Nature.com'u ziyaret ettiğiniz için teşekkür ederiz. Kullandığınız tarayıcı sürümü sınırlı CSS desteğine sahiptir. En iyi deneyim için, güncellenmiş bir tarayıcı kullanmanızı (veya Internet Explorer'da uyumluluk modunu kapatmanızı) öneririz. Bu arada, sürekli desteği sağlamak için siteyi stiller ve JavaScript olmadan göstereceğiz.
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 oluşturmaktadır. sıcaklığa duyarlı malzemelerin işlenmesi için uygun bir yöntem olduğu için püskürtme teknolojisi artmıştır. Bu çalışmanın amacının bir kısmı, mekanik alaşımlama teknikleri kullanılarak üçlü Cu-Zr-Ni'den oluşan yeni bir antibakteriyel film metalik cam geliştirmekti. Nihai ürünü oluşturan küresel toz, paslanmaz çelik yüzeylerin düşük sıcaklıklarda soğuk sprey kaplaması için bir hammadde olarak kullanılır. Metalik camla kaplanan yüzeyler, paslanmaz çeliğe kıyasla biyofilm oluşumunu en az 1 log önemli ölçüde azaltabildi.
İnsanlık tarihi boyunca, herhangi bir toplum, özel gereksinimlerini karşılayan yeni malzemelerin tanıtımını tasarlayabilmiş ve teşvik edebilmiştir, bu da küreselleşmiş bir ekonomide iyileştirilmiş performans ve sıralama ile sonuçlanmıştır.2 60 yıl boyunca, malzeme bilimcileri zamanlarının çoğunu tek bir ana konuya odaklanmaya adadılar: yeni ve son teknoloji malzemelerin peşinde koşmak. Son araştırmalar, mevcut malzemelerin kalitesini ve performansını artırmanın yanı sıra tamamen yeni malzeme türlerini sentezlemeye ve icat etmeye odaklandı.
Alaşım elementlerinin eklenmesi, malzeme mikro yapısının modifikasyonu ve termal, mekanik veya termo-mekanik işleme tekniklerinin uygulanması, çeşitli farklı malzemelerin mekanik, kimyasal ve fiziksel özelliklerinde önemli gelişmelerle sonuçlanmıştır. Ayrıca, şimdiye kadar duyulmamış bileşikler bu noktada başarılı bir şekilde sentezlenmiştir. Bu ısrarlı çabalar, topluca Gelişmiş Malzemeler olarak bilinen yeni bir yenilikçi malzeme ailesi doğurmuştur2. Nanokristaller, nanopartiküller, nanotüpler, kuantum noktaları, sıfır boyutlu, amorf metalik camlar ve yüksek entropili alaşımlar, geçen yüzyılın ortasından beri dünyaya tanıtılan gelişmiş malzemelerin sadece birkaç örneğidir. Nihai üründe veya üretiminin ara aşamalarında üstün özelliklere sahip yeni alaşımlar üretilirken ve geliştirilirken, genellikle dengesizlik sorunu eklenir. Dengeden önemli ölçüde sapmak için yeni imalat tekniklerinin uygulanmasının 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 %.0 Si oranında camsı Au-25 alaşımlarını sentezlediğinde metal alaşımları konseptinde bir devrim yarattı. tamamen aşağıdaki yöntemlerden biri kullanılarak üretilmiştir;(i) eriyiğin veya buharın hızlı katılaşması, (ii) kafesin atomik düzensizliği, (iii) saf metal elementler arasındaki katı hal amorfizasyon reaksiyonları ve (iv) metastabil fazların katı hal geçişleri.
MG'ler, kristallerin tanımlayıcı bir özelliği olan, kristallerle ilişkili uzun menzilli atomik düzenin olmamasıyla ayırt edilirler. Günümüz dünyasında, metalik cam alanında büyük ilerleme kaydedilmiştir. Bunlar, yalnızca katı hal fiziğinde değil, aynı zamanda metalurji, yüzey kimyası, teknoloji, biyoloji ve diğer pek çok alanda da ilgi çekici özelliklere sahip yeni malzemelerdir. Bu yeni malzeme türü, katı metallerden farklı özellikler sergiler 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 zorlayıcılık, (iv) olağan dışı korozyon direnci, (v) sıcaklıktan bağımsızlık 6,7 iletkenliği.
Mekanik alaşımlama (MA)1,8, nispeten yeni bir tekniktir ve ilk olarak 19839'da Prof. CC Kock ve arkadaşları tarafından tanıtılmıştır. Oda sıcaklığına çok yakın ortam sıcaklıklarında saf elementlerin bir karışımını öğüterek amorf Ni60Nb40 tozları hazırladılar.Tipik olarak MA reaksiyonu, genellikle paslanmaz çelikten yapılmış bir reaktördeki reaktan malzeme tozlarının bir bilyalı değirmene 10 (Şekil 1a, b) difüzyonla bağlanması arasında gerçekleştirilir (Şekil 1a, b). O zamandan beri, bu mekanik olarak indüklenen katı hal reaksiyon tekniği, düşük (Şekil 1c) ve yüksek enerjili bilyalı değirmenlerin yanı sıra çubuk değirmenler11,12,13,14,15,16 kullanılarak yeni amorf/metalik cam alaşımı tozları hazırlamak için kullanılmıştır. bu yöntem, Cu-Ta17 gibi karışmaz sistemlerin yanı sıra Al-geçiş metal sistemleri (TM; Zr, Hf, Nb ve Ta)18,19 ve Fe-W20 gibi geleneksel hazırlama yöntemleri kullanılarak elde edilemeyen yüksek erime noktalı alaşımları hazırlamak için kullanılmıştır. Ayrıca MA, metal oksitler, karbürler, nitrürler, hidritler gibi endüstriyel ölçekte nanokristalin ve nanokompozit toz parçacıklarının hazırlanması için en güçlü nanoteknoloji araçlarından biri olarak kabul edilir. karbon nanotüpler, nanoelmaslar, yanı sıra yukarıdan aşağıya bir yaklaşım 1 ve metastabil aşamalar aracılığıyla geniş stabilizasyon.
Bu çalışmada Cu50(Zr50−xNix) metalik cam (MG) kaplama/SUS 304'ü hazırlamak için kullanılan imalat yöntemini gösteren şematik.(a) Farklı Ni konsantrasyonları x (x; 10, 20, 30 ve 40 at.%) ile MG alaşım tozlarının düşük enerjili bilyeli öğütme tekniği kullanılarak hazırlanması.(a) Başlangıç ​​malzemesi alet çelik bilyalarla birlikte bir alet silindirine yüklenir ve (b) He atmosferi ile dolu bir torpido gözünde kapatılır.(c) Öğütme sırasında bilya hareketini gösteren şeffaf bir öğütme teknesi modeli. 50 saat sonra elde edilen tozun nihai ürünü, soğuk püskürtme yöntemi (d) kullanılarak SUS 304 substratını kaplamak için kullanıldı.
Dökme malzeme yüzeyleri (substratlar) söz konusu olduğunda, yüzey mühendisliği, orijinal dökme malzemede bulunmayan belirli fiziksel, kimyasal ve teknik nitelikleri sağlamak için yüzeylerin (substratlar) tasarımını ve modifikasyonunu içerir. Yüzey işlemleriyle etkili bir şekilde iyileştirilebilen bazı özellikler arasında aşınma direnci, oksidasyon ve korozyon direnci, sürtünme katsayısı, biyolojik inertlik, elektriksel özellikler ve ısı yalıtımı sayılabilir. Yüzey kalitesi, metalürjik, mekanik veya kimyasal teknikler kullanılarak iyileştirilebilir. Bu nedenle, kaplamalar kısmen istenen bazı teknik veya dekoratif özellikleri elde etmek ve aynı zamanda malzemeleri çevreleyen ortamla beklenen kimyasal ve fiziksel etkileşimlerden korumak için kullanılır23.
Birkaç mikrometreden (10-20 mikrometrenin altında) 30 mikrometreye ve hatta birkaç milimetreye kadar değişen kalınlıklarda uygun yüzey koruma katmanlarını biriktirmek için birçok yöntem ve teknik uygulanabilir. Genel olarak, kaplama işlemleri iki kategoriye ayrılabilir: (i) galvanik kaplama, elektriksiz kaplama ve sıcak daldırma galvanizleme yöntemleri dahil olmak üzere ıslak kaplama yöntemleri ve (ii) lehimleme, yüzey kaplama, fiziksel buhar biriktirme (PVD), kimyasal buhar biriktirme (CVD), termal püskürtme teknikleri ve daha yakın zamanda soğuk püskürtme teknikleri 24 (Şekil 1d).
Biyofilmler, yüzeylere geri döndürülemez şekilde bağlanan ve kendi ürettikleri hücre dışı polimerlerle (EPS) çevrili mikrobiyal topluluklar olarak tanımlanır. Yüzeysel olarak olgun biyofilm oluşumu, gıda endüstrisi, su sistemleri ve sağlık hizmetleri ortamları dahil olmak üzere birçok endüstriyel sektörde önemli kayıplara yol açabilir. Planktonik bakteri hücrelerine kıyasla antibiyotik tedavisine karşı 00 kat daha dirençlidir ve bu, büyük bir terapötik zorluk olarak kabul edilir. Geleneksel organik bileşiklerden türetilen antimikrobiyal yüzey kaplama malzemeleri tarihsel olarak kullanılmıştır. Bu tür malzemeler genellikle insanlar için potansiyel olarak riskli olan toksik bileşenler içermesine rağmen,25,26 bakteriyel bulaşmayı ve malzeme tahribatını önlemeye yardımcı olabilir.
Bakterilerin biyofilm oluşumu nedeniyle antibiyotik tedavilerine karşı yaygın direnci, güvenli bir şekilde uygulanabilecek etkili bir antimikrobiyal membran kaplı yüzey geliştirme ihtiyacına yol açmıştır27. Bakteri hücrelerinin bağlanması ve yapışma nedeniyle biyofilmler oluşturmasının engellendiği fiziksel veya kimyasal yapışma önleyici bir yüzeyin geliştirilmesi, bu süreçteki ilk yaklaşımdır27. İkinci teknoloji, antimikrobiyal kimyasalların tam olarak ihtiyaç duydukları yere, yüksek konsantrasyonda ve özel miktarlarda verilmesini sağlayan kaplamalar geliştirmektir. Bu, grafik gibi benzersiz kaplama malzemeleri geliştirerek elde edilir. bakterilere dirençli ene/germanium28, siyah elmas29 ve ZnO katkılı elmas benzeri karbon kaplamalar30, biyofilm oluşumu nedeniyle Toksisiteyi ve direnç gelişimini en üst düzeye çıkaran bir teknoloji önemli ölçüde azalır. Ayrıca, bakteriyel kontaminasyona karşı uzun süreli koruma sağlamak için yüzeylere mikrop öldürücü kimyasallar dahil eden kaplamalar daha popüler hale gelmektedir.
Halihazırda piyasada bulunan ürünler, biyolojik olarak aktif bileşenler için koruyucu kaplamaları analiz etmek ve test etmek için yetersiz zaman nedeniyle engellenmektedir. Şirketler, ürünlerinin kullanıcılara arzu edilen işlevsel özellikler sağlayacağını iddia etmektedir;ancak bu, şu anda piyasada bulunan ürünlerin başarısının önünde bir engel olmuştur. Gümüşten elde edilen bileşikler, şu anda tüketicilere sunulan antimikrobiyal tedavilerin büyük çoğunluğunda kullanılmaktadır. Bu ürünler, kullanıcıları mikroorganizmaların potansiyel olarak tehlikeli etkilerinden korumak için geliştirilmiştir. Gümüş bileşiklerinin gecikmeli antimikrobiyal etkisi ve buna bağlı toksisitesi, araştırmacıların üzerindeki daha az zararlı bir alternatif geliştirme baskısını artırır36,37. İç ve dış mekanlarda çalışan küresel bir antimikrobiyal kaplama oluşturmak hala göz korkutucu bir iştir. hem sağlık hem de güvenlik. İnsanlar için daha az zararlı olan bir antimikrobiyal maddenin keşfedilmesi ve bunun daha uzun bir raf ömrüne sahip kaplama alt tabakalarına nasıl dahil edileceğinin bulunması çok rağbet gören bir hedeftir38. En yeni antimikrobiyal ve anti-biyofilm malzemeleri, doğrudan temas yoluyla veya aktif madde salındıktan sonra bakterileri yakın mesafeden öldürmek üzere tasarlanmıştır. Bunu, ilk bakteriyel yapışmayı engelleyerek (yüzeyde bir protein tabakasının oluşumunu engellemek dahil) veya hücre duvarına müdahale ederek bakterileri öldürerek yapabilirler.
Temel olarak, yüzey kaplama, yüzeyle ilgili nitelikleri geliştirmek için bir bileşenin yüzeyine başka bir katman yerleştirme işlemidir. Yüzey kaplamanın amacı, bileşenin yüzeye yakın bölgesinin mikro yapısını ve/veya bileşimini uyarlamaktır39. Yüzey kaplama teknikleri, Şekil 2a'da özetlenen farklı yöntemlere ayrılabilir. Kaplamalar, kaplamayı oluşturmak için kullanılan yönteme bağlı olarak termal, kimyasal, fiziksel ve elektrokimyasal kategorilere ayrılabilir.
(a) Yüzey için kullanılan ana imalat tekniklerini gösteren ek ve (b) soğuk püskürtme tekniğinin seçilmiş avantaj ve dezavantajları.
Soğuk püskürtme teknolojisi, geleneksel termal püskürtme yöntemleriyle pek çok benzerliği paylaşır. Bununla birlikte, soğuk püskürtme işlemini ve soğuk püskürtme malzemelerini benzersiz kılan bazı temel temel özellikler de vardır. Soğuk püskürtme teknolojisi henüz emekleme aşamasındadır, ancak parlak bir geleceği vardır. nanokristaller, nanoparçacıklar, amorf ve metalik camlar40, 41, 42 gibi sıcaklığa çok duyarlı malzemeler için40, 41, 42.Ayrıca, termal püskürtme kaplama malzemeleri her zaman yüksek düzeyde gözeneklilik ve oksitler sergiler. Soğuk püskürtme teknolojisinin termal püskürtme teknolojisine göre (i) alt tabakaya minimum ısı girişi, (ii) alt tabaka kaplama seçeneklerinde esneklik, (iii) faz dönüşümü ve tanecik büyümesinin olmaması, (iv) yüksek bağ kuvveti gibi birçok önemli avantajı vardır1,39 (Şekil.2b).Ayrıca, soğuk püskürtme kaplama malzemeleri yüksek korozyon direncine, yüksek mukavemete ve sertliğe, yüksek elektrik iletkenliğine ve yüksek yoğunluğa sahiptir.41. Soğuk püskürtme işleminin avantajlarının aksine, Şekil 2b'de gösterildiği gibi, bu tekniği kullanmanın bazı dezavantajları vardır. Al2O3, TiO2, ZrO2, WC vb. diğer termal püskürtme yöntemleri.Karmaşık yüzeyler ve boru iç yüzeylerinin püskürtülmesi hala zordur.
Mevcut çalışmanın ham kaplama malzemesi olarak metalik camsı tozları kullanmayı amaçladığı göz önüne alındığında, geleneksel termal püskürtmenin bu amaçla 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 arasında krom içeriğine sahip östenitik paslanmaz çelik alaşımlarından (SUS316 ve SUS304) yapılır. Çelik alaşımlarında bir alaşım elementi olarak krom metalinin kullanılmasının, standart çelik alaşımlarının korozyon direncini büyük ölçüde artırabileceği genellikle kabul edilir. Paslanmaz çelik alaşımları, yüksek korozyon dirençlerine rağmen, önemli antimikrobiyal özellikler sergilemezler38,39. yüksek korozyon direnci ile tezat oluşturur. Bundan sonra, paslanmaz çelik biyomalzemelerin yüzeyinde esas olarak bakteri yapışması ve kolonizasyonundan kaynaklanan enfeksiyon ve iltihaplanma gelişimi tahmin edilebilir. Bakteriyel yapışma ve biyofilm oluşum yollarıyla ilgili önemli zorluklar nedeniyle önemli zorluklar ortaya çıkabilir, bu da sağlığın bozulmasına neden olabilir ve bu da insan sağlığını doğrudan veya dolaylı olarak etkileyebilecek birçok sonucu olabilir.
Bu çalışma, antibakteriyel film/SUS304 yüzey koruma kaplaması üretimi için MA teknolojisi (Tablo 1) kullanılarak metalik camsı Cu-Zr-Ni üçlü tozlar üretmenin fizibilitesini araştırmak üzere Kuveyt Bilimi Geliştirme Vakfı (KFAS), Sözleşme No. 2010-550401 tarafından finanse edilen bir projenin ilk aşamasıdır. detaylı olarak anlatılacaktır. Farklı bakteri türleri için detaylı mikrobiyolojik testler yapılacaktır.
Bu yazıda, Zr alaşım elementi içeriğinin cam şekillendirme kabiliyeti (GFA) üzerindeki etkisi morfolojik ve yapısal özelliklere dayalı olarak tartışılmıştır. Ek olarak, kaplanmış metalik cam tozu kaplama/SUS304 kompozitinin antibakteriyel özellikleri de tartışılmıştır. Ayrıca, fabrikasyon metalik cam sistemlerinin aşırı soğutulmuş sıvı bölgesinde soğuk püskürtme sırasında meydana gelen metalik cam tozlarının yapısal dönüşüm olasılığını araştırmak için mevcut çalışma yapılmıştır. Temsili örnekler olarak, Cu50Zr30Ni20 ve Cu50Zr20 Bu çalışmada Ni30 metalik cam alaşımları kullanılmıştır.
Bu bölümde, düşük enerjili bilyeli öğütmede temel Cu, Zr ve Ni tozlarının morfolojik değişimleri sunulmaktadır. Açıklayıcı örnekler olarak, Cu50Zr20Ni30 ve Cu50Zr40Ni10'dan oluşan iki farklı sistem temsili örnekler olarak kullanılacaktır. Öğütme aşamasında üretilen tozun metalografik karakterizasyonu ile gösterildiği gibi, MA işlemi üç farklı aşamaya ayrılabilir (Şekil 3).
Bilyalı öğütme süresinin farklı aşamalarından sonra elde edilen mekanik alaşım (MA) tozlarının metalografik özellikleri. MA ve Cu50Zr40Ni10 tozlarının 3, 12 ve 50 saatlik düşük enerjili bilyeli öğütme sürelerinden sonra elde edilen alan emisyon taramalı elektron mikroskobu (FE-SEM) görüntüleri Cu50Zr20Ni30 sistemi için (a), (c) ve (e)'de gösterilirken, aynı MA'da Cu50Zr40Ni10'un karşılık gelen görüntüleri zamandan sonra alınan sistem (b), (d) ve (f)'de gösterilmiştir.
Bilyeli öğütme sırasında, metal tozuna aktarılabilen etkili kinetik enerji, Şekil 1a'da gösterildiği gibi, parametrelerin kombinasyonundan etkilenir. Bu, bilyeler ve tozlar arasındaki çarpışmaları, öğütme ortamları arasına veya arasına sıkışmış tozun sıkıştırarak kesilmesini, düşen bilyaların etkisini, hareketli bilyeli öğütme ortamları arasındaki toz sürüklenmesinden kaynaklanan kayma ve aşınmayı ve ekin yüklerinden yayılan düşen topları (Şekil 1a) içinden geçen şok dalgasını içerir. Elemental Cu, Zr ve Ni tozları, erken aşamada soğuk kaynak nedeniyle ciddi biçimde deforme olmuştur. Bu büyük kompozit parçacıklar, Şekil 3a,b'de gösterildiği gibi kalın alaşım elementi katmanlarının (Cu, Zr, Ni) oluşumu ile karakterize edilir. MA süresinin 12 saate çıkarılması (ara aşama), bilyalı değirmenin kinetik enerjisinde bir artışla sonuçlanarak, bileşik tozun Şekil 3c,d'de gösterildiği gibi daha ince tozlara (200 µm'den az) ayrışmasına neden oldu. 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.
MA işleminin doruk noktasında (50 saat sonra), pul pul metalografi yalnızca hafifçe görülebiliyordu (Şekil 3e,f), ancak tozun parlatılmış yüzeyi ayna metalografisini gösterdi. Bu, MA işleminin tamamlandığı ve tek bir reaksiyon fazının yaratıldığı anlamına gelir. Şekil 3e (I, II, III), f, v, vi)'de indekslenen bölgelerin temel bileşimi, enerji dağıtıcı X ile birleştirilmiş alan emisyon taramalı elektron mikroskobu (FE-SEM) kullanılarak belirlendi. -ışını spektroskopisi (EDS) (IV).
Tablo 2'de, alaşım elementlerinin element konsantrasyonları, Şekil 3e,f'de seçilen her bölgenin toplam ağırlığının yüzdesi olarak gösterilmektedir. Bu sonuçlar, Tablo 1'de listelenen Cu50Zr20Ni30 ve Cu50Zr40Ni10'un başlangıç ​​nominal bileşimleri ile karşılaştırıldığında, bu iki nihai ürünün bileşimlerinin, nominal bileşimlere çok benzer değerlere sahip olduğu görülebilir. Ayrıca, Şekil 3e,f'de listelenen bölgeler için nispi bileşen değerleri yoktur. bir bölgeden diğerine her numunenin bileşiminde önemli bir bozulma veya dalgalanma anlamına gelir. Bu, bir bölgeden diğerine bileşimde değişiklik olmaması gerçeğiyle kanıtlanır. Bu, Tablo 2'de gösterildiği gibi homojen alaşım tozlarının üretimine işaret eder.
Nihai ürün Cu50(Zr50−xNix) tozunun FE-SEM mikrografları, Şekil 4a-d'de gösterildiği gibi 50 MA süresinden sonra elde edildi; burada x, sırasıyla %10, 20, 30 ve %40'tır. Bu öğütme adımından sonra, van der Waals etkisi nedeniyle toz toplanır ve gösterildiği gibi çapları 73 ila 126 nm arasında değişen ultra ince parçacıklardan oluşan büyük agregaların oluşumuyla sonuçlanır. Şekil 4'te.
50 saatlik MA süresinden sonra elde edilen Cu50(Zr50−xNix) tozlarının morfolojik özellikleri Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40 sistemleri için 50 MA süresinden sonra elde edilen tozların FE-SEM görüntüleri sırasıyla (a), (b), (c) ve (d)'de gösterilmiştir.
Tozlar soğuk sprey besleyiciye yüklenmeden önce, önce 15 dakika analitik dereceli etanolde sonike edildi ve ardından 150°C'de 2 saat kurutuldu. Kaplama işlemi boyunca sıklıkla birçok önemli soruna neden olan topaklanmayla başarılı bir şekilde mücadele etmek için bu adım atılmalıdır. MA işlemi tamamlandıktan sonra, alaşım tozlarının homojenliğini araştırmak için başka karakterizasyonlar gerçekleştirildi. Şekil 5a-d, Cu, Zr'nin FE-SEM mikrograflarını ve karşılık gelen EDS görüntülerini göstermektedir. Cu50Zr30Ni20 alaşımının sırasıyla 50 saatlik M süresinden sonra elde edilen ve Ni alaşım elementleri. Bu aşamadan sonra üretilen alaşım tozlarının, Şekil 5'te gösterildiği gibi nanometre altı seviyenin ötesinde herhangi bir bileşim dalgalanması göstermediğinden homojen olduklarına dikkat edilmelidir.
FE-SEM/enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi (EDS) ile 50 MA süresinden sonra elde edilen MG Cu50Zr30Ni20 tozunun morfolojisi ve yerel element dağılımı.
50 saatlik MA süresinden sonra elde edilen mekanik alaşımlı Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30 ve Cu50Zr20Ni30 tozlarının XRD desenleri sırasıyla Şekil 6a-d'de gösterilmektedir. Bu öğütme aşamasından sonra, farklı Zr konsantrasyonlarına sahip tüm numuneler, Şekil 6'da gösterilen karakteristik halo difüzyon modellerine sahip amorf yapılar gösterdi.
50 saatlik MA süresinden sonra (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 ve (d) Cu50Zr20Ni30 tozlarının XRD desenleri. İstisnasız tüm numuneler, amorf bir fazın oluşumunu ima eden bir halo difüzyon modeli gösterdi.
Alan emisyonu yüksek çözünürlüklü iletim elektron mikroskopisi (Fe-HRTEM), yapısal değişiklikleri gözlemlemek ve farklı MA zamanlarında bilyalı öğütme işleminden kaynaklanan tozların lokal yapısını anlamak için kullanıldı. Ma 6 saat sonra üretilen tozun parlak alan görüntüsüne (BFI), toz, FCC-CU, HCP-ZR ve FCC-Ni elementlerinin iyi tanımlanmış sınırları olan büyük tanelerden oluşur ve reaksiyon aşamasının, Şekil 7A'da gösterildiğine dair hiçbir işaret yoktur. ), büyük kristalitlerin varlığını ve reaktif bir fazın olmadığını gösterir.
Erken (6 saat) ve ara (18 saat) aşamalardan sonra elde edilen MA tozunun yerel yapısal karakterizasyonu. (a) Alan emisyonlu yüksek çözünürlüklü transmisyon elektron mikroskobu (FE-HRTEM) ve (b) 6 saat MA işleminden sonra Cu50Zr30Ni20 tozunun karşılık gelen seçilmiş alan kırınım modeli (SADP). 18 saatlik MA süresinden sonra elde edilen Cu50Zr40Ni10'un FE-HRTEM görüntüsü (c)'de gösterilmiştir.
Şekil 7c'de gösterildiği gibi, MA süresinin 18 saate uzatılması, plastik deformasyonla birlikte ciddi kafes kusurlarına neden oldu. MA işleminin bu ara aşaması sırasında, toz, istifleme hataları, kafes kusurları ve nokta kusurları dahil olmak üzere çeşitli kusurlar sergiler (Şekil 7). Bu kusurlar, büyük tanelerin tane sınırları boyunca 20 nm'den küçük alt taneciklere ayrılmasına neden olur (Şekil 7c).
36 saat MA süresi boyunca öğütülen Cu50Z30Ni20 tozunun yerel yapısı, Şekil 8a'da gösterildiği gibi, şekilsiz bir ince matris içine gömülmüş ultra ince nano taneciklerin oluşumuna sahiptir. Yerel EDS analizi, Şekil 8a'da gösterilen bu nanokümelerin işlenmemiş Cu, Zr ve Ni toz alaşım elementleriyle ilişkili olduğunu göstermiştir. (zengin alan), heterojen ürünlerin oluşumunu gösterir. Ayrıca, bu aşamada öğütme sonrasında elde edilen tozların karşılık gelen SADP'leri, Şekil 8b'de gösterildiği gibi, bu ham alaşım elementleriyle ilişkili keskin noktalarla örtüşen, amorf fazın halo difüzyonlu birincil ve ikincil halkalarını gösterir.
36 h-Cu50Zr30Ni20 tozunun ötesinde yerel yapısal özellikler.(a) Parlak alan görüntüsü (BFI) ve karşılık gelen (b) Cu50Zr30Ni20 tozunun 36 h MA süresi boyunca öğütme işleminden sonra elde edilen SADP'si.
MA işleminin sonuna doğru (50 saat), Cu50(Zr50−xNix), X;%10, 20, 30 ve 40 at.% tozları, Şekil 9a-d'de gösterildiği gibi, her zaman bir labirent amorf faz morfolojisine sahiptir. nihai ürün materyalinde amorf fazların gelişimi.
MG Cu50 (Zr50−xNix) sisteminin 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 nanoışın kırınım modelleri (NBDP).
Amorf Cu50(Zr50−xNix) sisteminin Ni içeriğinin (x) bir fonksiyonu olarak cam geçiş sıcaklığının (Tg), aşırı soğutulmuş sıvı bölgesinin (ΔTx) ve kristalleşme sıcaklığının (Tx) termal kararlılığı, He gazı akışı altındaki özelliklerin diferansiyel tarama Kalorimetrisi (DSC) kullanılarak incelenmiştir. Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20 ve Cu50Zr10Ni40 amorfun DSC izleri 50 saatlik MA süresinden sonra elde edilen alaşım tozları sırasıyla Şekil 10a, b, e'de gösterilmektedir. Şekil 10c'de amorf Cu50Zr20Ni30'un DSC eğrisi ayrı ayrı gösterilirken, bu arada DSC'de ~700 °C'ye ısıtılan Cu50Zr30Ni20 numunesi Şekil 10d'de gösterilmektedir.
50 saatlik MA süresinden sonra elde edilen Cu50(Zr50−xNix) MG tozlarının cam geçiş sıcaklığı (Tg), kristalleşme sıcaklığı (Tx) ve aşırı soğutulmuş sıvı bölgesi (ΔTx) ile indekslendiği şekilde termal stabilitesi. ) 50 saatlik MA süresinden sonra Cu50Zr10Ni40 MG alaşım tozları. DSC'de ~700 °C'ye ısıtılan Cu50Zr30Ni20 numunesinin X-ışını kırınım (XRD) modeli (d)'de gösterilmiştir.
Şekil 10'da gösterildiği gibi, farklı Ni konsantrasyonlarına (x) sahip tüm bileşimlerin DSC eğrileri, biri endotermik ve diğeri ekzotermik olmak üzere iki farklı durumu gösterir. İlk endotermik olay Tg'ye karşılık gelirken, ikincisi Tx ile ilişkilidir. Tg ve Tx arasında bulunan yatay yayılma bölgesi, aşırı soğutulmuş sıvı bölgesi (ΔTx = Tx – Tg) olarak adlandırılır. Sonuçlar, Cu50Zr40Ni10 numunesinin Tg ve Tx'inin (Şekil 1) olduğunu gösterir. 0a), 526°C ve 612°C'ye yerleştirilmiş, Şekil 10b'de gösterildiği gibi, artan Ni içeriği (x) ile sırasıyla 482°C ve 563°C'nin düşük sıcaklık tarafına doğru içeriği (x) %20'ye kaydırın. Sonuç olarak, Cu50Zr40Ni10'un ΔTx'i Cu50Zr30Ni için 86 °C'den (Şekil 10a) 81 °C'ye düşer 20 (Şekil 10b).MG Cu50Zr40Ni10 alaşımı için Tg, Tx ve ΔTx değerlerinin de 447°C, 526°C ve 79°C (Şekil 10b) seviyelerine düştüğü gözlenmiştir. Bu durum Ni içeriğindeki artışın MG alaşımının termal kararlılığında azalmaya yol açtığını göstermektedir. Buna karşılık MG Cu50Zr'nin Tg değeri (507 °C) 20Ni30 alaşımı, MG Cu50Zr40Ni10 alaşımından daha düşüktür;yine de, Tx'i öncekine (612 °C) benzer bir değer gösterir. Bu nedenle, ΔTx, Şekil 10c'de gösterildiği gibi daha yüksek bir değer (87 °C) gösterir.
MG Cu50Zr20Ni30 alaşımını örnek alan MG Cu50(Zr50−xNix) sistemi, keskin bir ekzotermik tepe noktası aracılığıyla fcc-ZrCu5, ortorombik-Zr7Cu10 ve ortorombik-ZrNi kristal fazlarına kristalleşir (Şekil 10c). Bu amorftan kristal faza geçiş, MG örneğinin XRD'si ile doğrulandı (Şekil 10d), DSC içinde 700 °C'ye ısıtıldı.
Şekil 11, mevcut çalışmada gerçekleştirilen soğuk püskürtme işlemi sırasında çekilmiş fotoğrafları göstermektedir. Bu çalışmada, antibakteriyel hammadde olarak 50 saatlik MA süresinden sonra (Cu50Zr20Ni30 örnek alınarak) sentezlenen metal cam benzeri toz parçacıkları kullanılmış ve paslanmaz çelik levha (SUS304) soğuk püskürtme teknolojisi ile kaplanmıştır. Termal püskürtme serisinde en verimli yöntem olması ve metal yarı kararlı sıcaklık için kullanılabilmesi nedeniyle termal püskürtme teknolojisi serisinde kaplama için soğuk püskürtme yöntemi seçilmiştir. faz geçişlerine tabi olmayan amorf ve nanokristal tozlar gibi hassas malzemeler. Bu yöntemin seçilmesindeki ana faktör budur. Soğuk püskürtme işlemi, parçacıkların kinetik enerjisini alt tabaka veya daha önce çökelmiş parçacıklarla çarpma anında plastik deformasyona, gerilmeye ve ısıya dönüştüren yüksek hızlı parçacıklar kullanılarak gerçekleştirilir.
Saha fotoğrafları, 550 °C'de art arda beş MG kaplama/SUS 304 hazırlığı için kullanılan soğuk püskürtme prosedürünü göstermektedir.
Parçacıkların kinetik enerjisi ve dolayısıyla kaplama oluşumundaki her bir parçacığın momentumu, plastik deformasyon (alt tabakadaki ilk parçacık ve parçacık-parçacık etkileşimleri ve parçacık etkileşimleri), boşluklar Konsolidasyon, parçacık-parçacık dönüşü, gerinim ve nihayetinde ısı gibi mekanizmalar aracılığıyla diğer enerji biçimlerine dönüştürülmelidir. parçacık/substrat malzemesine uygulanan darbe enerjisi yerel ısıya 40 dönüştürülür.Ayrıca darbe gerilimi uygulandığında, temas partikül/substrat bölgesinde çok kısa sürede yüksek plastik gerinim oranları elde edilir41,42.
Plastik deformasyon genellikle bir enerji dağılımı süreci veya daha özel olarak arayüzey bölgesindeki bir ısı kaynağı olarak kabul edilir. Bununla birlikte, arayüz bölgesindeki sıcaklık artışı genellikle arayüzey erimesini sağlamak veya atomik interdifüzyonu önemli ölçüde desteklemek için yeterli değildir.
SUS 304 substrat üzerine kaplanmış MG Cu50Zr20Ni30 alaşım tozunun BFI'si Şekil 12a'da görülebilir (Şekil 11, 12b). Şekilden de görülebileceği gibi, kaplanmış tozlar herhangi bir kristal özelliği veya kafes kusuru olmayan hassas bir labirent yapıya sahip oldukları için orijinal amorf yapılarını korurlar. kaplanmış toz matrisi (Şekil 12a). Şekil 12c, bölge I (Şekil 12a) ile ilişkili dizinlenmiş nanoışın kırınım modelini (NBDP) göstermektedir. Şekil 12c'de gösterildiği gibi, NBDP, amorf yapının zayıf bir halo difüzyon modelini sergiler ve kristalin büyük kübik Zr2Ni metastabil artı tetragonal CuO fazına karşılık gelen keskin yamalar ile bir arada bulunur. CuO oluşumu, tozun sprey nozulundan hareket ederken oksidasyonuna bağlanabilir. tabancayı açık havada süpersonik akış altında SUS 304'e püskürtün. Öte yandan, metalik camsı tozların devitrifikasyonu, 550 °C'de 30 dakika soğuk püskürtme işleminden sonra büyük kübik fazların oluşumunu sağladı.
(a) (b) SUS 304 substrat (şeklin eki) üzerine kaplanmış MG tozunun FE-HRTEM görüntüsü. (a)'da gösterilen dairesel sembolün NBDP indeksi (c)'de gösterilmiştir.
Büyük kübik Zr2Ni nanopartiküllerin oluşumuna yönelik bu potansiyel mekanizmayı doğrulamak için bağımsız bir deney gerçekleştirildi. Bu deneyde, tozlar bir püskürtme tabancasından 550 °C'de SUS 304 substratı yönünde püskürtüldü;bununla birlikte, tozların tavlama etkisini aydınlatmak için, bunlar SUS304 şeridinden mümkün olduğu kadar çabuk (yaklaşık 60 saniye) çıkarıldı. Biriktirmeden yaklaşık 180 saniye sonra tozun substrattan çıkarıldığı başka bir dizi deney gerçekleştirildi.
Şekil 13a,b, sırasıyla 60 saniye ve 180 saniye boyunca SUS 304 substratları üzerine bırakılan iki püskürtülmüş malzemenin transmisyon elektron mikroskobunun (STEM) taranmasıyla elde edilen karanlık alan görüntülerini (DFI) göstermektedir. 60 saniye boyunca biriktirilen toz görüntüsünün hiçbir morfolojik detayı yoktur ve özelliksizlik gösterir (Şekil 13a). Bu ayrıca, geniş birincil ve ikincil difra ile belirtildiği gibi, bu tozların genel yapısının amorf olduğunu gösteren XRD tarafından da doğrulanmıştır. Şekil 14a'da gösterilen hareket maksimumları. Bunlar, tozun orijinal amorf yapısını koruduğu yarı kararlı/mezofaz çökelmesinin olmadığını gösterir. Buna karşılık, aynı sıcaklıkta (550 °C) püskürtülen ancak alt tabaka üzerinde 180 saniye bırakılan toz, Şekil 13b'deki oklarla gösterildiği gibi nano boyutlu tanelerin çökeldiğini gösterdi.