždy vysokú úroveň pórovitosti a oxidov.Technológia nástreku za studena má oproti technológii žiarového nástreku mnoho významných výhod, ako napríklad (i) minimálny vstup tepla do substrátu, (ii) flexibilita pri výbere náteru substrátu, (iii) žiadna fázová transformácia a rast zŕn, (iv) vysoká priľnavosť1,39 (obr. 2b).Okrem toho majú náterové materiály striekané za studena vysokú odolnosť proti korózii, vysokú pevnosť a tvrdosť, vysokú elektrickú vodivosť a vysokú hustotu41.Napriek výhodám procesu striekania za studena má tento spôsob stále určité nevýhody, ako je znázornené na obrázku 2b.Pri nanášaní čistých keramických práškov, ako sú Al2O3, TiO2, ZrO2, WC atď., nie je možné použiť metódu striekania za studena.Na druhej strane, keramické/kovové kompozitné prášky môžu byť použité ako suroviny na nátery.To isté platí pre iné metódy žiarového striekania.Zložité povrchy a vnútro rúr je stále ťažké nastriekať.
Vzhľadom na to, že táto práca je zameraná na použitie kovových sklovitých práškov ako východiskových materiálov pre nátery, je jasné, že na tento účel nemožno použiť konvenčné žiarové striekanie.Je to spôsobené tým, že kovové sklovité prášky kryštalizujú pri vysokých teplotách1.
Väčšina nástrojov používaných v lekárskom a potravinárskom priemysle je vyrobená z austenitických zliatin nehrdzavejúcej ocele (SUS316 a SUS304) s obsahom chrómu 12 až 20 % hm. na výrobu chirurgických nástrojov.Všeobecne sa uznáva, že použitie kovového chrómu ako legujúceho prvku v oceľových zliatinách môže výrazne zlepšiť odolnosť štandardných oceľových zliatin proti korózii.Zliatiny nehrdzavejúcej ocele napriek vysokej odolnosti proti korózii nemajú výrazné antimikrobiálne vlastnosti38,39.To kontrastuje s ich vysokou odolnosťou proti korózii.Potom je možné predpovedať vývoj infekcie a zápalu, ktoré sú spôsobené najmä priľnutím a kolonizáciou baktérií na povrchu nerezových biomateriálov.Značné ťažkosti môžu vzniknúť v dôsledku značných ťažkostí spojených s adhéziou baktérií a dráhami tvorby biofilmu, čo môže viesť k zlému zdravotnému stavu, čo môže mať mnohé následky, ktoré môžu priamo alebo nepriamo ovplyvniť ľudské zdravie.
Táto štúdia je prvou fázou projektu financovaného Kuwait Foundation for the Advancement of Science (KFAS), zmluva č.2010-550401, preskúmať realizovateľnosť výroby kovových sklovitých Cu-Zr-Ni ternárnych práškov pomocou MA technológie (tabuľka).1) Na výrobu antibakteriálneho filmu/povlaku na ochranu povrchu SUS304.Druhá fáza projektu, ktorá sa má začať v januári 2023, podrobne preštuduje charakteristiky galvanickej korózie a mechanické vlastnosti systému.Vykonajú sa podrobné mikrobiologické testy na rôzne druhy baktérií.
Tento článok pojednáva o vplyve obsahu zliatiny Zr na schopnosť tvárnenia skla (GFA) na základe morfologických a štruktúrnych charakteristík.Okrem toho sa diskutovalo aj o antibakteriálnych vlastnostiach práškovo potiahnutého kovového skla/kompozitu SUS304.Okrem toho prebiehala práca na skúmaní možnosti štrukturálnej transformácie práškov kovového skla, ku ktorej dochádza počas striekania za studena v oblasti podchladenej kvapaliny vyrobených systémov kovového skla.Ako reprezentatívne príklady v tejto štúdii sa použili zliatiny kovového skla Cu50Zr30Ni20 a Cu50Zr20Ni30.
Táto časť prezentuje morfologické zmeny v práškoch elementárnej Cu, Zr a Ni počas nízkoenergetického guľového mletia.Ako názorné príklady budú použité dva rôzne systémy pozostávajúce z Cu50Zr20Ni30 a Cu50Zr40Ni10.Proces MA možno rozdeliť do troch samostatných stupňov, čo dokazuje metalografická charakterizácia prášku získaného v štádiu mletia (obr. 3).
Metalografické charakteristiky práškov mechanických zliatin (MA) získaných po rôznych stupňoch guľového mletia.Snímky práškov MA a Cu50Zr40Ni10 získané po nízkoenergetickom guľovom mletí počas 3, 12 a 50 hodín z rastrovacieho elektrónového mikroskopu s poľom (FE-SEM) sú uvedené v (a), (c) a (e) pre systém Cu50Zr20Ni30, zatiaľ čo na rovnakom MA.Zodpovedajúce obrázky systému Cu50Zr40Ni10 urobené po určitom čase sú uvedené v (b), (d) a (f).
Počas guľového mletia je efektívna kinetická energia, ktorá sa môže preniesť na kovový prášok, ovplyvnená kombináciou parametrov, ako je znázornené na obr. 1a.Patria sem kolízie medzi guľôčkami a práškami, šmykové stlačenie prášku uviaznutého medzi alebo medzi mlecími médiami, nárazy padajúcimi guľôčkami, šmyk a opotrebovanie spôsobené ťahom prášku medzi pohyblivými telesami guľového mlyna a rázová vlna prechádzajúca padajúcimi guľôčkami šíriaca sa zaťaženou kultúrou (obr. 1a). Элементарные порошки Cu, Zr a Ni были сильно деформированы из-за холодной, сварки на ранней то привело к образованию крупных частиц порошка (> 1 мм в диаметре). Elementárne prášky Cu, Zr a Ni boli vážne deformované v dôsledku studeného zvárania v ranom štádiu MA (3 h), čo viedlo k vytvoreniu veľkých práškových častíc (> 1 mm v priemere).Tieto veľké kompozitné častice sa vyznačujú tvorbou hrubých vrstiev legujúcich prvkov (Cu, Zr, Ni), ako je znázornené na obr.3a,b.Predĺženie času MA na 12 h (medzistupeň) viedlo k zvýšeniu kinetickej energie guľového mlyna, čo viedlo k rozkladu kompozitného prášku na menšie prášky (menej ako 200 μm), ako je znázornené na obr. 3c, mesto .V tomto štádiu aplikovaná šmyková sila vedie k vytvoreniu nového kovového povrchu s tenkými Cu, Zr, Ni náznakovými vrstvami, ako je znázornené na obr. 3c, d.V dôsledku rozomletia vrstiev na rozhraní vločiek dochádza k reakciám v tuhej fáze s tvorbou nových fáz.
Na vrchole procesu MA (po 50 hodinách) bola vločková metalografia sotva badateľná (obr. 3e, f) a na vyleštenom povrchu prášku bola pozorovaná zrkadlová metalografia.To znamená, že proces MA bol dokončený a bola vytvorená jedna reakčná fáza.Elementárne zloženie oblastí naznačených na obr.3e (I, II, III), f, v, vi) boli stanovené pomocou skenovacej elektrónovej mikroskopie s emisiou poľa (FE-SEM) v kombinácii s energeticky disperznou röntgenovou spektroskopiou (EDS).(IV).
V tabuľke.2 elementárne koncentrácie legujúcich prvkov sú znázornené ako percento z celkovej hmotnosti každej oblasti zvolenej na obr.3e, f.Porovnanie týchto výsledkov s počiatočnými nominálnymi zloženiami Cu50Zr20Ni30 a Cu50Zr40Ni10 uvedenými v tabuľke 1 ukazuje, že zloženia týchto dvoch konečných produktov sú veľmi blízke nominálnym zloženiam.Okrem toho relatívne hodnoty zložiek pre oblasti uvedené na obr. 3e,f nenaznačujú významné zhoršenie alebo variácie v zložení každej vzorky z jednej oblasti do druhej.Svedčí o tom skutočnosť, že medzi jednotlivými regiónmi nedochádza k zmene zloženia.To indikuje produkciu rovnomerných zliatinových práškov, ako je uvedené v tabuľke 2.
Mikrofotografie FE-SEM prášku konečného produktu Cu50(Zr50-xNix) sa získali po 50 MA krát, ako je znázornené na obr. 4a-d, kde x je 10, 20, 30 a 40 at. %, v tomto poradí.Po tomto kroku mletia sa prášok zhlukuje v dôsledku van der Waalsovho efektu, čo vedie k vytvoreniu veľkých agregátov pozostávajúcich z ultrajemných častíc s priemerom 73 až 126 nm, ako je znázornené na obrázku 4.
Morfologické charakteristiky Cu50(Zr50-xNix) práškov získaných po 50-hodinovom MA.Pre systémy Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40 sú snímky FE-SEM práškov získaných po 50 MA zobrazené v (a), (b), (c) a (d), v tomto poradí.
Pred naplnením práškov do studeného rozprašovacieho dávkovača sa najskôr 15 minút sonikovali v etanole analytickej kvality a potom sa 2 hodiny sušili pri 150 °C.Tento krok je potrebné urobiť, aby sa úspešne bojovalo s aglomeráciou, ktorá často spôsobuje mnohé vážne problémy v procese poťahovania.Po dokončení procesu MA sa uskutočnili ďalšie štúdie na skúmanie homogenity práškových zliatin.Na obr.5a – d znázorňujú mikrofotografie FE-SEM a zodpovedajúce EDS snímky zliatinových prvkov Cu, Zr a Ni zliatiny Cu50Zr30Ni20 nasnímané po 50 hodinách M.Je potrebné poznamenať, že zliatinové prášky získané po tomto kroku sú homogénne, pretože nevykazujú žiadne kolísanie zloženia nad úrovňou sub-nanometrov, ako je znázornené na obrázku 5.
Morfológia a lokálna distribúcia prvkov v prášku MG Cu50Zr30Ni20 získanom po 50 MA pomocou FE-SEM/energetickej disperznej röntgenovej spektroskopie (EDS).(a) SEM a rôntgenové EDS zobrazenie (b) Cu-Ka, (c) Zr-La a (d) Ni-Ka.
Obrazce rôntgenovej difrakcie mechanicky legovaných práškov Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30 a Cu50Zr20Ni30 získaných po 50 hodinách MA sú znázornené na obr.6a až d.Po tomto štádiu mletia mali všetky vzorky s rôznymi koncentráciami Zr amorfné štruktúry s charakteristickými obrazcami halo difúzie znázornenými na obr.
Rôntgenové difraktogramy práškov Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c) a Cu50Zr20Ni30 (d) po MA počas 50 hodín.Vo všetkých vzorkách bez výnimky sa pozoroval halo-difúzny vzor, ​​čo naznačuje tvorbu amorfnej fázy.
Transmisná elektrónová mikroskopia s vysokým rozlíšením poľa (FE-HRTEM) bola použitá na pozorovanie štrukturálnych zmien a pochopenie lokálnej štruktúry práškov, ktoré sú výsledkom guľového mletia v rôznych časoch MA.Obrázky práškov získaných metódou FE-HRTEM po skorej (6 h) a strednej (18 h) fáze mletia práškov Cu50Zr30Ni20 a Cu50Zr40Ni10 sú znázornené na obr.7a.Podľa snímky vo svetlom poli (BFI) prášku získaného po 6 hodinách MA, prášok pozostáva z veľkých zŕn s jasne definovanými hranicami prvkov fcc-Cu, hcp-Zr a fcc-Ni a nie sú žiadne známky tvorby reakčnej fázy, ako je znázornené na obr. 7a.Okrem toho korelovaný vybraný plošný difrakčný obrazec (SADP) získaný zo strednej oblasti (a) odhalil ostrý difrakčný obrazec (obr. 7b), čo naznačuje prítomnosť veľkých kryštálov a neprítomnosť reaktívnej fázy.
Lokálne štrukturálne charakteristiky prášku MA získaného po skorých (6 h) a stredných (18 h) štádiách.(a) Transmisná elektrónová mikroskopia s emisiami poľa s vysokým rozlíšením (FE-HRTEM) a (b) zodpovedajúci vybraný plošný difraktogram (SADP) prášku Cu50Zr30Ni20 po ošetrení MA počas 6 hodín.Obraz FE-HRTEM Cu50Zr40Ni10 získaný po 18-hodinovom MA je znázornený v (c).
Ako je znázornené na obr.7c, predĺženie trvania MA na 18 hodín viedlo k vážnym defektom mriežky v kombinácii s plastickou deformáciou.V tomto prechodnom štádiu procesu MA sa v prášku objavujú rôzne defekty, vrátane stohovacích chýb, mriežkových defektov a bodových defektov (obr. 7).Tieto defekty spôsobujú fragmentáciu veľkých zŕn pozdĺž hraníc zŕn na podzrná s veľkosťou menšou ako 20 nm (obr. 7c).
Lokálna štruktúra prášku Cu50Z30Ni20 mletého počas 36 hodín MA je charakterizovaná tvorbou ultrajemných nanozŕn uložených v amorfnej tenkej matrici, ako je znázornené na obr. 8a.Lokálna analýza EMF ukázala, že nanoklastre zobrazené na obr.8a sú spojené s neupravenými práškovými zliatinami Cu, Zr a Ni.Obsah Cu v matrici kolísal od ~32 at.% (chudobná zóna) do ~74 at.% (bohatá zóna), čo naznačuje tvorbu heterogénnych produktov.Okrem toho zodpovedajúce SADP práškov získaných po mletí v tomto kroku vykazujú primárne a sekundárne halo-difúzne kruhy amorfnej fázy prekrývajúce sa s ostrými hrotmi spojenými s týmito neupravenými legovacími prvkami, ako je znázornené na obr. 8b.
Lokálne štrukturálne vlastnosti prášku Beyond 36 h-Cu50Zr30Ni20 v nanometroch.(a) Obraz svetlého poľa (BFI) a zodpovedajúci (b) SADP prášku Cu50Zr30Ni20 získaného po mletí počas 36 hodín MA.
Ku koncu MA procesu (50 h) majú prášky Cu50(Zr50-xNix), X, 10, 20, 30 a 40 at.% bez výnimky labyrintovú morfológiu amorfnej fázy, ako je znázornené na obr.V zodpovedajúcich SADS každej kompozície nebolo možné detegovať ani bodovú difrakciu, ani ostré prstencové vzory.To naznačuje neprítomnosť neupraveného kryštalického kovu, ale skôr tvorbu amorfného prášku zliatiny.Tieto korelované SADP vykazujúce vzory halo difúzie sa tiež použili ako dôkaz vývoja amorfných fáz v materiáli konečného produktu.
Lokálna štruktúra finálneho produktu systému Cu50 MS (Zr50-xNix).FE-HRTEM a korelované nanolúčové difrakčné obrazce (NBDP) (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 a (d) Cu50Zr10Ni40 získané po 50 hodinách MA.
Pomocou diferenciálnej skenovacej kalorimetrie bola študovaná tepelná stabilita teploty skleného prechodu (Tg), oblasti podchladenej kvapaliny (ATx) a teploty kryštalizácie (Tx) v závislosti od obsahu Ni (x) v amorfnom systéme Cu50(Zr50-xNix).(DSC) vlastnosti v prúde plynu He.Krivky DSC práškov amorfných zliatin Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20 a Cu50Zr10Ni40 získaných po MA počas 50 hodín sú znázornené na obr.10a, b, e, v tomto poradí.Zatiaľ čo krivka DSC amorfného Cu50Zr20Ni30 je znázornená oddelene na obr. 10. storočia, zatiaľ čo vzorka Cu50Zr30Ni20 zahriata na ~700 °C v DSC je znázornená na obr. 10g.
Tepelná stabilita práškov Cu50(Zr50-xNix) MG získaných po MA počas 50 hodín je určená teplotou skleného prechodu (Tg), teplotou kryštalizácie (Tx) a oblasťou podchladenej kvapaliny (ATx).Termogramy práškov diferenciálneho skenovacieho kalorimetra (DSC) práškov Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c) a (e) Cu50Zr10Ni40 MG zliatinových práškov po MA počas 50 hodín.Röntgenový difrakčný záznam (XRD) vzorky Cu50Zr30Ni20 zahriatej na ~700 °C v DSC je znázornený v (d).
Ako je znázornené na obrázku 10, krivky DSC pre všetky kompozície s rôznymi koncentráciami niklu (x) označujú dva rôzne prípady, jeden endotermický a druhý exotermický.Prvý endotermický dej zodpovedá Tg a druhý je spojený s Tx.Oblasť horizontálneho rozpätia, ktorá existuje medzi Tg a Tx, sa nazýva oblasť podchladenej kvapaliny (ΔTx = Tx – Tg).Výsledky ukazujú, že Tg a Tx vzorky Cu50Zr40Ni10 (obr. 10a) umiestnenej pri 526 °C a 612 °C posúvajú obsah (x) až o 20 pri % smerom k nízkej teplote 482 °C a 563 °C.°C so zvyšujúcim sa obsahom Ni (x), ako je znázornené na obrázku 10b.V dôsledku toho ΔTx Cu50Zr40Ni10 klesá z 86 °С (obr. 10a) na 81 °С pre Cu50Zr30Ni20 (obr. 10b).Pri zliatine MC Cu50Zr40Ni10 bol tiež pozorovaný pokles hodnôt Tg, Tx a ΔTx na úroveň 447°С, 526°С a 79°С (obr. 10b).To naznačuje, že zvýšenie obsahu Ni vedie k zníženiu tepelnej stability MS zliatiny.Naopak, hodnota Tg (507 °C) zliatiny MC Cu50Zr20Ni30 je nižšia ako u zliatiny MC Cu50Zr40Ni10;napriek tomu jeho Tx vykazuje hodnotu porovnateľnú s ním (612 °C).Preto má ΔTx vyššiu hodnotu (87°C), ako je znázornené na obr.10. storočia
Systém Cu50(Zr50-xNix) MC, využívajúci ako príklad zliatinu Cu50Zr20Ni30 MC, kryštalizuje cez ostrý exotermický pík na fcc-ZrCu5, ortorombickú-Zr7Cu10 a ortorombickú-ZrNi kryštalickú fázu (obr. 10c).Tento fázový prechod z amorfnej do kryštalickej bol potvrdený rôntgenovou difrakčnou analýzou vzorky MG (obr. 10d), ktorá bola zahrievaná na 700 °C v DSC.
Na obr.11 zobrazuje fotografie zhotovené počas procesu studeného striekania, ktorý sa vykonáva v súčasnej práci.V tejto štúdii boli ako antibakteriálna surovina použité častice kovového sklovitého prášku syntetizované po MA počas 50 hodín (s použitím príkladu Cu50Zr20Ni30) a doska z nehrdzavejúcej ocele (SUS304) bola potiahnutá striekaním za studena.Metóda striekania za studena bola zvolená na nanášanie v sérii technológie tepelného striekania, pretože je to najúčinnejšia metóda v sérii technológie tepelného striekania, kde ju možno použiť pre kovové metastabilné materiály citlivé na teplo, ako sú amorfné a nanokryštalické prášky.Nepodlieha fáze.prechody.Toto je hlavný faktor pri výbere tejto metódy.Proces ukladania za studena sa uskutočňuje pomocou vysokorýchlostných častíc, ktoré premieňajú kinetickú energiu častíc na plastickú deformáciu, deformáciu a teplo pri dopade na substrát alebo predtým nanesené častice.
Fotografie v teréne ukazujú postup striekania za studena použitý pre päť po sebe idúcich príprav MG/SUS 304 pri 550 °C.
Kinetická energia častíc, ako aj hybnosť každej častice pri vytváraní povlaku sa musia premeniť na iné formy energie prostredníctvom mechanizmov ako plastická deformácia (primárne častice a medzičasticové interakcie v matrici a interakcie častíc), intersticiálne uzly tuhých látok, rotácia medzi časticami, deformácia a obmedzujúce zahrievanie 39. Okrem toho, ak nie je všetka výsledkom premeny na tepelnú a deformačnú energiu, výsledkom bude len pružná kinetická energia, zrážka, po dopade sa odraziť.Zistilo sa, že 90 % energie nárazu aplikovanej na materiál častice/substrát sa premení na lokálne teplo 40 .Okrem toho, keď sa aplikuje rázové napätie, dosahujú sa vysoké rýchlosti plastickej deformácie v oblasti kontaktu častica/substrát vo veľmi krátkom čase41,42.
Plastická deformácia sa zvyčajne považuje za proces rozptylu energie, alebo skôr za zdroj tepla v medzifázovej oblasti.Zvýšenie teploty v medzifázovej oblasti však zvyčajne nestačí na vznik medzifázového topenia alebo výraznej stimulácie vzájomnej difúzie atómov.Žiadna publikácia známa autorom neskúmala vplyv vlastností týchto kovových sklovitých práškov na priľnavosť prášku a usadzovanie, ku ktorému dochádza pri použití techník striekania za studena.
BFI prášku zliatiny MG Cu50Zr20Ni30 je možné vidieť na obr. 12a, ktorý bol nanesený na substrát SUS 304 (obr. 11, 12b).Ako je možné vidieť z obrázku, potiahnuté prášky si zachovávajú svoju pôvodnú amorfnú štruktúru, pretože majú jemnú labyrintovú štruktúru bez akýchkoľvek kryštalických znakov alebo mriežkových defektov.Na druhej strane obrázok naznačuje prítomnosť cudzej fázy, čo dokazujú nanočastice obsiahnuté v práškovej matrici potiahnutej MG (obr. 12a).Obrázok 12c znázorňuje indexovaný difrakčný obrazec nanolúčov (NBDP) spojený s oblasťou I (obrázok 12a).Ako je znázornené na obr.12c, NBDP vykazuje slabý halo-difúzny vzor amorfnej štruktúry a koexistuje s ostrými škvrnami zodpovedajúcimi kryštalickej veľkej kubickej metastabilnej fáze Zr2Ni plus tetragonálnej fáze CuO.Vznik CuO možno vysvetliť oxidáciou prášku pri pohybe z dýzy striekacej pištole na SUS 304 pod holým nebom v nadzvukovom prúdení.Na druhej strane, devitrifikácia kovových sklovitých práškov viedla k vytvoreniu veľkých kubických fáz po spracovaní striekaním za studena pri 550 ° C počas 30 minút.
(a) Snímka FE-HRTEM prášku MG naneseného na (b) substrát SUS 304 (vložený obrázok).Index NBDP okrúhleho symbolu zobrazeného v (a) je zobrazený v (c).
Na testovanie tohto potenciálneho mechanizmu tvorby veľkých kubických nanočastíc Zr2Ni sa uskutočnil nezávislý experiment.V tomto experimente sa prášky rozprašovali z atomizéra pri 550 °C v smere k substrátu SUS 304;avšak na stanovenie účinku žíhania boli prášky odstránené z prúžku SUS304 čo najrýchlejšie (asi 60 s).).Uskutočnila sa ďalšia séria experimentov, v ktorých sa prášok odstránil zo substrátu približne 180 sekúnd po aplikácii.
Obrázky 13a, b znázorňujú snímky v tmavom poli (DFI) skenovacej transmisnej elektrónovej mikroskopie (STEM) dvoch naprašovaných materiálov nanesených na substráty SUS 304 počas 60 s a 180 s.Práškovému obrázku uloženému počas 60 sekúnd chýbajú morfologické detaily, čo ukazuje na nevýraznosť (obr. 13a).Toto bolo tiež potvrdené XRD, ktorý ukázal, že celková štruktúra týchto práškov bola amorfná, ako ukazujú široké primárne a sekundárne difrakčné píky znázornené na obrázku 14a.To naznačuje neprítomnosť metastabilných/mezofázových precipitátov, v ktorých si prášok zachováva svoju pôvodnú amorfnú štruktúru.Na rozdiel od toho, prášok nanesený pri rovnakej teplote (550 °C), ale ponechaný na substráte 180 s, ukázal depozíciu zŕn s nanorozmermi, ako je znázornené šípkami na obr. 13b.