Hvala, ker ste obiskali Nature.com.Različica brskalnika, ki jo uporabljate, ima omejeno podporo za CSS.Za najboljšo izkušnjo priporočamo, da uporabite posodobljen brskalnik (ali onemogočite način združljivosti v Internet Explorerju).Medtem bomo za zagotovitev stalne podpore spletno mesto upodobili brez slogov in JavaScripta.
Biofilmi so pomembna sestavina pri razvoju kroničnih okužb, še posebej, ko gre za medicinske pripomočke.Ta problem predstavlja velik izziv za medicinsko skupnost, saj lahko standardni antibiotiki biofilme uničijo le v zelo omejenem obsegu.Preprečevanje nastajanja biofilma je privedlo do razvoja različnih metod premazovanja in novih materialov.Cilj teh tehnik je prevleka površin na način, ki preprečuje nastanek biofilma.Steklaste kovinske zlitine, zlasti tiste, ki vsebujejo baker in titan, so postale idealni protimikrobni premazi.Hkrati se je povečala uporaba tehnologije hladnega pršenja, saj je to primerna metoda za obdelavo temperaturno občutljivih materialov.Del cilja te raziskave je bil razviti novo antibakterijsko filmsko kovinsko steklo, sestavljeno iz trikomponentnega Cu-Zr-Ni z uporabo tehnik mehanskega legiranja.Sferični prah, ki tvori končni izdelek, se uporablja kot surovina za hladno brizganje površin iz nerjavečega jekla pri nizkih temperaturah.Substrati, prevlečeni s kovinskim steklom, so lahko znatno zmanjšali nastajanje biofilma za vsaj 1 log v primerjavi z nerjavnim jeklom.
Skozi človeško zgodovino je lahko katera koli družba razvila in spodbujala uvedbo novih materialov, da bi izpolnila svoje specifične zahteve, kar je povzročilo večjo produktivnost in uvrstitev v globaliziranem gospodarstvu1.Vedno so ga pripisovali človeški sposobnosti oblikovanja materialov in proizvodne opreme ter modelov za izdelavo in karakterizacijo materialov za doseganje zdravja, izobraževanja, industrije, gospodarstva, kulture in drugih področij iz ene države ali regije v drugo.Napredek se meri ne glede na državo ali regijo2.Znanstveniki za materiale že 60 let posvečajo veliko časa eni glavni nalogi: iskanju novih in naprednih materialov.Nedavne raziskave so se osredotočile na izboljšanje kakovosti in učinkovitosti obstoječih materialov, pa tudi na sintezo in izumljanje popolnoma novih vrst materialov.
Dodatek legirnih elementov, modifikacija mikrostrukture materiala in uporaba termičnih, mehanskih ali termomehanskih metod obdelave so privedli do bistvenega izboljšanja mehanskih, kemijskih in fizikalnih lastnosti različnih materialov.Poleg tega so bile uspešno sintetizirane doslej neznane spojine.Ta vztrajna prizadevanja so privedla do nove družine inovativnih materialov, skupaj znanih kot Advanced Materials2.Nanokristali, nanodelci, nanocevke, kvantne pike, nič-dimenzionalna, amorfna kovinska stekla in visokoentropijske zlitine so le nekateri primeri naprednih materialov, ki so se v svetu pojavili od sredine prejšnjega stoletja.Pri izdelavi in ​​razvoju novih zlitin z izboljšanimi lastnostmi, tako v končnem izdelku kot v vmesnih fazah njegove proizvodnje, se pogosto doda problem neuravnoteženosti.Kot rezultat uvedbe novih proizvodnih tehnik, ki omogočajo znatna odstopanja od ravnovesja, je bil odkrit povsem nov razred metastabilnih zlitin, znanih kot kovinska stekla.
Njegovo delo pri Caltechu leta 1960 je revolucioniralo koncept kovinskih zlitin, ko je sintetiziral steklaste zlitine Au-25 at.% Si s hitrim strjevanjem tekočin pri skoraj milijon stopinjah na sekundo.4 Odkritje profesorja Paula Duvesa ni le zaznamovalo začetek zgodovine kovinskih očal (MS), ampak je vodilo tudi do spremembe paradigme v tem, kako ljudje razmišljajo o kovinskih zlitinah.Od prvih pionirskih raziskav na področju sinteze zlitin MS so bila skoraj vsa kovinska stekla v celoti pridobljena z uporabo ene od naslednjih metod: (i) hitro strjevanje taline ali pare, (ii) motnja atomske mreže, (iii) reakcije amorfizacije v trdnem stanju med čistimi kovinskimi elementi in (iv) trdni fazni prehodi metastabilnih faz.
MG se odlikujejo po odsotnosti atomskega reda dolgega dosega, povezanega s kristali, kar je značilnost kristalov.V sodobnem svetu je bil dosežen velik napredek na področju kovinskega stekla.Gre za nove materiale z zanimivimi lastnostmi, ki so zanimivi ne le za fiziko trdne snovi, ampak tudi za metalurgijo, površinsko kemijo, tehnologijo, biologijo in številna druga področja.Ta nova vrsta materiala ima lastnosti, ki se razlikujejo od lastnosti trdih kovin, zaradi česar je zanimiv kandidat za tehnološke aplikacije na različnih področjih.Imajo nekatere pomembne lastnosti: (i) visoko mehansko duktilnost in mejo tečenja, (ii) visoko magnetno prepustnost, (iii) nizko koercitivnost, (iv) neobičajno odpornost proti koroziji, (v) temperaturno neodvisnost.Prevodnost 6.7.
Mehansko legiranje (MA)1,8 je razmeroma nova metoda, ki so jo leta 19839 prvič predstavili prof. KK Kok in njegovi sodelavci.Izdelali so amorfne prahove Ni60Nb40 z mletjem mešanice čistih elementov pri sobni temperaturi zelo blizu sobni temperaturi.Običajno se reakcija MA izvaja med difuzijsko vezavo reaktantov v prahu v reaktorju, ki je običajno izdelan iz nerjavečega jekla, v kroglični mlin.10 (sl. 1a, b).Od takrat se ta mehansko inducirana reakcija v trdnem stanju uporablja za pripravo novih praškov amorfne/kovinske steklene zlitine z uporabo nizkoenergijskih (sl. 1c) in visokoenergijskih krogličnih mlinov ter paličnih mlinov 11,12,13,14,15,16.Zlasti je bila ta metoda uporabljena za pripravo nemešljivih sistemov, kot je Cu-Ta17, kot tudi zlitin z visokim tališčem, kot so Al-prehodna kovina (TM, Zr, Hf, Nb in Ta)18,19 in sistemi Fe-W20., ki jih ni mogoče dobiti z običajnimi metodami kuhanja.Poleg tega MA velja za eno najmočnejših nanotehnoloških orodij za industrijsko proizvodnjo nanokristalnih in nanokompozitnih praškastih delcev kovinskih oksidov, karbidov, nitridov, hidridov, ogljikovih nanocevk, nanodiamantov, kot tudi široko stabilizacijo z uporabo pristopa od zgoraj navzdol.1 in metastabilne stopnje.
Shema, ki prikazuje metodo izdelave, uporabljeno za pripravo prevleke iz kovinskega stekla Cu50(Zr50-xNix)/SUS 304 v tej študiji.(a) Priprava praškov zlitin MC z različnimi koncentracijami Ni x (x; 10, 20, 30 in 40 at.%) z uporabo metode nizkoenergijskega krogličnega mletja.(a) Začetni material se naloži v valj za orodje skupaj s kroglicami iz orodnega jekla in (b) zapre v predal za rokavice, napolnjen z atmosfero He.(c) Transparentni model posode za mletje, ki ponazarja gibanje krogle med mletjem.Končni praškasti produkt, dobljen po 50 urah, smo uporabili za nanos s hladnim pršenjem substrata SUS 304 (d).
Ko gre za površine razsutega materiala (substrate), površinsko inženirstvo vključuje načrtovanje in modifikacijo površin (substratov), ​​da se zagotovijo določene fizikalne, kemične in tehnične lastnosti, ki niso prisotne v izvirnem razsutem materialu.Nekatere lastnosti, ki jih je mogoče učinkovito izboljšati s površinsko obdelavo, so odpornost proti obrabi, oksidaciji in koroziji, koeficient trenja, bioinertnost, električne lastnosti in toplotna izolacija, če naštejemo samo nekatere.Kakovost površine lahko izboljšamo z metalurškimi, mehanskimi ali kemičnimi metodami.Kot dobro znan postopek je prevleka preprosto opredeljena kot ena ali več plasti materiala, umetno nanesenih na površino razsutega predmeta (podlage), izdelanega iz drugega materiala.Tako se premazi delno uporabljajo za doseganje želenih tehničnih ali dekorativnih lastnosti, pa tudi za zaščito materialov pred pričakovanimi kemičnimi in fizikalnimi interakcijami z okoljem23.
Za nanos ustreznih zaščitnih slojev od nekaj mikrometrov (pod 10-20 mikrometrov) do več kot 30 mikrometrov ali celo več milimetrov debeline je mogoče uporabiti različne metode in tehnike.Na splošno je mogoče postopke nanašanja premazov razdeliti v dve kategoriji: (i) metode nanosa z mokrim premazom, vključno z galvanizacijo, galvanizacijo in vročim cinkanjem, in (ii) metode nanosa s suhim premazom, vključno s spajkanjem, trdim navarjanjem, fizičnim nanašanjem s paro (PVD).), kemično naparjevanje (CVD), tehnike termičnega razprševanja in v zadnjem času tehnike hladnega razprševanja 24 (slika 1d).
Biofilmi so opredeljeni kot mikrobne skupnosti, ki so nepovratno pritrjene na površine in obdane s samoproizvedenimi zunajceličnimi polimeri (EPS).Tvorba površinsko zrelega biofilma lahko povzroči znatne izgube v številnih panogah, vključno s predelavo hrane, vodnimi sistemi in zdravstvenim varstvom.Pri ljudeh je s tvorbo biofilmov več kot 80 % primerov mikrobnih okužb (vključno z enterobakterijami in stafilokoki) težko zdraviti.Poleg tega so poročali, da so zreli biofilmi 1000-krat bolj odporni na zdravljenje z antibiotiki v primerjavi s planktonskimi bakterijskimi celicami, kar velja za velik terapevtski izziv.V preteklosti so se uporabljali protimikrobni površinski premazni materiali, pridobljeni iz običajnih organskih spojin.Čeprav takšni materiali pogosto vsebujejo strupene sestavine, potencialno škodljive za ljudi,25,26 lahko to pomaga preprečiti prenos bakterij in razgradnjo materiala.
Razširjena odpornost bakterij na zdravljenje z antibiotiki zaradi tvorbe biofilma je povzročila potrebo po razvoju učinkovite površine, prevlečene z antimikrobno membrano, ki jo je mogoče varno nanesti27.Razvoj fizikalne ali kemične antiadhezivne površine, na katero se bakterijske celice ne morejo vezati in tvoriti biofilmov zaradi adhezije, je prvi pristop v tem procesu27.Druga tehnologija je razviti premaze, ki dovajajo protimikrobne kemikalije točno tam, kjer so potrebne, v visoko koncentriranih in prilagojenih količinah.To je doseženo z razvojem edinstvenih premaznih materialov, kot so grafen/germanij28, črni diamant29 in diamantu podobne ogljikove prevleke, dopirane z ZnO30, ki so odporne proti bakterijam, tehnologija, ki poveča razvoj toksičnosti in odpornosti zaradi tvorbe biofilma.Poleg tega postajajo vse bolj priljubljeni premazi, ki vsebujejo razkužilne kemikalije, ki zagotavljajo dolgoročno zaščito pred bakterijsko kontaminacijo.Čeprav lahko vsi trije postopki izvajajo protimikrobno delovanje na prevlečenih površinah, ima vsak svoj nabor omejitev, ki jih je treba upoštevati pri razvoju strategije uporabe.
Izdelke, ki so trenutno na trgu, ovira pomanjkanje časa za analizo in testiranje zaščitnih premazov za biološko aktivne sestavine.Podjetja trdijo, da bodo njihovi izdelki uporabnikom zagotovili želene funkcionalne vidike, vendar je to postala ovira za uspeh izdelkov, ki so trenutno na trgu.Spojine, pridobljene iz srebra, se uporabljajo v veliki večini protimikrobnih zdravil, ki so trenutno na voljo potrošnikom.Ti izdelki so zasnovani za zaščito uporabnikov pred potencialno škodljivo izpostavljenostjo mikroorganizmom.Zakasnjen protimikrobni učinek in s tem povezana toksičnost srebrovih spojin povečujeta pritisk na raziskovalce, da razvijejo manj škodljivo alternativo36,37.Ustvarjanje globalnega protimikrobnega premaza, ki deluje znotraj in zunaj, ostaja izziv.To je povezano s povezanimi zdravstvenimi in varnostnimi tveganji.Odkritje protimikrobnega sredstva, ki je manj škodljivo za ljudi, in ugotovitev, kako ga vključiti v premazne podlage z daljšim rokom uporabnosti, je zelo iskan cilj38.Najnovejši protimikrobni in antibiofilmski materiali so zasnovani tako, da uničijo bakterije na blizu, bodisi z neposrednim stikom ali po sproščanju aktivne snovi.To lahko storijo tako, da zavirajo začetno bakterijsko adhezijo (vključno s preprečevanjem tvorbe beljakovinske plasti na površini) ali z ubijanjem bakterij s posegom v celično steno.
V bistvu je površinski premaz postopek nanašanja drugega sloja na površino komponente za izboljšanje površinskih lastnosti.Namen površinskega premaza je spremeniti mikrostrukturo in/ali sestavo pripovršinskega področja komponente39.Metode površinskega premazovanja lahko razdelimo na različne metode, ki so povzete na sliki 2a.Premaze lahko razdelimo na toplotne, kemične, fizikalne in elektrokemične kategorije glede na metodo, uporabljeno za ustvarjanje premaza.
(a) Vložek, ki prikazuje glavne tehnike izdelave površine in (b) izbrane prednosti in slabosti metode hladnega pršenja.
Tehnologija hladnega pršenja ima veliko skupnega s tradicionalnimi tehnikami termičnega pršenja.Vendar pa obstaja tudi nekaj ključnih temeljnih lastnosti, zaradi katerih so postopek hladnega pršenja in materiali za hladno pršenje posebej edinstveni.Tehnologija hladnega pršenja je še v povojih, vendar ima veliko prihodnost.V nekaterih primerih ponujajo edinstvene lastnosti hladnega pršenja velike prednosti, saj presegajo omejitve običajnih tehnik termičnega pršenja.Premaga znatne omejitve tradicionalne tehnologije termičnega razprševanja, pri kateri je treba prah stopiti, da se nanese na podlago.Očitno je, da ta tradicionalni postopek premazovanja ni primeren za zelo temperaturno občutljive materiale, kot so nanokristali, nanodelci, amorfna in kovinska stekla40, 41, 42. Poleg tega imajo materiali za nanašanje s toplotnim razprševanjem vedno visoko stopnjo poroznosti in oksidov.Tehnologija hladnega razprševanja ima veliko pomembnih prednosti pred tehnologijo termičnega razprševanja, kot so (i) minimalen vnos toplote v podlago, (ii) fleksibilnost pri izbiri prevleke podlage, (iii) brez fazne transformacije in rasti zrn, (iv) visoka adhezivna moč1,39 (slika 2b).Poleg tega imajo materiali za premaze s hladnim pršenjem visoko odpornost proti koroziji, visoko trdnost in trdoto, visoko električno prevodnost in visoko gostoto41.Kljub prednostim postopka hladnega pršenja ima ta metoda še vedno nekaj pomanjkljivosti, kot je prikazano na sliki 2b.Pri premazovanju čistih keramičnih praškov, kot so Al2O3, TiO2, ZrO2, WC itd., metode hladnega pršenja ni mogoče uporabiti.Po drugi strani pa se keramični/kovinski kompozitni praški lahko uporabljajo kot surovine za premaze.Enako velja za druge metode termičnega pršenja.Težke površine in notranjost cevi je še vedno težko škropiti.
Glede na to, da je pričujoče delo usmerjeno v uporabo kovinskih steklastih praškov kot izhodnih materialov za premaze, je jasno, da konvencionalnega termičnega razprševanja v ta namen ni mogoče uporabiti.To je posledica dejstva, da kovinski steklasti prah kristalizira pri visokih temperaturah1.
Večina instrumentov, ki se uporabljajo v medicinski in živilski industriji, je izdelanih iz avstenitnih nerjavnih zlitin (SUS316 in SUS304) z vsebnostjo kroma od 12 do 20 mas.% za proizvodnjo kirurških instrumentov.Splošno sprejeto je, da lahko uporaba kovinskega kroma kot legirnega elementa v jeklenih zlitinah bistveno izboljša korozijsko odpornost standardnih jeklenih zlitin.Zlitine iz nerjavnega jekla kljub visoki odpornosti proti koroziji nimajo pomembnih protimikrobnih lastnosti38,39.To je v nasprotju z njihovo visoko odpornostjo proti koroziji.Po tem je mogoče napovedati razvoj okužbe in vnetja, ki sta predvsem posledica bakterijske adhezije in kolonizacije na površini biomaterialov iz nerjavnega jekla.Precejšnje težave lahko nastanejo zaradi precejšnjih težav, povezanih s potemi adhezije bakterij in nastajanja biofilma, kar lahko privede do slabega zdravja, kar ima lahko številne posledice, ki lahko neposredno ali posredno vplivajo na zdravje ljudi.
Ta študija je prva faza projekta, ki ga financira Kuvajtska fundacija za napredek znanosti (KFAS), pogodba št.2010-550401, da bi raziskali izvedljivost proizvodnje kovinskih steklastih trojnih praškov Cu-Zr-Ni z uporabo tehnologije MA (tabela).1) Za proizvodnjo antibakterijske površinske zaščitne folije/prevleke SUS304.Druga faza projekta, ki naj bi se začela januarja 2023, bo podrobno preučila karakteristike galvanske korozije in mehanske lastnosti sistema.Opravljene bodo podrobne mikrobiološke preiskave na različne vrste bakterij.
Ta članek obravnava učinek vsebnosti Zr zlitine na sposobnost oblikovanja stekla (GFA) na podlagi morfoloških in strukturnih značilnosti.Poleg tega so razpravljali tudi o antibakterijskih lastnostih kompozita kovinsko steklo/SUS304 s prašnim premazom.Poleg tega poteka tekoče delo za raziskovanje možnosti strukturne transformacije prahu iz kovinskega stekla, ki se pojavi med hladnim brizganjem v preohlajenem tekočem območju izdelanih sistemov iz kovinskega stekla.Zlitine kovinskega stekla Cu50Zr30Ni20 in Cu50Zr20Ni30 so bile uporabljene kot reprezentativni primeri v tej študiji.
V tem razdelku so predstavljene morfološke spremembe v prahu elementarnega Cu, Zr in Ni med nizkoenergijskim krogličnim mletjem.Kot ilustrativna primera bosta uporabljena dva različna sistema, sestavljena iz Cu50Zr20Ni30 in Cu50Zr40Ni10.Postopek MA lahko razdelimo na tri ločene stopnje, kar dokazuje metalografska karakterizacija prahu, pridobljenega v fazi mletja (slika 3).
Metalografske značilnosti praškov mehanskih zlitin (MA), dobljenih po različnih stopnjah krogličnega mletja.Slike praškov MA in Cu50Zr40Ni10, pridobljene po 3, 12 in 50-urnem nizkoenergijskem krogličnem mletju s poljem emisijske vrstične elektronske mikroskopije (FE-SEM), so prikazane v (a), (c) in (e) za sistem Cu50Zr20Ni30, medtem ko na istem MA.Ustrezne slike sistema Cu50Zr40Ni10, posnete po času, so prikazane v (b), (d) in (f).
Med krogličnim mletjem na učinkovito kinetično energijo, ki se lahko prenese na kovinski prah, vpliva kombinacija parametrov, kot je prikazano na sliki 1a.To vključuje trke med kroglami in prahom, strižno stiskanje prahu, ki se je zagozdil med ali med brusilnimi mediji, udarce zaradi padajočih kroglic, strig in obrabo, ki jo povzroči upor prahu med premikajočimi se telesi krogličnega mlina, in udarni val, ki prehaja skozi padajoče kroglice, ki se širijo skozi naloženo kulturo (slika 1a). Elementarni praški Cu, Zr in Ni so bili močno deformirani zaradi hladnega kuhanja v zgodnji fazi MA (3 ure), kar je privedlo do tvorbe velikih delcev prahu (> 1 mm v premeru). Elementarni prahovi Cu, Zr in Ni so bili zaradi hladnega varjenja v zgodnji fazi MA (3 h) močno deformirani, kar je povzročilo nastanek velikih delcev prahu (> 1 mm v premeru).Za te velike kompozitne delce je značilna tvorba debelih plasti legirnih elementov (Cu, Zr, Ni), kot je prikazano na sl.3a,b.Povečanje časa MA na 12 h (vmesna stopnja) je povzročilo povečanje kinetične energije krogličnega mlina, kar je privedlo do razgradnje kompozitnega prahu v manjše prahove (manj kot 200 μm), kot je prikazano na sliki 3c, mesto.Na tej stopnji uporabljena strižna sila povzroči nastanek nove kovinske površine s tankimi namignimi plastmi Cu, Zr, Ni, kot je prikazano na slikah 3c, d.Zaradi mletja plasti na meji kosmičev pride do trdnofaznih reakcij s tvorbo novih faz.
Na vrhuncu postopka MA (po 50 urah) je bila kosmičasta metalografija komaj opazna (sl. 3e, f), na polirani površini prahu pa je bila opažena zrcalna metalografija.To pomeni, da je bil postopek MA zaključen in je bila ustvarjena ena sama reakcijska faza.Elementna sestava območij, prikazanih na sl.3e (I, II, III), f, v, vi) so bile določene z uporabo vrstične elektronske mikroskopije z emisijami polja (FE-SEM) v kombinaciji z energijsko disperzijsko rentgensko spektroskopijo (EDS).(IV).
V tabeli.2 elementarni koncentraciji legirnih elementov sta prikazani kot odstotek celotne mase vsakega območja, izbranega na sl.3e, f.Primerjava teh rezultatov z začetnimi nominalnimi sestavami Cu50Zr20Ni30 in Cu50Zr40Ni10 iz tabele 1 kaže, da sta sestavi teh dveh končnih produktov zelo blizu nominalnima sestavama.Poleg tega relativne vrednosti komponent za regije, navedene na sliki 3e,f, ne kažejo na znatno poslabšanje ali variacijo v sestavi vsakega vzorca iz ene regije v drugo.To dokazuje dejstvo, da se sestava iz ene regije v drugo ne spreminja.To kaže na proizvodnjo enakomernih zlitin v prahu, kot je prikazano v tabeli 2.
Mikrografi FE-SEM prahu končnega produkta Cu50(Zr50-xNix) so bili pridobljeni po 50 MA-kratih, kot je prikazano na slikah 4a-d, kjer je x 10, 20, 30 oziroma 40 at.%.Po tem koraku mletja se prah združuje zaradi van der Waalsovega učinka, kar vodi do tvorbe velikih agregatov, sestavljenih iz ultrafinih delcev s premerom od 73 do 126 nm, kot je prikazano na sliki 4.
Morfološke značilnosti praškov Cu50(Zr50-xNix), pridobljenih po 50-urnem MA.Za sisteme Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40 so slike FE-SEM praškov, pridobljene po 50 MA, prikazane v (a), (b), (c) oziroma (d).
Preden smo praške naložili v podajalnik s hladnim razpršilom, smo jih najprej 15 minut obdelovali z ultrazvokom v etanolu analitske kakovosti in nato 2 uri sušili pri 150 °C.Ta korak je treba storiti za uspešen boj proti aglomeraciji, ki pogosto povzroča številne resne težave v procesu premazovanja.Po zaključku postopka MA so bile izvedene nadaljnje študije za raziskovanje homogenosti praškov zlitin.Na sl.5a–d prikazujejo mikrofotografije FE-SEM in ustrezne slike EDS legirnih elementov Cu, Zr in Ni zlitine Cu50Zr30Ni20, posnete po 50-urnem času M.Opozoriti je treba, da so prahovi zlitin, pridobljeni po tem koraku, homogeni, saj ne kažejo nobenih nihanj sestave nad subnanometrsko raven, kot je prikazano na sliki 5.
Morfologija in lokalna porazdelitev elementov v prahu MG Cu50Zr30Ni20, pridobljenih po 50 MA s FE-SEM/energijsko disperzijsko rentgensko spektroskopijo (EDS).(a) SEM in rentgensko EDS slikanje (b) Cu-Kα, (c) Zr-Lα in (d) Ni-Kα.
Rentgenski difrakcijski vzorci mehansko legiranih praškov Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30 in Cu50Zr20Ni30, pridobljeni po 50-urnem MA, so prikazani na sl.6a–d.Po tej stopnji mletja so imeli vsi vzorci z različnimi koncentracijami Zr amorfne strukture z značilnimi halo difuzijskimi vzorci, prikazanimi na sliki 6.
Rentgenski difrakcijski vzorci praškov Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c) in Cu50Zr20Ni30 (d) po MA 50 ur.Pri vseh vzorcih brez izjeme je bil opažen halo-difuzijski vzorec, ki kaže na nastanek amorfne faze.
Transmisijska elektronska mikroskopija visoke ločljivosti (FE-HRTEM) je bila uporabljena za opazovanje strukturnih sprememb in razumevanje lokalne strukture praškov, ki izhajajo iz krogličnega mletja v različnih časih MA.Slike praškov, pridobljenih z metodo FE-HRTEM po zgodnji (6 h) in vmesni (18 h) stopnji mletja praškov Cu50Zr30Ni20 in Cu50Zr40Ni10, so prikazane na sl.7a oz.Glede na sliko svetlega polja (BFI) prahu, dobljenega po 6 urah MA, je prah sestavljen iz velikih zrn z jasno definiranimi mejami elementov fcc-Cu, hcp-Zr in fcc-Ni in ni znakov tvorbe reakcijske faze, kot je prikazano na sliki 7a.Poleg tega je korelirani izbrani površinski difrakcijski vzorec (SADP), vzet iz srednje regije (a), razkril oster difrakcijski vzorec (slika 7b), ki kaže na prisotnost velikih kristalitov in odsotnost reaktivne faze.
Lokalne strukturne značilnosti praška MA, pridobljenega po zgodnji (6 h) in vmesni (18 h) stopnji.(a) Transmisijska elektronska mikroskopija visoke ločljivosti (FE-HRTEM) in (b) ustrezen difraktogram izbrane površine (SADP) prahu Cu50Zr30Ni20 po obdelavi z MA 6 ur.Slika FE-HRTEM Cu50Zr40Ni10, pridobljena po 18-urnem MA, je prikazana v (c).
Kot je prikazano na sl.Kot je prikazano na sliki 7c, je povečanje trajanja MA na 18 ur povzročilo resne napake v mreži v kombinaciji s plastično deformacijo.Na tej vmesni stopnji postopka MA se v prahu pojavijo različne napake, vključno z napakami pri zlaganju, mrežnimi napakami in točkastimi napakami (slika 7).Te napake povzročijo drobljenje velikih zrn vzdolž meja zrn v podzrna, manjša od 20 nm (slika 7c).
Za lokalno strukturo prahu Cu50Z30Ni20, brušenega 36 h MA, je značilna tvorba ultrafinih nanozrn, vdelanih v amorfno tanko matriko, kot je prikazano na sliki 8a.Lokalna analiza EMF je pokazala, da so nanoklastri, prikazani na sl.8a so povezani z neobdelanimi praškastimi zlitinami Cu, Zr in Ni.Vsebnost Cu v matriksu je nihala od ~32 at.% (revna cona) do ~74 at.% (bogata cona), kar kaže na nastanek heterogenih produktov.Poleg tega ustrezni SADP praškov, pridobljenih po mletju v tem koraku, kažejo primarne in sekundarne halo-difuzijske obroče amorfne faze, ki se prekrivajo z ostrimi konicami, povezanimi s temi neobdelanimi legirnimi elementi, kot je prikazano na sliki 8b.
Lokalne strukturne značilnosti prahu Beyond 36 h-Cu50Zr30Ni20 v nanometrskem merilu.(a) Slika svetlega polja (BFI) in ustrezen (b) SADP prahu Cu50Zr30Ni20, pridobljen po mletju 36 ur MA.
Proti koncu postopka MA (50 h) imajo praški Cu50(Zr50-xNix), X, 10, 20, 30 in 40 at.% brez izjeme labirintno morfologijo amorfne faze, kot je prikazano na sliki .V ustreznih SADS vsake sestave ni bilo mogoče zaznati niti točkaste difrakcije niti ostrih obročastih vzorcev.To kaže na odsotnost neobdelane kristalne kovine, temveč na tvorbo prahu amorfne zlitine.Ti korelirani SADP, ki prikazujejo halo difuzijske vzorce, so bili uporabljeni tudi kot dokaz za razvoj amorfnih faz v materialu končnega izdelka.
Lokalna struktura končnega produkta sistema Cu50 MS (Zr50-xNix).FE-HRTEM in korelirani uklonski vzorci nanožarkov (NBDP) (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 in (d) Cu50Zr10Ni40, pridobljeni po 50 urah MA.
Z diferencialno vrstično kalorimetrijo smo proučevali toplotno stabilnost temperature posteklenitve (Tg), preohlajenega tekočega območja (ΔTx) in kristalizacijske temperature (Tx) v odvisnosti od vsebnosti Ni (x) v amorfnem sistemu Cu50(Zr50-xNix).(DSC) lastnosti v toku plina He.Krivulje DSC praškov amorfnih zlitin Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20 in Cu50Zr10Ni40, dobljenih po 50-urnem MA, so prikazane na sl.10a, b, e.Medtem ko je DSC krivulja amorfnega Cu50Zr20Ni30 prikazana ločeno na sliki 10. stoletje. Medtem je vzorec Cu50Zr30Ni20, segret na ~700 °C v DSC, prikazan na sliki 10g.
Toplotna stabilnost Cu50(Zr50-xNix) MG praškov, pridobljenih po 50-urnem MA, je določena s temperaturo posteklenitve (Tg), temperaturo kristalizacije (Tx) in preohlajenim tekočim območjem (ΔTx).Termogrami praškov diferenčnega skenirajočega kalorimetra (DSC) prahu zlitine Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c) in (e) zlitine Cu50Zr10Ni40 MG po MA 50 ur.Rentgenski difrakcijski vzorec (XRD) vzorca Cu50Zr30Ni20, segretega na ~700 °C v DSC, je prikazan v (d).
Kot je prikazano na sliki 10, krivulje DSC za vse sestave z različnimi koncentracijami niklja (x) kažejo na dva različna primera, enega endotermnega in drugega eksotermnega.Prvi endotermni dogodek ustreza Tg, drugi pa je povezan s Tx.Horizontalno območje razpona, ki obstaja med Tg in Tx, se imenuje območje podhlajene tekočine (ΔTx = Tx – Tg).Rezultati kažejo, da Tg in Tx vzorca Cu50Zr40Ni10 (sl. 10a), postavljenega pri 526 °C in 612 °C, premakneta vsebnost (x) do 20 at % proti nizkotemperaturni strani 482 °C in 563 °C.°C z naraščajočo vsebnostjo Ni (x), kot je prikazano na sliki 10b.Posledično se ΔTx Cu50Zr40Ni10 zmanjša iz 86°С (slika 10a) na 81°С za Cu50Zr30Ni20 (slika 10b).Za zlitino MC Cu50Zr40Ni10 so opazili tudi znižanje vrednosti Tg, Tx in ΔTx na nivoje 447°С, 526°С in 79°С (slika 10b).To kaže, da povečanje vsebnosti Ni povzroči zmanjšanje toplotne stabilnosti zlitine MS.Nasprotno, vrednost Tg (507 °C) zlitine MC Cu50Zr20Ni30 je nižja od vrednosti zlitine MC Cu50Zr40Ni10;kljub temu ima njegov Tx primerljivo vrednost (612 °C).Zato ima ΔTx višjo vrednost (87 °C), kot je prikazano na sl.10. stoletje
Sistem Cu50(Zr50-xNix) MC, ki uporablja zlitino Cu50Zr20Ni30 MC kot primer, kristalizira skozi oster eksotermni vrh v fcc-ZrCu5, ortorombsko-Zr7Cu10 in ortorombsko-ZrNi kristalne faze (slika 10c).Ta fazni prehod iz amorfnega v kristalinično je bil potrjen z rentgensko difrakcijsko analizo vzorca MG (slika 10d), ki je bil segret na 700 °C v DSC.
Na sl.11 prikazuje fotografije, posnete med postopkom hladnega pršenja, ki se izvaja v trenutnem delu.V tej študiji so bili delci kovinskega steklastega prahu, sintetizirani po 50-urnem MA (z uporabo Cu50Zr20Ni30 kot primera), uporabljeni kot antibakterijska surovina, plošča iz nerjavečega jekla (SUS304) pa je bila prevlečena s hladnim pršenjem.Metoda hladnega razprševanja je bila izbrana za nanašanje v seriji tehnologije termičnega razprševanja, ker je najučinkovitejša metoda v seriji tehnologije termičnega razprševanja, kjer jo je mogoče uporabiti za kovinske metastabilne toplotno občutljive materiale, kot so amorfni in nanokristalni prahovi.Ni predmet faze.prehodi.To je glavni dejavnik pri izbiri te metode.Postopek hladnega nanašanja se izvaja z uporabo visokohitrostnih delcev, ki kinetično energijo delcev pretvorijo v plastično deformacijo, deformacijo in toploto ob udarcu s podlago ali predhodno nanesenimi delci.
Fotografije s terena prikazujejo postopek hladnega pršenja, ki je bil uporabljen za pet zaporednih priprav MG/SUS 304 pri 550 °C.
Kinetično energijo delcev in gibalno količino vsakega delca med nastajanjem prevleke je treba pretvoriti v druge oblike energije s pomočjo mehanizmov, kot so plastična deformacija (primarni delci in meddelčne interakcije v matriki in interakcije delcev), intersticijski vozli trdnih snovi, vrtenje med delci, deformacija in omejevalno segrevanje 39. Poleg tega, če se ne pretvori vsa vhodna kinetična energija, razdeljen na toplotno energijo in energijo deformacije, bo rezultat elastičen trk, kar pomeni, da se delci po udarcu preprosto odbijejo.Ugotovljeno je bilo, da se 90 % udarne energije, uporabljene v materialu delca/podlage, pretvori v lokalno toploto 40 .Poleg tega se ob uporabi udarne obremenitve dosežejo visoke stopnje plastične deformacije v območju stika delca/podlage v zelo kratkem času 41, 42.
Plastično deformacijo običajno obravnavamo kot proces disipacije energije oziroma kot vir toplote v mejni površini.Vendar povišanje temperature v medfaznem območju običajno ne zadošča za pojav medfaznega taljenja ali pomembnejše stimulacije medsebojne difuzije atomov.Nobena avtorjem znana publikacija ni raziskala učinka lastnosti teh kovinskih steklastih praškov na oprijem prahu in usedanje, ki se pojavi pri uporabi tehnik hladnega pršenja.
BFI prahu zlitine MG Cu50Zr20Ni30 lahko vidite na sliki 12a, ki je bila nanesena na substrat SUS 304 (sliki 11, 12b).Kot je razvidno iz slike, prevlečeni praški ohranijo svojo prvotno amorfno strukturo, saj imajo občutljivo labirintno strukturo brez kakršnih koli kristalnih značilnosti ali napak na mreži.Po drugi strani pa slika kaže na prisotnost tuje faze, kar dokazujejo nanodelci, vključeni v praškasto matrico, prevlečeno z MG (slika 12a).Slika 12c prikazuje indeksirani uklonski vzorec nanožarka (NBDP), povezan z regijo I (slika 12a).Kot je prikazano na sl.Na sliki 12c kaže NBDP šibek halo-difuzijski vzorec amorfne strukture in obstaja skupaj z ostrimi pikami, ki ustrezajo kristalni veliki kubični metastabilni fazi Zr2Ni plus tetragonalni fazi CuO.Nastanek CuO lahko razložimo z oksidacijo prahu pri prehodu iz šobe brizgalne pištole v SUS 304 na prostem v nadzvočnem toku.Po drugi strani pa je devitrifikacija kovinskih steklastih praškov povzročila nastanek velikih kubičnih faz po obdelavi s hladnim pršenjem pri 550 °C 30 minut.
(a) FE-HRTEM slika praška MG, nanesenega na (b) substrat SUS 304 (vstavljena slika).Indeks NBDP okroglega simbola, prikazanega v (a), je prikazan v (c).
Za testiranje tega potencialnega mehanizma za nastanek velikih kubičnih nanodelcev Zr2Ni je bil izveden neodvisen poskus.V tem poskusu so bili praški razpršeni iz atomizerja pri 550 °C v smeri substrata SUS 304;vendar pa smo za določitev učinka žarjenja praške odstranili s traku SUS304 čim hitreje (približno 60 s).).Izvedena je bila druga serija poskusov, v katerih je bil prašek odstranjen s podlage približno 180 sekund po nanosu.
Sliki 13a,b prikazujeta slike temnega polja (DFI) skenirajoče transmisijske elektronske mikroskopije (STEM) dveh razpršenih materialov, odloženih na substrate SUS 304 za 60 s oziroma 180 s.Na sliki prahu, ki je bila odložena 60 sekund, manjkajo morfološke podrobnosti, kar kaže na brezpredmetnost (slika 13a).To je potrdil tudi XRD, ki je pokazal, da je celotna struktura teh praškov amorfna, kot kažejo široki primarni in sekundarni uklonski vrhovi, prikazani na sliki 14a.To kaže na odsotnost metastabilnih/mezofaznih oborin, v katerih prašek ohrani svojo prvotno amorfno strukturo.V nasprotju s tem je prašek, nanesen pri isti temperaturi (550 °C), vendar ostal na substratu 180 s, pokazal nalaganje nanozmernih zrn, kot je prikazano s puščicami na sliki 13b.