Nature.com'u ziyaret ettiğiniz için teşekkür ederiz.Kullanmakta olduğunuz tarayıcı sürümü sınırlı CSS desteğine sahiptir.En iyi deneyim için güncellenmiş bir tarayıcı kullanmanızı (veya Internet Explorer'da Uyumluluk Modunu devre dışı bırakmanızı) öneririz.Bu arada, sürekli destek sağlamak için siteyi stiller ve JavaScript olmadan yapacağız.
Biyofilmler, özellikle tıbbi cihazlar söz konusu olduğunda, kronik enfeksiyonların gelişiminde önemli bir bileşendir.Standart antibiyotikler biyofilmleri yalnızca çok sınırlı bir ölçüde yok edebildiğinden, bu sorun tıp camiası için büyük bir zorluk teşkil etmektedir.Biyofilm oluşumunun önlenmesi, çeşitli kaplama yöntemlerinin ve yeni malzemelerin geliştirilmesine yol açmıştır.Bu teknikler, yüzeyleri biyofilm oluşumunu engelleyecek şekilde kaplamayı amaçlar.Camsı metal alaşımları, özellikle bakır ve titanyum metalleri içerenler, ideal antimikrobiyal kaplamalar haline gelmiştir.Aynı zamanda, sıcaklığa duyarlı malzemelerin işlenmesi için uygun bir yöntem olduğu için soğuk püskürtme teknolojisinin kullanımı artmıştır.Bu araştırmanın amacının bir kısmı, mekanik alaşımlama teknikleri kullanılarak Cu-Zr-Ni üçlüsünden oluşan yeni bir antibakteriyel film metalik cam geliştirmekti.Nihai ürünü oluşturan küresel toz, paslanmaz çelik yüzeylere düşük sıcaklıklarda soğuk püskürtme için hammadde olarak kullanılır.Metal cam kaplı yüzeyler, paslanmaz çeliğe kıyasla biyofilm oluşumunu en az 1 log önemli ölçüde azaltabildi.
İnsanlık tarihi boyunca, herhangi bir toplum, kendi özel gereksinimlerini karşılamak için yeni materyaller geliştirebilmiş ve teşvik edebilmiştir, bu da üretkenliğin artmasına ve küreselleşmiş bir ekonomide sıralamaya neden olmuştur1.Her zaman, bir ülke veya bölgeden diğerine sağlık, eğitim, endüstri, ekonomi, kültür ve diğer alanlara ulaşmak için malzeme ve imalat ekipmanı tasarlama ve ayrıca malzeme üretme ve karakterize etme tasarımlarına insan yeteneği atfedilmiştir.İlerleme, ülke veya bölgeden bağımsız olarak ölçülür2.60 yıldır, malzeme bilimcileri tek bir ana göreve çok zaman ayırdılar: yeni ve gelişmiş malzemeler aramak.Son araştırmalar, mevcut malzemelerin kalitesini ve performansını iyileştirmenin yanı sıra tamamen yeni malzeme türlerini sentezlemeye ve icat etmeye odaklandı.
Alaşım elementlerinin eklenmesi, malzemenin mikro yapısının modifikasyonu ve termal, mekanik veya termomekanik işlem yöntemlerinin uygulanması, çeşitli malzemelerin mekanik, kimyasal ve fiziksel özelliklerinde önemli gelişmeler sağlamıştır.Ayrıca şimdiye kadar bilinmeyen bileşikler başarıyla sentezlendi.Bu ısrarlı çabalar, toplu olarak Gelişmiş Malzemeler2 olarak bilinen yeni bir yenilikçi malzeme ailesinin ortaya çıkmasına neden oldu.Nanokristaller, nanopartiküller, nanotüpler, kuantum noktaları, sıfır boyutlu, amorf metalik camlar ve yüksek entropili alaşımlar, geçen yüzyılın ortalarından beri dünyada ortaya çıkan gelişmiş malzemelerden sadece birkaçıdır.Hem nihai üründe hem de üretiminin ara aşamalarında iyileştirilmiş özelliklere sahip yeni alaşımların üretiminde ve geliştirilmesinde, genellikle dengesizlik sorunu eklenir.Dengeden önemli sapmalara izin veren yeni üretim tekniklerinin tanıtılmasının bir sonucu olarak, metalik camlar olarak bilinen yepyeni bir metastabil alaşım sınıfı keşfedildi.
1960 yılında Caltech'teki çalışması, sıvıları saniyede yaklaşık bir milyon derecede hızla katılaştırarak Au-25 % Si camsı alaşımlarını sentezlediğinde metal alaşımları kavramında devrim yarattı.4 Profesör Paul Duves'in keşfi, yalnızca metal camlar (MS) tarihinin başlangıcını işaretlemekle kalmadı, aynı zamanda insanların metal alaşımları hakkında nasıl düşündüklerinde bir paradigma değişikliğine yol açtı.MS alaşımlarının sentezindeki ilk öncü araştırmadan bu yana, hemen hemen tüm metalik camlar aşağıdaki yöntemlerden biri kullanılarak tamamen elde edilmiştir: (i) eriyik veya buharın hızlı katılaşması, (ii) atomik kafes bozukluğu, (iii) saf metalik elementler arasındaki katı hal amorfizasyon reaksiyonları ve (iv) metastabil fazların katı faz geçişleri.
MG'ler, kristallerin tanımlayıcı bir özelliği olan kristallerle ilişkili uzun menzilli atomik düzenin olmaması ile ayırt edilir.Modern dünyada metalik cam alanında büyük ilerlemeler kaydedilmiştir.Bunlar sadece katı hal fiziğinin değil, metalurji, yüzey kimyası, teknoloji, biyoloji ve diğer birçok alanın da ilgisini çeken ilginç özelliklere sahip yeni malzemelerdir.Bu yeni malzeme türü, sert metallerden farklı özelliklere sahiptir ve bu da onu çeşitli alanlarda teknolojik uygulamalar için ilginç bir aday haline getirir.Bazı önemli özelliklere sahiptirler: (i) yüksek mekanik süneklik ve akma dayanımı, (ii) yüksek manyetik geçirgenlik, (iii) düşük koersivite, (iv) alışılmadık korozyon direnci, (v) sıcaklıktan bağımsızlık.İletkenlik 6.7.
Mekanik alaşımlama (MA)1,8, ilk olarak 19839'da Prof. KK Kok ve meslektaşları tarafından tanıtılan nispeten yeni bir yöntemdir.Saf elementlerin bir karışımını oda sıcaklığına çok yakın ortam sıcaklığında öğüterek amorf Ni60Nb40 tozları ürettiler.Tipik olarak MA reaksiyonu, genellikle paslanmaz çelikten yapılmış bir reaktörde reaktan tozlarının bir bilyeli değirmene difüzyonla bağlanması arasında gerçekleştirilir.10 (Şek. 1a, b).O zamandan beri, bu mekanik olarak indüklenen katı hal reaksiyon yöntemi, düşük (Şekil 1c) ve yüksek enerjili bilyalı değirmenler ve çubuklu değirmenler11,12,13,14,15,16 kullanılarak yeni amorf/metalik cam alaşımı tozları hazırlamak için kullanılmıştır.Bu yöntem özellikle Cu-Ta17 gibi karışmaz sistemlerin yanı sıra Al-geçiş metali (TM, Zr, Hf, Nb ve Ta)18,19 ve Fe-W20 sistemleri gibi yüksek erime noktalı alaşımların hazırlanmasında kullanılmıştır., geleneksel pişirme yöntemleri kullanılarak elde edilemeyen.Ayrıca MA, metal oksitler, karbürler, nitrürler, hidritler, karbon nanotüpler, nanoelmasların nanokristalin ve nanokompozit toz parçacıklarının endüstriyel ölçekli üretimi ve yukarıdan aşağıya bir yaklaşım kullanarak geniş stabilizasyon için en güçlü nanoteknolojik araçlardan biri olarak kabul edilir.1 ve yarı kararlı aşamalar.
Bu çalışmada Cu50(Zr50-xNix)/SUS 304 metalik cam kaplamayı hazırlamak için kullanılan imalat yöntemini gösteren şematik.(a) Düşük enerjili bilyeli öğütme yöntemi kullanılarak çeşitli konsantrasyonlarda Nix (x; 10, 20, 30 ve 40 at.%) ile MC alaşım tozlarının hazırlanması.(a) Başlangıç ​​malzemesi, alet çeliği bilyaları ile birlikte bir alet silindirine yüklenir ve (b) He atmosferi dolu bir torpido gözünde kapatılır.(c) Öğütme sırasında topun hareketini gösteren öğütme kabının şeffaf modeli.50 saat sonra elde edilen nihai toz ürün, SUS 304 substratını (d) soğuk sprey kaplamak için kullanıldı.
Dökme malzeme yüzeyleri (substratlar) söz konusu olduğunda, yüzey mühendisliği, orijinal dökme malzemede bulunmayan belirli fiziksel, kimyasal ve teknik özellikleri sağlamak için yüzeylerin (substratlar) tasarlanmasını ve değiştirilmesini içerir.Yüzey işlemiyle etkili bir şekilde geliştirilebilen özelliklerden bazıları arasında aşınma, oksidasyon ve korozyon direnci, sürtünme katsayısı, biyoetkisizlik, elektriksel özellikler ve ısı yalıtımı sayılabilir.Yüzey kalitesi metalürjik, mekanik veya kimyasal yöntemlerle iyileştirilebilir.İyi bilinen bir işlem olarak, kaplama basitçe, başka bir malzemeden yapılmış bir toplu nesnenin (substrat) yüzeyine yapay olarak uygulanan bir veya daha fazla malzeme katmanı olarak tanımlanır.Bu nedenle, kaplamalar kısmen istenen teknik veya dekoratif özellikleri elde etmek ve ayrıca malzemeleri çevre ile beklenen kimyasal ve fiziksel etkileşimlerden korumak için kullanılır23.
Birkaç mikrometreden (10-20 mikrometrenin altında) 30 mikrometreden fazlaya ve hatta birkaç milimetre kalınlığa kadar uygun koruyucu tabakaları uygulamak için çeşitli yöntem ve teknikler kullanılabilir.Genel olarak, kaplama işlemleri iki kategoriye ayrılabilir: (i) galvanik kaplama, galvanik kaplama ve sıcak daldırmalı galvanizleme dahil olmak üzere ıslak kaplama yöntemleri ve (ii) lehimleme, sert kaplama, fiziksel buhar biriktirme (PVD) dahil olmak üzere kuru kaplama yöntemleri.), kimyasal buhar biriktirme (CVD), termal püskürtme teknikleri ve son zamanlarda soğuk püskürtme teknikleri 24 (Şekil 1d).
Biyofilmler, yüzeylere geri dönüşümsüz olarak bağlanan ve kendi ürettikleri hücre dışı polimerlerle (EPS) çevrili mikrobiyal topluluklar olarak tanımlanır.Yüzeysel olarak olgun bir biyofilm oluşumu, gıda işleme, su sistemleri ve sağlık hizmetleri dahil olmak üzere birçok endüstride önemli kayıplara yol açabilir.İnsanlarda biyofilm oluşumuyla birlikte mikrobiyal enfeksiyon vakalarının (Enterobacteriaceae ve Staphylococci dahil) %80'den fazlasının tedavisi zordur.Ek olarak, olgun biyofilmlerin, büyük bir terapötik zorluk olarak kabul edilen planktonik bakteri hücrelerine kıyasla antibiyotik tedavisine 1000 kat daha dirençli olduğu bildirilmiştir.Tarihsel olarak, yaygın organik bileşiklerden türetilen antimikrobiyal yüzey kaplama malzemeleri kullanılmıştır.Bu tür malzemeler genellikle insanlar için potansiyel olarak zararlı toksik bileşenler içermesine rağmen,25,26 bu, bakteriyel bulaşmayı ve malzeme bozulmasını önlemeye yardımcı olabilir.
Biyofilm oluşumu nedeniyle antibiyotik tedavisine karşı yaygın bakteri direnci, güvenli bir şekilde uygulanabilen etkili bir antimikrobiyal membran kaplı yüzey geliştirme ihtiyacına yol açmıştır27.Bakteri hücrelerinin bağlanamadığı ve yapışma nedeniyle biyofilm oluşturamadığı fiziksel veya kimyasal yapışma önleyici bir yüzeyin geliştirilmesi bu süreçteki ilk yaklaşımdır27.İkinci teknoloji, antimikrobiyal kimyasalları tam olarak ihtiyaç duyulan yere, yüksek konsantrasyonda ve özel miktarlarda sağlayan kaplamalar geliştirmektir.Bu, biyofilm oluşumu nedeniyle toksisite ve direnç gelişimini en üst düzeye çıkaran bir teknoloji olan bakterilere dirençli grafen/germanyum28, siyah elmas29 ve ZnO30 katkılı elmas benzeri karbon kaplamalar gibi benzersiz kaplama malzemelerinin geliştirilmesiyle elde edilir.Ayrıca, bakteriyel kontaminasyona karşı uzun süreli koruma sağlayan mikrop öldürücü kimyasallar içeren kaplamalar giderek daha popüler hale geliyor.Her üç prosedür de kaplanmış yüzeyler üzerinde antimikrobiyal aktivite uygulama yeteneğine sahipken, her birinin bir uygulama stratejisi geliştirirken dikkate alınması gereken kendi sınırlamaları vardır.
Halihazırda piyasada bulunan ürünler, biyolojik olarak aktif bileşenler için koruyucu kaplamaları analiz etmek ve test etmek için zamanın olmaması nedeniyle engellenmektedir.Firmalar, ürünlerinin kullanıcılara istenilen fonksiyonel özellikleri sağlayacağını iddia etseler de bu durum, halihazırda piyasada bulunan ürünlerin başarısının önünde bir engel haline gelmiştir.Gümüşten türetilen bileşikler, şu anda tüketicilere sunulan antimikrobiyallerin büyük çoğunluğunda kullanılmaktadır.Bu ürünler, kullanıcıları potansiyel olarak zararlı mikroorganizmalara maruz kalmaktan korumak için tasarlanmıştır.Gecikmiş antimikrobiyal etki ve gümüş bileşiklerinin ilişkili toksisitesi, araştırmacılar üzerinde daha az zararlı bir alternatif36,37geliştirme baskısını artırıyor.İçeride ve dışarıda çalışan küresel bir antimikrobiyal kaplama oluşturmak, zorlu bir görev olmaya devam ediyor.Bu, ilişkili sağlık ve güvenlik riskleriyle birlikte gelir.İnsanlar için daha az zararlı olan bir antimikrobiyal maddenin keşfedilmesi ve bunun daha uzun bir raf ömrüne sahip kaplama malzemelerine nasıl dahil edileceğinin bulunması çok aranan bir hedeftir38.En yeni antimikrobiyal ve antibiyofilm malzemeleri, doğrudan temas yoluyla veya aktif maddenin salınmasından sonra bakterileri yakın mesafeden öldürmek için tasarlanmıştır.Bunu, ilk bakteri yapışmasını engelleyerek (yüzeyde bir protein tabakasının oluşumunu engellemek dahil) veya hücre duvarına müdahale ederek bakterileri öldürerek yapabilirler.
Esasen yüzey kaplama, yüzey özelliklerini iyileştirmek için bir bileşenin yüzeyine başka bir katman uygulama işlemidir.Bir yüzey kaplamasının amacı, bir bileşenin yüzeye yakın bölgesinin mikro yapısını ve/veya bileşimini değiştirmektir39.Yüzey kaplama yöntemleri, Şekil 2a'da özetlenen farklı yöntemlere ayrılabilir.Kaplamalar, kaplamayı oluşturmak için kullanılan yönteme bağlı olarak termal, kimyasal, fiziksel ve elektrokimyasal kategorilere ayrılabilir.
(a) Ana yüzey imalat tekniklerini gösteren bir ek ve (b) soğuk püskürtme yönteminin seçilmiş avantaj ve dezavantajları.
Soğuk püskürtme teknolojisinin, geleneksel termal püskürtme teknikleriyle pek çok ortak noktası vardır.Bununla birlikte, soğuk püskürtme işlemini ve soğuk püskürtme malzemelerini özellikle benzersiz kılan bazı önemli temel özellikler de vardır.Soğuk sprey teknolojisi henüz emekleme aşamasında, ancak harika bir geleceği var.Bazı durumlarda, soğuk püskürtmenin benzersiz özellikleri, geleneksel termal püskürtme tekniklerinin sınırlamalarının üstesinden gelerek büyük faydalar sağlar.Tozun bir alt tabaka üzerinde biriktirilmesi için eritilmesi gereken geleneksel termal püskürtme teknolojisinin önemli sınırlamalarının üstesinden gelir.Açıkçası, bu geleneksel kaplama işlemi nanokristaller, nanopartiküller, amorf ve metalik camlar40, 41, 42 gibi sıcaklığa çok duyarlı malzemeler için uygun değildir. Ayrıca, termal sprey kaplama malzemeleri her zaman yüksek düzeyde gözenekliliğe ve oksitlere sahiptir.Soğuk püskürtme teknolojisinin termal püskürtme teknolojisine göre (i) alt tabakaya minimum ısı girişi, (ii) alt tabaka kaplama seçiminde esneklik, (iii) faz dönüşümü ve tane büyümesi olmaması, (iv) yüksek yapışma kuvveti1 .39 (Şekil 2b) gibi birçok önemli avantajı vardır.Ayrıca soğuk sprey kaplama malzemeleri, yüksek korozyon direncine, yüksek mukavemete ve sertliğe, yüksek elektrik iletkenliğine ve yüksek yoğunluğa sahiptir41.Soğuk püskürtme işleminin avantajlarına rağmen, bu yöntemin Şekil 2b'de gösterildiği gibi hala bazı dezavantajları vardır.Al2O3, TiO2, ZrO2, WC gibi saf seramik tozlarının kaplanmasında soğuk püskürtme yöntemi kullanılamaz.Öte yandan, seramik/metal kompozit tozlar kaplamalar için hammadde olarak kullanılabilir.Aynısı diğer termal püskürtme yöntemleri için de geçerlidir.Zor yüzeyler ve boru iç kısımlarının püskürtülmesi hala zordur.
Mevcut çalışmanın, kaplamalar için başlangıç ​​malzemeleri olarak metalik camsı tozların kullanımına yönelik olduğu düşünüldüğünde, geleneksel termal püskürtmenin bu amaç için kullanılamayacağı açıktır.Bunun nedeni, metalik camsı tozların yüksek sıcaklıklarda kristalleşmesidir1.
Tıp ve gıda endüstrilerinde kullanılan aletlerin çoğu, cerrahi aletlerin üretimi için ağırlıkça %12 ila %20 krom içeriğine sahip östenitik paslanmaz çelik alaşımlardan (SUS316 ve SUS304) yapılmıştır.Çelik alaşımlarında bir alaşım elementi olarak krom metalinin kullanılmasının, standart çelik alaşımlarının korozyon direncini önemli ölçüde artırabileceği genel olarak kabul edilmektedir.Paslanmaz çelik alaşımları, yüksek korozyon direncine rağmen önemli antimikrobiyal özelliklere sahip değildir38,39.Bu, yüksek korozyon direnci ile çelişir.Bundan sonra, esas olarak paslanmaz çelik biyomalzemelerin yüzeyinde bakteri yapışması ve kolonizasyonundan kaynaklanan enfeksiyon ve iltihaplanma gelişimini tahmin etmek mümkündür.İnsan sağlığını doğrudan veya dolaylı olarak etkileyebilecek birçok sonuca yol açabilen, kötü sağlığa yol açabilen, bakteriyel yapışma ve biyofilm oluşum yollarıyla ilişkili önemli zorluklar nedeniyle önemli zorluklar ortaya çıkabilir.
Bu çalışma, Kuveyt Bilimi Geliştirme Vakfı (KFAS) tarafından finanse edilen, sözleşme no.2010-550401, MA teknolojisi (tablo) kullanarak metalik camsı Cu-Zr-Ni üçlü tozları üretmenin fizibilitesini araştırmak için.1) SUS304 antibakteriyel yüzey koruma filmi/kaplama üretimi için.Ocak 2023'te başlayacak olan projenin ikinci aşaması, sistemin galvanik korozyon özelliklerini ve mekanik özelliklerini ayrıntılı olarak inceleyecek.Çeşitli bakteri türleri için detaylı mikrobiyolojik testler yapılacaktır.
Bu makale, Zr alaşım içeriğinin cam şekillendirme kabiliyeti (GFA) üzerindeki etkisini morfolojik ve yapısal özelliklere dayalı olarak tartışmaktadır.Ayrıca toz boyalı metal cam/SUS304 kompozitinin antibakteriyel özellikleri de tartışıldı.Ek olarak, fabrikasyon metalik cam sistemlerinin aşırı soğutulmuş sıvı bölgesinde soğuk püskürtme sırasında meydana gelen metalik cam tozlarının yapısal dönüşüm olasılığını araştırmak için devam eden çalışmalar yürütülmüştür.Bu çalışmada temsili örnekler olarak Cu50Zr30Ni20 ve Cu50Zr20Ni30 metalik cam alaşımları kullanılmıştır.
Bu bölüm, düşük enerjili bilyeli öğütme sırasında elemental Cu, Zr ve Ni tozlarındaki morfolojik değişiklikleri sunar.Açıklayıcı örnek olarak Cu50Zr20Ni30 ve Cu50Zr40Ni10'dan oluşan iki farklı sistem kullanılacaktır.MA işlemi, öğütme aşamasında elde edilen tozun metalografik karakterizasyonundan da anlaşılacağı üzere üç ayrı aşamaya ayrılabilir (Şekil 3).
Bilya öğütmenin çeşitli aşamalarından sonra elde edilen mekanik alaşım tozlarının (MA) metalografik özellikleri.MA ve Cu50Zr40Ni10 tozlarının 3, 12 ve 50 saatlik düşük enerjili bilyeli öğütme sonrasında elde edilen alan emisyonlu taramalı elektron mikroskobu (FE-SEM) görüntüleri Cu50Zr20Ni30 sistemi için aynı MA üzerinde iken (a), (c) ve (e)'de gösterilmektedir.Cu50Zr40Ni10 sisteminin zaman sonra alınan karşılık gelen görüntüleri (b), (d) ve (f)'de gösterilmiştir.
Bilyalı öğütme sırasında, metal tozuna aktarılabilen etkili kinetik enerji, Şekil 1a'da gösterildiği gibi, bir parametre kombinasyonundan etkilenir.Bu, bilyeler ve tozlar arasındaki çarpışmaları, öğütme ortamları arasına veya arasına sıkışmış tozun kayma sıkıştırmasını, düşen bilyalardan gelen etkileri, bir bilyalı değirmenin hareketli gövdeleri arasındaki toz sürüklenmesinin neden olduğu kayma ve aşınmayı ve yüklü kültür boyunca yayılan düşen toplardan geçen bir şok dalgasını içerir (Şekil 1a). Элементарные порошки Cu, Zr и Ni были сильно деформированы из-за холодной сварки на ранней стадии МА (3 ч), что рив ело к образованию крупных частиц порошка (> 1 mm / gün). Temel Cu, Zr ve Ni tozları, MA'nın erken bir aşamasında (3 saat) soğuk kaynak nedeniyle ciddi şekilde deforme olmuş ve bu da büyük toz parçacıklarının (> 1 mm çapında) oluşumuna yol açmıştır.Bu büyük kompozit parçacıklar, Şekil 2'de gösterildiği gibi kalın alaşım elementleri (Cu, Zr, Ni) katmanlarının oluşumu ile karakterize edilir.3a,b.MA süresinde 12 saate (ara aşama) bir artış, bilyalı değirmenin kinetik enerjisinde bir artışa yol açtı, bu da kompozit tozun Şekil 3c'de gösterildiği gibi daha küçük tozlara (200 μm'den az) ayrışmasına yol açtı., şehir .Bu aşamada uygulanan kesme kuvveti, Şekil 3c, d'de gösterildiği gibi ince Cu, Zr, Ni ipucu katmanları ile yeni bir metal yüzey oluşumuna yol açar.Pulların ara yüzeyindeki tabakaların öğütülmesi sonucunda yeni fazların oluşması ile katı faz reaksiyonları meydana gelir.
MA işleminin doruk noktasında (50 saat sonra), pul metalografi zar zor farkedildi (Şekil 3e, f) ve tozun parlatılmış yüzeyinde ayna metalografisi gözlendi.Bu, MA işleminin tamamlandığı ve tek bir reaksiyon fazının yaratıldığı anlamına gelir.Şekil 2'de gösterilen bölgelerin temel bileşimi.3e (I, II, III), f, v, vi), enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi (EDS) ile kombinasyon halinde alan emisyon taramalı elektron mikroskobu (FE-SEM) kullanılarak belirlenmiştir.(IV).
Masada.Alaşım elementlerinin 2 element konsantrasyonu, Şekil 2'de seçilen her bir bölgenin toplam kütlesinin yüzdesi olarak gösterilmiştir.3e, f.Bu sonuçların Tablo 1'de verilen Cu50Zr20Ni30 ve Cu50Zr40Ni10 başlangıç ​​nominal bileşimleri ile karşılaştırılması, bu iki nihai ürünün bileşimlerinin nominal bileşimlere çok yakın olduğunu göstermektedir.Ek olarak, Şekil 3e,f'de listelenen bölgeler için bileşenlerin göreli değerleri, her numunenin bileşiminde bir bölgeden diğerine önemli bir bozulma veya değişiklik göstermez.Bu, bir bölgeden diğerine kompozisyonda herhangi bir değişiklik olmadığı gerçeğiyle kanıtlanmaktadır.Bu, Tablo 2'de gösterildiği gibi tekdüze alaşım tozlarının üretimini gösterir.
Cu50(Zr50-xNix) nihai ürün tozunun FE-SEM mikrografları, x'in sırasıyla %10, 20, 30 ve 40 olduğu Şekil 4a-d'de gösterildiği gibi 50 MA süresinden sonra elde edildi.Bu öğütme adımından sonra toz, Şekil 4'te gösterildiği gibi 73 ila 126 nm çapında ultra ince parçacıklardan oluşan büyük agregaların oluşumuna yol açan van der Waals etkisi nedeniyle toplanır.
50 saatlik MA sonrası elde edilen Cu50(Zr50-xNix) tozlarının morfolojik özellikleri.Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40 sistemleri için 50 MA sonrasında elde edilen tozların FE-SEM görüntüleri sırasıyla (a), (b), (c) ve (d)'de gösterilmiştir.
Tozlar, soğuk püskürtmeli besleyiciye yüklenmeden önce, önce 15 dakika süreyle analitik saflıkta etanol içinde sonike edildi ve ardından 2 saat süreyle 150°C'de kurutuldu.Kaplama işleminde sıklıkla birçok ciddi soruna neden olan topaklanma ile başarılı bir şekilde mücadele etmek için bu adım atılmalıdır.MA işleminin tamamlanmasının ardından alaşım tozlarının homojenliğini araştırmak için ileri çalışmalar yapılmıştır.Şek.Şekil 5a-d, sırasıyla M 50 saat sonra alınan Cu50Zr30Ni20 alaşımının Cu, Zr ve Ni alaşım elementlerinin FE-SEM mikrograflarını ve karşılık gelen EDS görüntülerini gösterir.Bu aşamadan sonra elde edilen alaşım tozlarının, Şekil 5'te gösterildiği gibi, nanometre altı seviyenin ötesinde herhangi bir bileşim dalgalanması sergilemediğinden homojen olduğuna dikkat edilmelidir.
FE-SEM/Enerji Dağıtıcı X-ışını Spektroskopisi (EDS) ile 50 MA'dan sonra elde edilen MG Cu50Zr30Ni20 tozundaki elementlerin morfolojisi ve yerel dağılımı.(a) (b) Cu-Ka, (c) Zr-Lα ve (d) Ni-Ka'nın SEM ve X-ışını EDS görüntülemesi.
50 saatlik MA'dan sonra elde edilen mekanik alaşımlı Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30 ve Cu50Zr20Ni30 tozlarının X-ışını kırınım desenleri Şekil 1'de gösterilmektedir.sırasıyla 6a – d.Bu öğütme aşamasından sonra, farklı Zr konsantrasyonlarına sahip tüm numuneler, Şekil 6'da gösterilen karakteristik halo difüzyon modellerine sahip amorf yapılara sahipti.
MA'dan 50 saat sonra Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c) ve Cu50Zr20Ni30 (d) tozlarının X-ışını kırınım desenleri.İstisnasız tüm numunelerde amorf bir fazın oluştuğunu gösteren bir halo-difüzyon paterni gözlendi.
Yapısal değişiklikleri gözlemlemek ve farklı MA sürelerinde bilyeli öğütmeden kaynaklanan tozların yerel yapısını anlamak için yüksek çözünürlüklü alan emisyonlu transmisyon elektron mikroskobu (FE-HRTEM) kullanıldı.Cu50Zr30Ni20 ve Cu50Zr40Ni10 tozlarının öğütülmesinin erken (6 saat) ve orta (18 saat) aşamalarından sonra FE-HRTEM yöntemi ile elde edilen tozların görüntüleri Şekil 1'de gösterilmektedir.sırasıyla 7a.6 saatlik MA'dan sonra elde edilen tozun parlak alan görüntüsüne (BFI) göre, toz, fcc-Cu, hcp-Zr ve fcc-Ni elementlerinin açıkça tanımlanmış sınırları olan büyük tanelerden oluşur ve Şekil 7a'da gösterildiği gibi bir reaksiyon fazı oluşumuna dair hiçbir işaret yoktur.Ek olarak, orta bölgeden (a) alınan bir ilişkili seçilmiş alan kırınım modeli (SADP), büyük kristalitlerin varlığını ve bir reaktif fazın olmadığını gösteren keskin bir kırınım modelini (Şekil 7b) ortaya çıkardı.
Erken (6 saat) ve ara (18 saat) aşamalardan sonra elde edilen MA tozunun yerel yapısal özellikleri.(a) Yüksek çözünürlüklü alan emisyon transmisyon elektron mikroskobu (FE-HRTEM) ve (b) 6 saatlik MA işleminden sonra Cu50Zr30Ni20 tozunun karşılık gelen seçilmiş alan difraktogramı (SADP).18 saatlik MA'dan sonra elde edilen Cu50Zr40Ni10'un FE-HRTEM görüntüsü (c)'de gösterilmiştir.
Şek.Şekil 7c'de, MA süresinin 18 saate çıkarılması, plastik deformasyonla birlikte ciddi kafes kusurlarına yol açtı.MA işleminin bu ara aşamasında, tozda istifleme hataları, kafes kusurları ve nokta kusurları dahil olmak üzere çeşitli kusurlar ortaya çıkar (Şekil 7).Bu kusurlar, büyük tanelerin tane sınırları boyunca 20 nm'den küçük alt tanelere parçalanmasına neden olur (Şekil 7c).
36 saat MA için öğütülmüş Cu50Z30Ni20 tozunun yerel yapısı, Şekil 8a'da gösterildiği gibi, şekilsiz bir ince matris içine gömülü ultra ince nano taneciklerin oluşumu ile karakterize edilir.EMF'nin yerel bir analizi, Şek.8a, işlenmemiş Cu, Zr ve Ni toz alaşımları ile ilişkilidir.Matristeki Cu içeriği ~%32 at.% (zayıf bölge) ile ~%74 at.% (zengin bölge) arasında değişmiştir, bu da heterojen ürünlerin oluşumunu gösterir.Ek olarak, bu adımda öğütme işleminden sonra elde edilen tozların karşılık gelen SADP'leri, Şekil 8b'de gösterildiği gibi, bu işlenmemiş alaşım elementleriyle ilişkili keskin noktalarla örtüşen birincil ve ikincil halo-difüzyon amorf faz halkalarını gösterir.
Beyond 36 h-Cu50Zr30Ni20 tozunun nano ölçekli yerel yapısal özellikleri.(a) Parlak alan görüntüsü (BFI) ve karşılık gelen (b) 36 saat MA için öğütmeden sonra elde edilen Cu50Zr30Ni20 tozunun SADP'si.
MA işleminin sonuna doğru (50 saat), Cu50(Zr50-xNix), X, 10, 20, 30 ve %40 at. tozları, istisnasız olarak, Şekil 1'de gösterildiği gibi amorf fazın labirent morfolojisine sahiptir.Her bir bileşimin karşılık gelen SADS'sinde ne nokta kırınımı ne de keskin dairesel desenler tespit edilememiştir.Bu, işlenmemiş kristal metalin olmadığını, bunun yerine şekilsiz bir alaşım tozunun oluştuğunu gösterir.Halo difüzyon modellerini gösteren bu ilişkili SADP'ler ayrıca nihai ürün materyalinde amorf fazların gelişimi için kanıt olarak kullanıldı.
Cu50 MS sisteminin (Zr50-xNix) nihai ürününün yerel yapısı.FE-HRTEM ve 50 saatlik MA'dan sonra elde edilen (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 ve (d) Cu50Zr10Ni40'ın ilişkili nano ışın kırınım modelleri (NBDP).
Cu50(Zr50-xNix) amorf sistemdeki Ni(x) içeriğine bağlı olarak diferansiyel tarama kalorimetrisi kullanılarak camsı geçiş sıcaklığı (Tg), aşırı soğutulmuş sıvı bölgesi (ΔTx) ve kristalleşme sıcaklığının (Tx) termal kararlılığı incelenmiştir.(DSC) He gazı akışındaki özellikler.Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20 ve Cu50Zr10Ni40 amorf alaşım tozlarının MA'dan 50 saat sonra elde edilen DSC eğrileri Şekil 1'de gösterilmektedir.sırasıyla 10a, b, e.Şekil 10'da amorf Cu50Zr20Ni30'un DSC eğrisi ayrı ayrı gösterilirken, DSC'de ~700°C'ye ısıtılan bir Cu50Zr30Ni20 örneği Şekil 10g'de gösterilmektedir.
MA'dan 50 saat sonra elde edilen Cu50(Zr50-xNix) MG tozlarının termal kararlılığı, camsı geçiş sıcaklığı (Tg), kristalleşme sıcaklığı (Tx) ve aşırı soğutulmuş sıvı bölgesi (ΔTx) ile belirlenir.50 saat MA'dan sonra Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c) ve (e) Cu50Zr10Ni40 MG alaşım tozlarının diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) tozlarının termogramları.DSC'de ~700°C'ye ısıtılmış bir Cu50Zr30Ni20 örneğinin bir X-ışını kırınım modeli (XRD) (d)'de gösterilmektedir.
Şekil 10'da gösterildiği gibi, farklı nikel konsantrasyonlarına (x) sahip tüm bileşimler için DSC eğrileri, biri endotermik ve diğeri ekzotermik olmak üzere iki farklı durumu göstermektedir.Birinci endotermik olay Tg'ye karşılık gelir ve ikincisi Tx ile ilişkilidir.Tg ve Tx arasında bulunan yatay yayılma alanı, aşırı soğutulmuş sıvı alanı olarak adlandırılır (ΔTx = Tx – Tg).Sonuçlar, 526°C ve 612°C'ye yerleştirilen Cu50Zr40Ni10 numunesinin (Şekil 10a) Tg ve Tx'inin, içeriği (x) %20'ye kadar 482°C ve 563°C'nin düşük sıcaklık tarafına doğru kaydırdığını göstermektedir.Şekil 10b'de gösterildiği gibi sırasıyla artan Ni içeriği (x) ile °C.Sonuç olarak, ΔTx Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20 (Şekil 10b) için 86°С'den (Şekil 10a) 81°С'ye düşer.MC Cu50Zr40Ni10 alaşımı için Tg, Tx ve ΔTx değerlerinde de 447°С, 526°С ve 79°С seviyelerine düşüş gözlemlendi (Şekil 10b).Bu, Ni içeriğindeki bir artışın MS alaşımının termal kararlılığında bir azalmaya yol açtığını gösterir.Aksine, MC Cu50Zr20Ni30 alaşımının Tg (507 °C) değeri, MC Cu50Zr40Ni10 alaşımından daha düşüktür;yine de Tx'i onunla karşılaştırılabilir bir değer gösterir (612 °C).Bu nedenle, ΔTx, şekil 2'de gösterildiği gibi daha yüksek bir değere (87°C) sahiptir.10. yüzyıl
Örnek olarak Cu50Zr20Ni30 MC alaşımını kullanan Cu50(Zr50-xNix) MC sistemi, keskin bir ekzotermik tepe noktası aracılığıyla fcc-ZrCu5, ortorombik-Zr7Cu10 ve ortorombik-ZrNi kristal fazlarına kristalleşir (Şekil 10c).Amorftan kristale bu faz geçişi, DSC'de 700 °C'ye ısıtılmış MG numunesinin (Şekil 10d) X-ışını kırınım analizi ile doğrulandı.
Şek.Şekil 11, mevcut çalışmada gerçekleştirilen soğuk püskürtme işlemi sırasında çekilmiş fotoğrafları göstermektedir.Bu çalışmada, antibakteriyel hammadde olarak 50 saat MA (Cu50Zr20Ni30 kullanılarak) sonrasında sentezlenen metal camsı toz partikülleri kullanılmış ve paslanmaz çelik levha (SUS304) soğuk püskürtme ile kaplanmıştır.Termal püskürtme teknolojisi serisinde kaplama için soğuk püskürtme yöntemi, amorf ve nanokristal tozlar gibi metalik yarı kararlı ısıya duyarlı malzemeler için kullanılabileceği termal püskürtme teknolojisi serisindeki en verimli yöntem olduğu için seçilmiştir.Aşamaya tabi değildir.geçişler.Bu yöntemin seçilmesindeki ana faktör budur.Soğuk biriktirme işlemi, parçacıkların kinetik enerjisini alt tabaka veya daha önce biriktirilmiş parçacıklarla çarptığında plastik deformasyona, deformasyona ve ısıya dönüştüren yüksek hızlı parçacıklar kullanılarak gerçekleştirilir.
Saha fotoğrafları, 550°C'de art arda beş MG/SUS 304 hazırlığı için kullanılan soğuk püskürtme prosedürünü göstermektedir.
Parçacıkların kinetik enerjisi ve kaplamanın oluşumu sırasında her bir parçacığın momentumu, plastik deformasyon (matriksteki birincil parçacıklar ve parçacıklar arası etkileşimler ve parçacıkların etkileşimleri), katıların ara yer düğümleri, parçacıklar arasında dönme, deformasyon ve ısınmayı sınırlandırma gibi mekanizmalar yoluyla başka enerji biçimlerine dönüştürülmelidir. Ek olarak, gelen kinetik enerjinin tamamı termal enerjiye ve deformasyon enerjisine dönüştürülmezse, sonuç elastik bir çarpışma olacaktır, bu da parçacıkların çarpışmadan sonra basitçe sekmeleri anlamına gelir.Parçacık/substrat malzemesine uygulanan darbe enerjisinin %90'ının yerel ısıya 40 dönüştürüldüğü kaydedilmiştir.Ayrıca darbe gerilimi uygulandığında partikül/alt tabaka temas bölgesinde çok kısa sürede yüksek plastik gerinim oranları elde edilir41,42.
Plastik deformasyon genellikle bir enerji dağılımı süreci veya daha doğrusu arayüzey bölgesinde bir ısı kaynağı olarak kabul edilir.Bununla birlikte, arayüzey bölgesindeki sıcaklıktaki artış, arayüzey erimesinin meydana gelmesi veya atomların karşılıklı difüzyonunun önemli ölçüde uyarılması için genellikle yeterli değildir.Yazarlar tarafından bilinen hiçbir yayın, bu metalik camsı tozların özelliklerinin, soğuk püskürtme teknikleri kullanıldığında ortaya çıkan toz yapışması ve çökelmesi üzerindeki etkisini araştırmamıştır.
MG Cu50Zr20Ni30 alaşım tozunun BFI'si, SUS 304 substratı üzerine bırakılan Şekil 12a'da görülebilir (Şekil 11, 12b).Şekilden de görülebileceği gibi, kaplanan tozlar herhangi bir kristal özelliği veya kafes kusuru olmayan hassas bir labirent yapıya sahip oldukları için orijinal amorf yapılarını korumaktadırlar.Öte yandan, görüntü, MG kaplı toz matrisinde bulunan nanoparçacıkların kanıtladığı gibi, yabancı bir fazın varlığını gösterir (Şekil 12a).Şekil 12c, bölge I (Şekil 12a) ile ilişkili indekslenmiş nano-ışın kırınım modelini (NBDP) göstermektedir.Şek.Şekil 12c'de NBDP, amorf yapının zayıf bir halo-difüzyon modelini sergiler ve kristalin büyük kübik metastabil Zr2Ni fazına artı bir tetragonal CuO fazına karşılık gelen keskin noktalarla bir arada bulunur.CuO oluşumu, açık havada süpersonik bir akışta püskürtme tabancasının memesinden SUS 304'e hareket ederken tozun oksidasyonu ile açıklanabilir.Öte yandan, metal camsı tozların devitrifikasyonu, 550°C'de 30 dakika soğuk püskürtme işleminden sonra büyük kübik fazların oluşumuyla sonuçlanmıştır.
(a) (b) SUS 304 substratı (Şekil eki) üzerinde biriken MG tozunun FE-HRTEM görüntüsü.(a)'da gösterilen yuvarlak sembolün NBDP indeksi (c)'de gösterilmiştir.
Büyük kübik Zr2Ni nanopartiküllerin oluşumuna yönelik bu potansiyel mekanizmayı test etmek için bağımsız bir deney gerçekleştirildi.Bu deneyde, tozlar bir püskürtücüden 550°C'de SUS 304 substratı yönünde püskürtüldü;ancak tavlama etkisini belirlemek için tozlar SUS304 şeridinden olabildiğince çabuk (yaklaşık 60 s) çıkarıldı.).Uygulamadan yaklaşık 180 saniye sonra tozun substrattan ayrıldığı başka bir dizi deney gerçekleştirildi.
Şekil 13a,b, sırasıyla 60 saniye ve 180 saniye boyunca SUS 304 substratları üzerinde biriken iki püskürtülmüş malzemenin Taramalı İletim Elektron Mikroskobu (STEM) karanlık alan (DFI) görüntülerini göstermektedir.60 saniye boyunca biriktirilen toz görüntüsü, özelliksizlik gösteren morfolojik ayrıntılardan yoksundur (Şekil 13a).Bu, Şekil 14a'da gösterilen geniş birincil ve ikincil kırınım tepe noktalarının gösterdiği gibi, bu tozların genel yapısının şekilsiz olduğunu gösteren XRD ile de doğrulanmıştır.Bu, tozun orijinal amorf yapısını koruduğu metastabil/mezofaz çökeltilerinin olmadığını gösterir.Buna karşılık, aynı sıcaklıkta (550°C) biriken ancak altlık üzerinde 180 saniye bırakılan toz, Şekil 13b'deki oklarla gösterildiği gibi nano boyutlu taneciklerin biriktiğini gösterdi.