Faleminderit që vizituat Nature.com.Versioni i shfletuesit që po përdorni ka mbështetje të kufizuar për CSS.Për përvojën më të mirë, ju rekomandojmë të përdorni një shfletues të përditësuar (ose çaktivizoni modalitetin e përputhshmërisë në Internet Explorer).Ndërkohë, për të siguruar mbështetje të vazhdueshme, ne do ta bëjmë faqen pa stile dhe JavaScript.
Biofilmat janë një komponent i rëndësishëm në zhvillimin e infeksioneve kronike, veçanërisht kur bëhet fjalë për pajisjet mjekësore.Ky problem paraqet një sfidë të madhe për komunitetin mjekësor, pasi antibiotikët standardë mund të shkatërrojnë biofilmat vetëm në një masë shumë të kufizuar.Parandalimi i formimit të biofilmit ka çuar në zhvillimin e metodave të ndryshme të veshjes dhe materialeve të reja.Këto teknika synojnë të veshin sipërfaqet në një mënyrë që parandalon formimin e biofilmit.Lidhjet e metaleve qelqore, veçanërisht ato që përmbajnë metale bakri dhe titan, janë bërë veshje ideale antimikrobike.Në të njëjtën kohë, përdorimi i teknologjisë së spërkatjes së ftohtë është rritur pasi është një metodë e përshtatshme për përpunimin e materialeve të ndjeshme ndaj temperaturës.Pjesë e qëllimit të këtij hulumtimi ishte zhvillimi i një filmi të ri antibakterial qelqi metalik të përbërë nga Cu-Zr-Ni treshe duke përdorur teknikat e lidhjeve mekanike.Pluhuri sferik që përbën produktin përfundimtar përdoret si lëndë e parë për spërkatje të ftohtë të sipërfaqeve inox në temperatura të ulëta.Nënshtresat e veshura me xham metalik ishin në gjendje të reduktonin ndjeshëm formimin e biofilmit me të paktën 1 log në krahasim me çelik inox.
Gjatë gjithë historisë njerëzore, çdo shoqëri ka qenë në gjendje të zhvillojë dhe promovojë futjen e materialeve të reja për të përmbushur kërkesat e saj specifike, duke rezultuar në rritjen e produktivitetit dhe renditjen në një ekonomi të globalizuar1.I është atribuar gjithmonë aftësisë njerëzore për të projektuar materiale dhe pajisje prodhuese, si dhe dizajne për të prodhuar dhe karakterizuar materiale për të arritur shëndetësi, arsim, industri, ekonomi, kulturë dhe fusha të tjera nga një vend ose rajon në tjetrin.Progresi matet pavarësisht nga vendi apo rajoni2.Për 60 vjet, shkencëtarët e materialeve i kanë kushtuar shumë kohë një detyre kryesore: kërkimit të materialeve të reja dhe të avancuara.Hulumtimet e fundit janë fokusuar në përmirësimin e cilësisë dhe performancës së materialeve ekzistuese, si dhe në sintetizimin dhe shpikjen e llojeve krejtësisht të reja të materialeve.
Shtimi i elementeve aliazh, modifikimi i mikrostrukturës së materialit dhe aplikimi i metodave të trajtimit termik, mekanik ose termomekanik kanë çuar në një përmirësim të ndjeshëm të vetive mekanike, kimike dhe fizike të materialeve të ndryshme.Përveç kësaj, komponimet e panjohura deri tani janë sintetizuar me sukses.Këto përpjekje të vazhdueshme kanë krijuar një familje të re materialesh inovative të njohura kolektivisht si Materiale të Avancuara2.Nanokristalet, nanogrimcat, nanotubat, pikat kuantike, gotat metalike me dimensione zero, amorfe dhe lidhjet me entropi të lartë janë vetëm disa shembuj të materialeve të avancuara që janë shfaqur në botë që nga mesi i shekullit të kaluar.Në prodhimin dhe zhvillimin e lidhjeve të reja me veti të përmirësuara, si në produktin përfundimtar ashtu edhe në fazat e ndërmjetme të prodhimit të tij, shpesh shtohet problemi i çekuilibrit.Si rezultat i prezantimit të teknikave të reja të prodhimit që lejojnë devijime të konsiderueshme nga ekuilibri, është zbuluar një klasë krejtësisht e re e lidhjeve metastabile, të njohura si gota metalike.
Puna e tij në Caltech në vitin 1960 revolucionarizoi konceptin e lidhjeve metalike kur ai sintetizoi lidhjet qelqi Au-25 at.% Si duke ngurtësuar me shpejtësi lëngjet në gati një milion gradë për sekondë.4 Zbulimi i profesor Paul Duves jo vetëm që shënoi fillimin e historisë së syzeve metalike (MS), por gjithashtu çoi në një ndryshim paradigme në mënyrën se si njerëzit mendojnë për lidhjet metalike.Që nga kërkimi i parë pionier në sintezën e lidhjeve MS, pothuajse të gjitha gotat metalike janë marrë plotësisht duke përdorur një nga metodat e mëposhtme: (i) ngurtësimi i shpejtë i shkrirjes ose avullit, (ii) çrregullimi i rrjetës atomike, (iii) reaksionet e amorfizimit në gjendje të ngurtë ndërmjet elementeve të pastër metalikë dhe (iv) tranzicionit të fazës së ngurtë në fazën e ngurtë.
MG-të dallohen nga mungesa e rendit atomik me rreze të gjatë të lidhur me kristalet, që është një karakteristikë përcaktuese e kristaleve.Në botën moderne, është bërë përparim i madh në fushën e xhamit metalik.Këto janë materiale të reja me veti interesante që janë me interes jo vetëm për fizikën e gjendjes së ngurtë, por edhe për metalurgjinë, kiminë e sipërfaqes, teknologjinë, biologjinë dhe shumë fusha të tjera.Ky lloj i ri materiali ka veti që janë të ndryshme nga metalet e forta, duke e bërë atë një kandidat interesant për aplikime teknologjike në fusha të ndryshme.Ato kanë disa veti të rëndësishme: (i) duktilitet të lartë mekanik dhe forcë rendimenti, (ii) përshkueshmëri e lartë magnetike, (iii) shtrëngim i ulët, (iv) rezistencë e pazakontë ndaj korrozionit, (v) pavarësi e temperaturës.Përçueshmëria 6.7.
Lidhja mekanike (MA)1,8 është një metodë relativisht e re, e prezantuar për herë të parë në vitin 19839 nga Prof. KK Kok dhe kolegët e tij.Ata prodhuan pluhura amorfe Ni60Nb40 duke bluar një përzierje elementësh të pastër në temperaturën e ambientit shumë afër temperaturës së dhomës.Në mënyrë tipike, reaksioni MA kryhet midis lidhjes së difuzionit të pluhurave reaktant në një reaktor, zakonisht prej çeliku inox, në një mulli topash.10 (Fig. 1a, b).Që atëherë, kjo metodë e reagimit të gjendjes së ngurtë të induktuar mekanikisht është përdorur për të përgatitur pluhurat e reja të aliazhit të qelqit amorf/metalik duke përdorur mullinj me top dhe mullinj me shufra me energji të ulët (Fig. 1c) dhe me energji të lartë11,12,13,14,15,16.Në veçanti, kjo metodë është përdorur për përgatitjen e sistemeve të papërziershme si Cu-Ta17 si dhe lidhjeve me pikë shkrirjeje të lartë si Al-tranzicioni i metaleve (TM, Zr, Hf, Nb dhe Ta) 18,19 dhe sistemet Fe-W20., e cila nuk mund të merret duke përdorur metodat konvencionale të gatimit.Për më tepër, MA konsiderohet si një nga mjetet më të fuqishme nanoteknologjike për prodhimin në shkallë industriale të grimcave nanokristalore dhe nanokompozite të pluhurit të oksideve metalike, karbiteve, nitrideve, hidrideve, nanotubave të karbonit, nanodiamanteve, si dhe stabilizim të gjerë duke përdorur një qasje nga lart-poshtë.1 dhe fazat metastabile.
Skema që tregon metodën e fabrikimit të përdorur për përgatitjen e veshjes së xhamit metalik Cu50(Zr50-xNix)/SUS 304 në këtë studim.(a) Përgatitja e pluhurave të aliazhit MC me përqendrime të ndryshme të Ni x (x; 10, 20, 30 dhe 40 at.%) duke përdorur metodën e bluarjes me top me energji të ulët.(a) Materiali fillestar ngarkohet në një cilindër veglash së bashku me topa çeliku të veglave dhe (b) mbyllet në një kuti dorezash të mbushur me atmosferë He.(c) Modeli transparent i enës bluarëse që ilustron lëvizjen e topit gjatë bluarjes.Produkti përfundimtar pluhur i marrë pas 50 orësh u përdor për të lyer me spërkatje të ftohtë nënshtresën SUS 304 (d).
Kur bëhet fjalë për sipërfaqet e materialeve me shumicë (nënshtresat), inxhinieria sipërfaqësore përfshin projektimin dhe modifikimin e sipërfaqeve (nënshtresave) për të siguruar veti të caktuara fizike, kimike dhe teknike që nuk janë të pranishme në materialin kryesor origjinal.Disa nga vetitë që mund të përmirësohen në mënyrë efektive nëpërmjet trajtimit të sipërfaqes përfshijnë gërryerjen, oksidimin dhe rezistencën ndaj korrozionit, koeficientin e fërkimit, bioinertitetin, vetitë elektrike dhe izolimin termik, vetëm për të përmendur disa.Cilësia e sipërfaqes mund të përmirësohet me metoda metalurgjike, mekanike ose kimike.Si një proces i njohur, veshja përkufizohet thjesht si një ose më shumë shtresa materiali të aplikuara artificialisht në sipërfaqen e një objekti të madh (substratit) të bërë nga një material tjetër.Kështu, veshjet përdoren pjesërisht për të arritur vetitë e dëshiruara teknike ose dekorative, si dhe për të mbrojtur materialet nga ndërveprimet e pritshme kimike dhe fizike me mjedisin23.
Një shumëllojshmëri metodash dhe teknikash mund të përdoren për të aplikuar shtresa të përshtatshme mbrojtëse nga disa mikrometra (nën 10-20 mikrometra) deri në më shumë se 30 mikrometra apo edhe disa milimetra në trashësi.Në përgjithësi, proceset e veshjes mund të ndahen në dy kategori: (i) metodat e veshjes së lagësht, duke përfshirë elektrikimin, pllakimin dhe galvanizimin me zhytje të nxehtë, dhe (ii) metodat e veshjes së thatë, duke përfshirë saldimin, veshjen e fortë, depozitimin fizik të avullit (PVD).), depozitimi i avullit kimik (CVD), teknikat e spërkatjes termike dhe së fundmi teknikat e spërkatjes së ftohtë 24 (Figura 1d).
Biofilmat përkufizohen si bashkësi mikrobike që janë të lidhura në mënyrë të pakthyeshme në sipërfaqe dhe të rrethuara nga polimere jashtëqelizore të vetë-prodhuara (EPS).Formimi i një biofilmi të pjekur sipërfaqësisht mund të çojë në humbje të konsiderueshme në shumë industri, duke përfshirë përpunimin e ushqimit, sistemet e ujit dhe kujdesin shëndetësor.Tek njerëzit, me formimin e biofilmave, më shumë se 80% e rasteve të infeksioneve mikrobike (përfshirë Enterobacteriaceae dhe Staphylococci) janë të vështira për t'u trajtuar.Përveç kësaj, biofilmat e pjekur janë raportuar të jenë 1000 herë më rezistent ndaj trajtimit me antibiotikë në krahasim me qelizat bakteriale planktonike, gjë që konsiderohet një sfidë e madhe terapeutike.Historikisht, janë përdorur materiale antimikrobike për veshjen e sipërfaqes që rrjedhin nga komponimet organike të zakonshme.Megjithëse materiale të tilla shpesh përmbajnë përbërës toksikë potencialisht të dëmshëm për njerëzit, 25,26 kjo mund të ndihmojë në shmangien e transmetimit bakterial dhe degradimit të materialit.
Rezistenca e përhapur e baktereve ndaj trajtimit me antibiotikë për shkak të formimit të biofilmit ka çuar në nevojën për të zhvilluar një sipërfaqe efektive të veshur me membranë antimikrobike që mund të aplikohet në mënyrë të sigurt27.Zhvillimi i një sipërfaqeje fizike ose kimike kundër ngjitjes me të cilën qelizat bakteriale nuk mund të lidhen dhe të formojnë biofilma për shkak të ngjitjes është qasja e parë në këtë proces27.Teknologjia e dytë është zhvillimi i veshjeve që ofrojnë kimikate antimikrobiale pikërisht aty ku nevojiten, në sasi shumë të përqendruara dhe të përshtatura.Kjo arrihet përmes zhvillimit të materialeve unike të veshjes si grafeni/gjermanium28, diamanti i zi29 dhe veshjet e karbonit të ngjeshur me diamant ZnO30 që janë rezistente ndaj baktereve, një teknologji që maksimizon zhvillimin e toksicitetit dhe rezistencës për shkak të formimit të biofilmit.Përveç kësaj, veshjet që përmbajnë kimikate germicide që ofrojnë mbrojtje afatgjatë kundër ndotjes bakteriale po bëhen gjithnjë e më të njohura.Ndërsa të tre procedurat janë të afta të ushtrojnë aktivitet antimikrobik në sipërfaqet e veshura, secila ka grupin e vet të kufizimeve që duhet të merren parasysh gjatë zhvillimit të një strategjie aplikimi.
Produktet aktualisht në treg pengohen nga mungesa e kohës për të analizuar dhe testuar veshjet mbrojtëse për përbërësit biologjikisht aktivë.Kompanitë pretendojnë se produktet e tyre do t'u ofrojnë përdoruesve aspektet e dëshiruara funksionale, megjithatë, kjo është bërë pengesë për suksesin e produkteve aktualisht në treg.Komponimet që rrjedhin nga argjendi përdoren në shumicën dërrmuese të antimikrobikëve aktualisht të disponueshëm për konsumatorët.Këto produkte janë krijuar për të mbrojtur përdoruesit nga ekspozimi potencialisht i dëmshëm ndaj mikroorganizmave.Efekti antimikrobik i vonuar dhe toksiciteti i lidhur me përbërjet e argjendit rrisin presionin mbi studiuesit për të zhvilluar një alternativë më pak të dëmshme36,37.Krijimi i një shtrese globale antimikrobike që funksionon brenda dhe jashtë mbetet një sfidë.Kjo vjen me rreziqe të lidhura për shëndetin dhe sigurinë.Zbulimi i një agjenti antimikrobik që është më pak i dëmshëm për njerëzit dhe gjetja e mënyrës se si ta inkorporoni atë në nënshtresat e veshjes me një jetëgjatësi më të gjatë është një qëllim shumë i kërkuar38.Materialet më të fundit antimikrobike dhe antibiofilmike janë krijuar për të vrarë bakteret në distancë të afërt ose me kontakt të drejtpërdrejtë ose pas lëshimit të agjentit aktiv.Ata mund ta bëjnë këtë duke penguar ngjitjen fillestare bakteriale (duke përfshirë parandalimin e formimit të një shtrese proteine ​​në sipërfaqe) ose duke vrarë bakteret duke ndërhyrë në murin qelizor.
Në thelb, veshja sipërfaqësore është procesi i aplikimit të një shtrese tjetër në sipërfaqen e një komponenti për të përmirësuar karakteristikat e sipërfaqes.Qëllimi i një shtrese sipërfaqësore është të ndryshojë mikrostrukturën dhe/ose përbërjen e zonës afër sipërfaqes së një komponenti39.Metodat e veshjes së sipërfaqes mund të ndahen në metoda të ndryshme, të cilat janë përmbledhur në Fig. 2a.Veshjet mund të ndahen në kategori termike, kimike, fizike dhe elektrokimike në varësi të metodës së përdorur për krijimin e veshjes.
(a) Një pjesë që tregon teknikat kryesore të prodhimit të sipërfaqes dhe (b) avantazhet dhe disavantazhet e zgjedhura të metodës së spërkatjes së ftohtë.
Teknologjia e spërkatjes së ftohtë ka shumë të përbashkëta me teknikat tradicionale të spërkatjes termike.Megjithatë, ka edhe disa veti kryesore themelore që e bëjnë procesin e spërkatjes së ftohtë dhe materialet e spërkatjes së ftohtë veçanërisht unike.Teknologjia e spërkatjes së ftohtë është ende në fillimet e saj, por ka një të ardhme të shkëlqyer.Në disa raste, vetitë unike të spërkatjes së ftohtë ofrojnë përfitime të mëdha, duke kapërcyer kufizimet e teknikave konvencionale të spërkatjes termike.Ajo kapërcen kufizimet e rëndësishme të teknologjisë tradicionale të spërkatjes termike, në të cilën pluhuri duhet të shkrihet për t'u depozituar në një nënshtresë.Natyrisht, ky proces i veshjes tradicionale nuk është i përshtatshëm për materiale shumë të ndjeshme ndaj temperaturës si nanokristalet, nanogrimcat, gotat amorfe dhe metalike40, 41, 42. Përveç kësaj, materialet e veshjes me spërkatje termike kanë gjithmonë një nivel të lartë poroziteti dhe oksidesh.Teknologjia e spërkatjes së ftohtë ka shumë avantazhe domethënëse ndaj teknologjisë së spërkatjes termike, si (i) futja minimale e nxehtësisë në nënshtresë, (ii) fleksibiliteti në zgjedhjen e veshjes së nënshtresës, (iii) pa transformim fazor dhe rritje kokrriza, (iv) forcë e lartë ngjitëse1 .39 (Fig. 2b).Përveç kësaj, materialet e veshjes me spërkatje të ftohtë kanë rezistencë të lartë korrozioni, forcë dhe fortësi të lartë, përçueshmëri të lartë elektrike dhe densitet të lartë41.Pavarësisht nga avantazhet e procesit të spërkatjes së ftohtë, kjo metodë ka ende disa të meta, siç tregohet në figurën 2b.Kur lyhen pluhurat e pastër qeramike si Al2O3, TiO2, ZrO2, WC, etj., metoda e spërkatjes së ftohtë nuk mund të përdoret.Nga ana tjetër, pluhurat e përbërë prej qeramike/metal mund të përdoren si lëndë të para për veshje.E njëjta gjë vlen edhe për metodat e tjera të spërkatjes termike.Sipërfaqet e vështira dhe brendësia e tubave janë ende të vështira për t'u spërkatur.
Duke marrë parasysh që puna e tanishme ka për qëllim përdorimin e pluhurave metalike të qelqit si lëndë fillestare për veshjet, është e qartë se spërkatja termike konvencionale nuk mund të përdoret për këtë qëllim.Kjo për faktin se pluhurat metalikë të qelqit kristalizohen në temperatura të larta1.
Shumica e instrumenteve të përdorura në industrinë mjekësore dhe ushqimore janë bërë nga lidhjet e çelikut inox austenit (SUS316 dhe SUS304) me një përmbajtje kromi prej 12 deri në 20% peshë për prodhimin e instrumenteve kirurgjikale.Në përgjithësi pranohet se përdorimi i metalit të kromit si një element aliazh në lidhjet e çelikut mund të përmirësojë ndjeshëm rezistencën ndaj korrozionit të lidhjeve standarde të çelikut.Lidhjet e çelikut inox, megjithë rezistencën e tyre të lartë ndaj korrozionit, nuk kanë veti të rëndësishme antimikrobike38,39.Kjo është në kontrast me rezistencën e tyre të lartë ndaj korrozionit.Pas kësaj, është e mundur të parashikohet zhvillimi i infeksionit dhe inflamacionit, të cilat janë kryesisht për shkak të ngjitjes bakteriale dhe kolonizimit në sipërfaqen e biomaterialeve prej çeliku inox.Vështirësi të konsiderueshme mund të lindin për shkak të vështirësive të rëndësishme që lidhen me ngjitjen bakteriale dhe rrugët e formimit të biofilmit, të cilat mund të çojnë në shëndet të dobët, gjë që mund të ketë shumë pasoja që mund të ndikojnë drejtpërdrejt ose indirekt në shëndetin e njeriut.
Ky studim është faza e parë e një projekti të financuar nga Fondacioni Kuvajt për Avancimin e Shkencës (KFAS), kontrata nr.2010-550401, për të hetuar fizibilitetin e prodhimit të pluhurave trenerësh të qelqtë metalikë Cu-Zr-Ni duke përdorur teknologjinë MA (tabela).1) Për prodhimin e filmit/veshjes për mbrojtjen e sipërfaqes antibakteriale SUS304.Faza e dytë e projektit, që do të nisë në janar 2023, do të studiojë në detaje karakteristikat e korrozionit galvanik dhe vetitë mekanike të sistemit.Do të kryhen teste të detajuara mikrobiologjike për lloje të ndryshme bakteresh.
Ky artikull diskuton efektin e përmbajtjes së aliazhit Zr në aftësinë e formimit të qelqit (GFA) bazuar në karakteristikat morfologjike dhe strukturore.Përveç kësaj, u diskutuan edhe vetitë antibakteriale të xhamit metalik të veshur me pluhur/SUS304 të përbërë.Përveç kësaj, është kryer një punë e vazhdueshme për të hetuar mundësinë e transformimit strukturor të pluhurave të xhamit metalik që ndodh gjatë spërkatjes së ftohtë në zonën e lëngshme të superftohjes së sistemeve të fabrikuara të xhamit metalik.Lidhjet e qelqit metalik Cu50Zr30Ni20 dhe Cu50Zr20Ni30 janë përdorur si shembuj përfaqësues në këtë studim.
Ky seksion paraqet ndryshimet morfologjike në pluhurat e Cu, Zr dhe Ni elementar gjatë bluarjes me top me energji të ulët.Dy sisteme të ndryshme të përbërë nga Cu50Zr20Ni30 dhe Cu50Zr40Ni10 do të përdoren si shembuj ilustrues.Procesi MA mund të ndahet në tre faza të veçanta, siç dëshmohet nga karakterizimi metalografik i pluhurit të marrë në fazën e bluarjes (Fig. 3).
Karakteristikat metalografike të pluhurave të lidhjeve mekanike (MA) të marra pas fazave të ndryshme të bluarjes së topit.Imazhet e mikroskopit elektronik të skanimit të emetimit në terren (FE-SEM) të pluhurave MA dhe Cu50Zr40Ni10 të marra pas bluarjes së topit me energji të ulët për 3, 12 dhe 50 orë tregohen në (a), (c) dhe (e) për sistemin Cu50Zr20Ni30, ndërsa janë në të njëjtin MA.Imazhet përkatëse të sistemit Cu50Zr40Ni10 të marra pas kohës janë paraqitur në (b), (d) dhe (f).
Gjatë bluarjes me top, energjia kinetike efektive që mund të transferohet në pluhurin metalik ndikohet nga një kombinim i parametrave, siç tregohet në Fig. 1a.Kjo përfshin përplasjet midis topave dhe pluhurave, ngjeshjen e prerjes së pluhurit të mbërthyer midis ose midis mediave bluarëse, ndikimet nga rënia e topave, prerja dhe konsumimi i shkaktuar nga tërheqja e pluhurit midis trupave lëvizës të një mulli me topa, dhe një valë goditëse që kalon nëpër topa në rënie që përhapen përmes kulturës së ngarkuar (Fig. 1a). Элементарные порошки Cu, Zr и Ni были сильно деформированы из-за холодной сварки на ранней стадии МА (3 ч), что привело к образованию крупных частиц порошка (> 1 mm në diametre). Pluhurat elementare Cu, Zr dhe Ni u deformuan rëndë për shkak të saldimit të ftohtë në një fazë të hershme të MA (3 orë), gjë që çoi në formimin e grimcave të mëdha pluhuri (> 1 mm në diametër).Këto grimca të mëdha kompozite karakterizohen nga formimi i shtresave të trasha të elementeve aliazh (Cu, Zr, Ni), siç tregohet në fig.3a,b.Një rritje në kohën MA në 12 orë (faza e ndërmjetme) çoi në një rritje të energjisë kinetike të mullirit të topit, gjë që çoi në zbërthimin e pluhurit të përbërë në pluhura më të vegjël (më pak se 200 μm), siç tregohet në Fig. 3c, qytet.Në këtë fazë, forca prerëse e aplikuar çon në formimin e një sipërfaqeje të re metalike me shtresa të holla nuancash Cu, Zr, Ni, siç tregohet në Fig. 3c, d.Si rezultat i bluarjes së shtresave në ndërfaqen e thekoneve, ndodhin reaksione të fazës së ngurtë me formimin e fazave të reja.
Në kulmin e procesit MA (pas 50 orësh), metalografia me flake ishte mezi e dukshme (Fig. 3e, f) dhe metalografia pasqyre u vu re në sipërfaqen e lëmuar të pluhurit.Kjo do të thotë që procesi MA është përfunduar dhe është krijuar një fazë e vetme reagimi.Përbërja elementare e rajoneve të treguara në Fig.3e (I, II, III), f, v, vi) u përcaktuan duke përdorur mikroskopin elektronik të skanimit të emetimit të fushës (FE-SEM) në kombinim me spektroskopinë me rreze X me shpërndarje energjie (EDS).(IV).
Në tabelë.2 përqendrimet elementare të elementeve aliazh janë paraqitur si përqindje e masës totale të çdo rajoni të zgjedhur në fig.3e, f.Krahasimi i këtyre rezultateve me përbërjet nominale fillestare të Cu50Zr20Ni30 dhe Cu50Zr40Ni10 të dhëna në tabelën 1 tregon se përbërjet e këtyre dy produkteve përfundimtare janë shumë afër përbërjeve nominale.Për më tepër, vlerat relative të përbërësve për rajonet e renditura në Fig. 3e,f nuk sugjerojnë përkeqësim ose ndryshim domethënës në përbërjen e çdo kampioni nga një rajon në tjetrin.Kjo dëshmohet nga fakti se nuk ka ndryshim në përbërje nga një rajon në tjetrin.Kjo tregon prodhimin e pluhurave uniforme të aliazhit siç tregohet në Tabelën 2.
Mikrografitë FE-SEM të pluhurit të produktit përfundimtar Cu50(Zr50-xNix) u morën pas 50 herë MA, siç tregohet në Fig. 4a-d, ku x është respektivisht 10, 20, 30 dhe 40 at.%.Pas këtij hapi bluarje, pluhuri agregatohet për shkak të efektit van der Waals, i cili çon në formimin e agregateve të mëdha të përbëra nga grimca ultrafine me një diametër prej 73 deri në 126 nm, siç tregohet në figurën 4.
Karakteristikat morfologjike të pluhurave Cu50(Zr50-xNix) të marra pas 50 orësh MA.Për sistemet Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40, imazhet FE-SEM të pluhurave të marra pas 50 MA tregohen përkatësisht në (a), (b), (c) dhe (d).
Përpara se pluhurat të futeshin në ushqyesin e ftohtë të spërkatjes, ato fillimisht u sonikuan në etanol të shkallës analitike për 15 minuta dhe më pas u thanë në 150°C për 2 orë.Ky hap duhet të ndërmerret për të luftuar me sukses grumbullimin, i cili shpesh shkakton shumë probleme serioze në procesin e veshjes.Pas përfundimit të procesit MA, u kryen studime të mëtejshme për të hetuar homogjenitetin e pluhurave të aliazhit.Në fig.5a–d tregojnë mikrografët FE-SEM dhe imazhet përkatëse EDS të elementeve aliazh Cu, Zr dhe Ni të lidhjes Cu50Zr30Ni20 të marra pas 50 orësh M, përkatësisht.Duhet të theksohet se pluhurat e aliazhit të përftuara pas këtij hapi janë homogjenë, pasi ato nuk shfaqin asnjë luhatje të përbërjes përtej nivelit nën nanometër, siç tregohet në figurën 5.
Morfologjia dhe shpërndarja lokale e elementeve në pluhurin MG Cu50Zr30Ni20 të marrë pas 50 MA nga FE-SEM/Spectroskopia me rreze X me dispersi të energjisë (EDS).(a) SEM dhe imazhe EDS me rreze X të (b) Cu-Kα, (c) Zr-Lα, dhe (d) Ni-Kα.
Modelet e difraksionit të rrezeve X të pluhurave Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr20Ni30 dhe Cu50Zr20Ni30 të aliazhuar mekanikisht të përftuara pas MA 50-orëshe janë paraqitur në Fig.6 a–d, respektivisht.Pas kësaj faze bluarjeje, të gjitha mostrat me përqendrime të ndryshme të Zr kishin struktura amorfe me modele karakteristike të difuzionit halo të paraqitura në Fig. 6.
Modelet e difraksionit me rreze X të pluhurave Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c) dhe Cu50Zr20Ni30 (d) pas MA për 50 orë.Një model halo-difuzioni u vu re në të gjitha mostrat pa përjashtim, duke treguar formimin e një faze amorfe.
Mikroskopi elektronik i transmetimit të emetimit të fushës me rezolucion të lartë (FE-HRTEM) u përdor për të vëzhguar ndryshimet strukturore dhe për të kuptuar strukturën lokale të pluhurave që rezultojnë nga bluarja me top në kohë të ndryshme MA.Imazhet e pluhurave të marra me metodën FE-HRTEM pas fazave të hershme (6 orë) dhe të ndërmjetme (18 orë) të bluarjes së pluhurave Cu50Zr30Ni20 dhe Cu50Zr40Ni10 janë paraqitur në Fig.7a, respektivisht.Sipas imazhit të fushës së ndritshme (BFI) të pluhurit të marrë pas 6 orësh MA, pluhuri përbëhet nga kokrra të mëdha me kufij të përcaktuar qartë të elementeve fcc-Cu, hcp-Zr dhe fcc-Ni, dhe nuk ka shenja të formimit të një faze reaksioni, siç tregohet në Fig. 7a.Përveç kësaj, një model i korreluar i difraksionit të zonës së zgjedhur (SADP) i marrë nga rajoni i mesëm (a) zbuloi një model të mprehtë difraksioni (Fig. 7b) që tregon praninë e kristalitëve të mëdhenj dhe mungesën e një faze reaktive.
Karakteristikat strukturore lokale të pluhurit MA të marra pas fazave të hershme (6 orë) dhe të ndërmjetme (18 orë).(a) Mikroskopi elektronik i transmetimit të emetimit të fushës me rezolucion të lartë (FE-HRTEM) dhe (b) difraktogrami përkatës i zonës së zgjedhur (SADP) të pluhurit Cu50Zr30Ni20 pas trajtimit MA për 6 orë.Imazhi FE-HRTEM i Cu50Zr40Ni10 i marrë pas 18 orësh MA është paraqitur në (c).
Siç tregohet në fig.7c, një rritje në kohëzgjatjen e MA në 18 orë çoi në defekte serioze të rrjetës në kombinim me deformimin plastik.Në këtë fazë të ndërmjetme të procesit MA, defekte të ndryshme shfaqen në pluhur, duke përfshirë gabimet e grumbullimit, defektet e rrjetës dhe defektet në pikë (Fig. 7).Këto defekte shkaktojnë copëzimin e kokrrizave të mëdha përgjatë kufijve të kokrrizave në nënkokrriza me përmasa më të vogla se 20 nm (Fig. 7c).
Struktura lokale e pluhurit Cu50Z30Ni20 të bluar për 36 orë MA karakterizohet nga formimi i nanokokrrizave ultrafine të ngulitura në një matricë të hollë amorfe, siç tregohet në Fig. 8a.Një analizë lokale e EMF tregoi se nanoklusterat e paraqitur në Fig.8a shoqërohen me aliazhe pluhuri Cu, Zr dhe Ni të patrajtuara.Përmbajtja e Cu në matricë varionte nga ~32 at.% (zonë e varfër) në ~74 at.% (zonë e pasur), që tregon formimin e produkteve heterogjene.Përveç kësaj, SADP-të përkatëse të pluhurave të marra pas bluarjes në këtë hap tregojnë unaza fazore amorfe me difuzion primar dhe sekondar të mbivendosur me pika të mprehta të lidhura me këta elementë aliazh të patrajtuar, siç tregohet në Fig. 8b.
Karakteristikat strukturore lokale në shkallë nano të pluhurit Beyond 36 h-Cu50Zr30Ni20.(a) Imazhi i fushës së ndritshme (BFI) dhe (b) SADP-ja përkatëse e pluhurit Cu50Zr30Ni20, e marrë pas bluarjes për 36 orë MA.
Në fund të procesit MA (50 orë), pluhurat Cu50(Zr50-xNix), X, 10, 20, 30 dhe 40 at.%, pa përjashtim, kanë një morfologji labirintike të fazës amorfe, siç tregohet në Fig.As difraksioni i pikës dhe as modelet unazore të mprehta nuk mund të zbuloheshin në SADS përkatëse të secilës përbërje.Kjo tregon mungesën e metalit kristalor të patrajtuar, por më tepër formimin e një pluhuri aliazh amorf.Këto SADP të ndërlidhura që tregojnë modele të difuzionit halo u përdorën gjithashtu si dëshmi për zhvillimin e fazave amorfe në materialin e produktit përfundimtar.
Struktura lokale e produktit final të sistemit Cu50 MS (Zr50-xNix).FE-HRTEM dhe modelet e korreluara të difraksionit të nanorrezes (NBDP) të (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 dhe (d) Cu50Zr10Ni40 të marra pas 50 h MA.
Duke përdorur kalorimetrinë e skanimit diferencial, u studiua qëndrueshmëria termike e temperaturës së tranzicionit të qelqit (Tg), zonës së lëngut të superftohur (ΔTx) dhe temperaturës së kristalizimit (Tx) në varësi të përmbajtjes së Ni (x) në sistemin amorf Cu50 (Zr50-xNix).(DSC) vetitë në rrjedhën e gazit He.Lakoret DSC të pluhurave të lidhjeve amorfe Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20 dhe Cu50Zr10Ni40 të marra pas MA për 50 orë janë paraqitur në Fig.10a, b, e, përkatësisht.Ndërsa kurba DSC e Cu50Zr20Ni30 amorfe është paraqitur veçmas në Fig. Shekulli i 10-të Ndërkohë, një mostër Cu50Zr30Ni20 e ngrohur në ~700°C në DSC është paraqitur në Fig. 10g.
Stabiliteti termik i pluhurave Cu50 (Zr50-xNix) MG të përftuara pas MA për 50 orë përcaktohet nga temperatura e tranzicionit të qelqit (Tg), temperatura e kristalizimit (Tx) dhe zona e lëngshme e superftohur (ΔTx).Termogramet e pluhurave të kalorimetrit të skanimit diferencial (DSC) të pluhurave Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c) dhe (e) Cu50Zr10Ni40 MG pluhurat aliazh pas MA për 50 orë.Një model difraksioni me rreze X (XRD) i një kampioni Cu50Zr30Ni20 të ngrohur në ~700°C në DSC tregohet në (d).
Siç tregohet në figurën 10, kurbat DSC për të gjitha përbërjet me përqendrime të ndryshme të nikelit (x) tregojnë dy raste të ndryshme, njëra endotermike dhe tjetra ekzotermike.Ngjarja e parë endotermike korrespondon me Tg, dhe e dyta shoqërohet me Tx.Zona e hapësirës horizontale që ekziston midis Tg dhe Tx quhet zona e lëngshme e nënftohur (ΔTx = Tx – Tg).Rezultatet tregojnë se Tg dhe Tx e mostrës Cu50Zr40Ni10 (Fig. 10a) e vendosur në 526°C dhe 612°C e zhvendosin përmbajtjen (x) deri në 20 në % drejt anës së temperaturës së ulët prej 482°C dhe 563°C.°C me rritje të përmbajtjes së Ni (x), përkatësisht, siç tregohet në figurën 10b.Rrjedhimisht, ΔTx Cu50Zr40Ni10 zvogëlohet nga 86°С (Fig. 10a) në 81°С për Cu50Zr30Ni20 (Fig. 10b).Për aliazhin MC Cu50Zr40Ni10, u vu re gjithashtu një rënie në vlerat e Tg, Tx dhe ΔTx në nivelet 447°С, 526°С dhe 79°С (Fig. 10b).Kjo tregon se një rritje në përmbajtjen e Ni çon në një ulje të stabilitetit termik të lidhjes MS.Përkundrazi, vlera e Tg (507 °C) e lidhjes MC Cu50Zr20Ni30 është më e ulët se ajo e lidhjes MC Cu50Zr40Ni10;megjithatë, Tx e tij tregon një vlerë të krahasueshme me të (612 °C).Prandaj, ΔTx ka një vlerë më të lartë (87°C) siç tregohet në fig.shekulli i 10-të
Sistemi Cu50(Zr50-xNix) MC, duke përdorur si shembull aliazhin Cu50Zr20Ni30 MC, kristalizohet përmes një maje të mprehtë ekzotermike në fazat fcc-ZrCu5, ortohombic-Zr7Cu10 dhe ortorhombic-ZrNi (Fig.10 crystalline).Ky kalim fazor nga amorf në kristalin u konfirmua nga analiza e difraksionit me rreze X të mostrës MG (Fig. 10d) e cila u nxeh në 700 ° C në DSC.
Në fig.11 tregon fotografi të marra gjatë procesit të spërkatjes së ftohtë të kryer në punën aktuale.Në këtë studim, grimcat metalike të pluhurit të qelqtë të sintetizuara pas MA për 50 orë (duke përdorur Cu50Zr20Ni30 si shembull) u përdorën si lëndë e parë antibakteriale dhe një pllakë çeliku inox (SUS304) u mbulua me spërkatje të ftohtë.Metoda e spërkatjes së ftohtë u zgjodh për veshjen në serinë e teknologjisë së spërkatjes termike sepse është metoda më efikase në serinë e teknologjisë së spërkatjes termike ku mund të përdoret për materiale metalike të ndjeshme ndaj nxehtësisë metastabile si pluhurat amorfë dhe nanokristalorë.Nuk i nënshtrohet fazës.tranzicionet.Ky është faktori kryesor në zgjedhjen e kësaj metode.Procesi i depozitimit të ftohtë kryhet duke përdorur grimca me shpejtësi të lartë që shndërrojnë energjinë kinetike të grimcave në deformim plastik, deformim dhe nxehtësi pas goditjes me nënshtresën ose grimcat e depozituara më parë.
Fotografitë në terren tregojnë procedurën e spërkatjes së ftohtë të përdorur për pesë përgatitje të njëpasnjëshme të MG/SUS 304 në 550°C.
Energjia kinetike e grimcave, si dhe momenti i secilës grimcë gjatë formimit të veshjes, duhet të shndërrohen në forma të tjera të energjisë përmes mekanizmave të tillë si deformimi plastik (grimcat primare dhe ndërveprimet ndërgrimcash në matricë dhe ndërveprimet e grimcave), nyjet ndërthurëse të trupave të ngurtë, rrotullimi në shtimin e grimcave, nëse jo, kufizimi i grimcave. Energjia kinetike shndërrohet në energji termike dhe energji deformimi, rezultati do të jetë një përplasje elastike, që do të thotë se grimcat thjesht kërcejnë pas goditjes.Është vënë re se 90% e energjisë së ndikimit të aplikuar në materialin e grimcave/nënshtresës konvertohet në nxehtësi lokale 40 .Për më tepër, kur zbatohet sforcimi i ndikimit, shkalla e lartë e sforcimit të plastikës arrihet në rajonin e kontaktit të grimcave/nënshtresës në një kohë shumë të shkurtër41,42.
Deformimi plastik zakonisht konsiderohet si një proces i shpërndarjes së energjisë, ose më mirë, si një burim nxehtësie në rajonin ndërfaqe.Sidoqoftë, rritja e temperaturës në rajonin ndërfaqësor zakonisht nuk është e mjaftueshme për shfaqjen e shkrirjes ndërfaqesore ose stimulimin e konsiderueshëm të difuzionit të ndërsjellë të atomeve.Asnjë botim i njohur për autorët nuk e ka hetuar efektin e vetive të këtyre pluhurave metalikë të qelqit në ngjitjen dhe vendosjen e pluhurit që ndodh kur përdoren teknikat e spërkatjes së ftohtë.
BFI i pluhurit të aliazhit MG Cu50Zr20Ni30 mund të shihet në Fig. 12a, i cili u depozitua në nënshtresën SUS 304 (Fig. 11, 12b).Siç mund të shihet nga figura, pluhurat e veshura ruajnë strukturën e tyre origjinale amorfe pasi kanë një strukturë delikate labirinti pa asnjë tipar kristalor ose defekt grilë.Nga ana tjetër, imazhi tregon praninë e një faze të huaj, siç dëshmohet nga nanogrimcat e përfshira në matricën e pluhurit të veshur me MG (Fig. 12a).Figura 12c tregon modelin e indeksuar të difraksionit të nanorrezes (NBDP) të lidhur me rajonin I (Figura 12a).Siç tregohet në fig.12c, NBDP shfaq një model të dobët halo-difuzioni të strukturës amorfe dhe bashkëjeton me pika të mprehta që korrespondojnë me një fazë kristalore të madhe kubike metastabile Zr2Ni plus një fazë tetragonale CuO.Formimi i CuO mund të shpjegohet me oksidimin e pluhurit kur lëviz nga gryka e armës spërkatës në SUS ​​304 në ajër të hapur në një rrjedhë supersonike.Nga ana tjetër, devitrifikimi i pluhurave metalikë të qelqtë rezultoi në formimin e fazave të mëdha kubike pas trajtimit me spërkatje të ftohtë në 550°C për 30 min.
(a) Imazhi FE-HRTEM i pluhurit MG të depozituar në (b) nënshtresën SUS 304 (futja e figurës).Indeksi NBDP i simbolit të rrumbullakët i paraqitur në (a) tregohet në (c).
Për të testuar këtë mekanizëm të mundshëm për formimin e nanogrimcave të mëdha kubike Zr2Ni, u krye një eksperiment i pavarur.Në këtë eksperiment, pluhurat u spërkatën nga një atomizues në 550°C në drejtim të substratit SUS 304;megjithatë, për të përcaktuar efektin e pjekjes, pluhurat u hoqën nga shiriti SUS304 sa më shpejt që të ishte e mundur (rreth 60 s).).Një seri tjetër eksperimentesh u krye në të cilën pluhuri u hoq nga nënshtresa afërsisht 180 sekonda pas aplikimit.
Figura 13a,b tregojnë imazhet e fushës së errët (DFI) të mikroskopit elektronik të transmisionit skanues (STEM) të dy materialeve të spërkatura të depozituara në nënshtresat SUS 304 për 60 s dhe 180 s, respektivisht.Imazhi pluhur i depozituar për 60 sekonda nuk ka detaje morfologjike, duke treguar mungesë tipare (Fig. 13a).Kjo u konfirmua edhe nga XRD, e cila tregoi se struktura e përgjithshme e këtyre pluhurave ishte amorfe, siç tregohet nga majat e gjera të difraksionit parësor dhe dytësor të paraqitur në Figurën 14a.Kjo tregon mungesën e precipitateve metastabile/mezofaze, në të cilat pluhuri ruan strukturën e tij origjinale amorfe.Në të kundërt, pluhuri i depozituar në të njëjtën temperaturë (550°C), por i lënë në nënshtresë për 180 s, tregoi depozitimin e kokrrave me madhësi nanoz, siç tregohet nga shigjetat në Fig. 13b.