Cảm ơn bạn đã ghé thăm Nature.com.Phiên bản trình duyệt bạn đang sử dụng có hỗ trợ CSS hạn chế.Để có trải nghiệm tốt nhất, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng trình duyệt cập nhật (hoặc tắt Chế độ tương thích trong Internet Explorer).Trong thời gian chờ đợi, để đảm bảo hỗ trợ liên tục, chúng tôi sẽ hiển thị trang web không có kiểu và JavaScript.
Màng sinh học là một thành phần quan trọng trong sự phát triển của các bệnh nhiễm trùng mãn tính, đặc biệt là khi nói đến các thiết bị y tế.Vấn đề này là một thách thức lớn đối với cộng đồng y tế, vì thuốc kháng sinh tiêu chuẩn chỉ có thể phá hủy màng sinh học ở một mức độ rất hạn chế.Việc ngăn chặn sự hình thành màng sinh học đã dẫn đến sự phát triển của nhiều phương pháp phủ và vật liệu mới.Những kỹ thuật này nhằm phủ bề mặt theo cách ngăn chặn sự hình thành màng sinh học.Các hợp kim kim loại thủy tinh, đặc biệt là những hợp kim có chứa kim loại đồng và titan, đã trở thành lớp phủ kháng khuẩn lý tưởng.Đồng thời, việc sử dụng công nghệ phun lạnh đã tăng lên vì đây là phương pháp phù hợp để xử lý các vật liệu nhạy cảm với nhiệt độ.Một phần mục tiêu của nghiên cứu này là phát triển một loại thủy tinh kim loại màng kháng khuẩn mới bao gồm Cu-Zr-Ni bậc ba bằng cách sử dụng các kỹ thuật hợp kim cơ học.Bột hình cầu tạo nên sản phẩm cuối cùng được sử dụng làm nguyên liệu để phun nguội bề mặt thép không gỉ ở nhiệt độ thấp.Chất nền phủ thủy tinh kim loại có thể làm giảm đáng kể sự hình thành màng sinh học ít nhất 1 log so với thép không gỉ.
Trong suốt lịch sử nhân loại, bất kỳ xã hội nào cũng có thể phát triển và thúc đẩy việc giới thiệu các vật liệu mới để đáp ứng các yêu cầu cụ thể của mình, dẫn đến tăng năng suất và xếp hạng trong nền kinh tế toàn cầu hóa1.Nó luôn được cho là do khả năng của con người trong việc thiết kế vật liệu và thiết bị sản xuất, cũng như thiết kế để sản xuất và mô tả vật liệu để đạt được mục tiêu y tế, giáo dục, công nghiệp, kinh tế, văn hóa và các lĩnh vực khác từ quốc gia này sang quốc gia khác hoặc khu vực khác.Tiến độ được đo lường bất kể quốc gia hay khu vực2.Trong 60 năm, các nhà khoa học vật liệu đã dành nhiều thời gian cho một nhiệm vụ chính: tìm kiếm vật liệu mới và tiên tiến.Nghiên cứu gần đây đã tập trung vào việc cải thiện chất lượng và hiệu suất của các vật liệu hiện có, cũng như tổng hợp và phát minh ra các loại vật liệu hoàn toàn mới.
Việc bổ sung các nguyên tố hợp kim, sửa đổi cấu trúc vi mô của vật liệu và áp dụng các phương pháp xử lý nhiệt, cơ học hoặc cơ nhiệt đã dẫn đến sự cải thiện đáng kể về tính chất cơ học, hóa học và vật lý của các vật liệu khác nhau.Ngoài ra, các hợp chất chưa biết cho đến nay đã được tổng hợp thành công.Những nỗ lực bền bỉ này đã tạo ra một dòng vật liệu sáng tạo mới được gọi chung là Vật liệu nâng cao2.Tinh thể nano, hạt nano, ống nano, chấm lượng tử, kính kim loại không chiều, vô định hình và hợp kim entropy cao chỉ là một số ví dụ về vật liệu tiên tiến đã xuất hiện trên thế giới từ giữa thế kỷ trước.Trong quá trình sản xuất và phát triển các hợp kim mới với các đặc tính được cải thiện, cả trong sản phẩm cuối cùng và trong các giai đoạn trung gian của quá trình sản xuất, vấn đề mất cân bằng thường được thêm vào.Do sự ra đời của các kỹ thuật sản xuất mới cho phép tạo ra những sai lệch đáng kể so với trạng thái cân bằng, một loại hợp kim siêu bền hoàn toàn mới, được gọi là kính kim loại, đã được phát hiện.
Công trình của ông tại Caltech vào năm 1960 đã cách mạng hóa khái niệm về hợp kim kim loại khi ông tổng hợp Au-25 ở mức .%Si hợp kim thủy tinh bằng cách hóa rắn nhanh chất lỏng ở gần một triệu độ mỗi giây.4 Khám phá của Giáo sư Paul Duves không chỉ đánh dấu sự khởi đầu của lịch sử kính kim loại (MS), mà còn dẫn đến sự thay đổi mô hình trong cách mọi người nghĩ về hợp kim kim loại.Kể từ nghiên cứu tiên phong đầu tiên trong việc tổng hợp các hợp kim MS, hầu hết tất cả các loại kính kim loại đều được thu được hoàn toàn bằng một trong các phương pháp sau: (i) hóa rắn nhanh chất nóng chảy hoặc hơi, (ii) rối loạn mạng nguyên tử, (iii) phản ứng vô định hình ở trạng thái rắn giữa các nguyên tố kim loại nguyên chất và (iv) chuyển pha rắn của các pha siêu bền.
MG được phân biệt bởi sự vắng mặt của trật tự nguyên tử tầm xa liên quan đến tinh thể, đây là đặc điểm xác định của tinh thể.Trong thế giới hiện đại, tiến bộ lớn đã được thực hiện trong lĩnh vực thủy tinh kim loại.Đây là những vật liệu mới với những đặc tính thú vị không chỉ được quan tâm đối với vật lý chất rắn mà còn đối với luyện kim, hóa học bề mặt, công nghệ, sinh học và nhiều lĩnh vực khác.Loại vật liệu mới này có các đặc tính khác với kim loại cứng, khiến nó trở thành một ứng cử viên thú vị cho các ứng dụng công nghệ trong nhiều lĩnh vực khác nhau.Chúng có một số đặc tính quan trọng: (i) độ dẻo cơ học cao và độ bền chảy, (ii) tính thấm từ tính cao, (iii) lực kháng từ thấp, (iv) khả năng chống ăn mòn bất thường, (v) không phụ thuộc vào nhiệt độ.Độ dẫn điện 6.7.
Hợp kim cơ học (MA)1,8 là một phương pháp tương đối mới, lần đầu tiên được giới thiệu vào năm 19839 bởi Giáo sư KK Kok và các đồng nghiệp của ông.Họ sản xuất bột Ni60Nb40 vô định hình bằng cách nghiền hỗn hợp các nguyên tố tinh khiết ở nhiệt độ xung quanh rất gần với nhiệt độ phòng.Thông thường, phản ứng MA được thực hiện giữa liên kết khuếch tán của bột chất phản ứng trong lò phản ứng, thường làm bằng thép không gỉ, vào máy nghiền bi.10 (Hình 1a, b).Kể từ đó, phương pháp phản ứng trạng thái rắn cảm ứng cơ học này đã được sử dụng để điều chế bột hợp kim thủy tinh vô định hình/kim loại mới bằng cách sử dụng máy nghiền bi và máy nghiền thanh năng lượng thấp (Hình 1c) và năng lượng cao11,12,13,14,15,16.Đặc biệt, phương pháp này đã được sử dụng để điều chế các hệ thống không thể trộn lẫn như Cu-Ta17 cũng như các hợp kim có điểm nóng chảy cao như kim loại chuyển tiếp Al (TM, Zr, Hf, Nb và Ta)18,19 và hệ thống Fe-W20., mà không thể thu được bằng các phương pháp nấu ăn thông thường.Ngoài ra, MA được coi là một trong những công cụ công nghệ nano mạnh mẽ nhất để sản xuất quy mô công nghiệp các hạt bột nano tinh thể và nanocompozit của oxit kim loại, cacbua, nitrua, hydrua, ống nano carbon, kim cương nano, cũng như ổn định rộng rãi bằng cách sử dụng phương pháp tiếp cận từ trên xuống.1 và các giai đoạn di căn.
Sơ đồ thể hiện phương pháp chế tạo được sử dụng để điều chế lớp phủ thủy tinh kim loại Cu50(Zr50-xNix)/SUS 304 trong nghiên cứu này.(a) Điều chế bột hợp kim MC với các nồng độ Ni x (x; 10, 20, 30 và 40 at.%) khác nhau bằng phương pháp nghiền bi năng lượng thấp.(a) Nguyên liệu ban đầu được nạp vào xi lanh dụng cụ cùng với các viên bi thép dụng cụ và (b) được niêm phong trong hộp găng tay chứa đầy khí quyển He.(c) Mô hình trong suốt của bình mài minh họa chuyển động của quả bóng trong quá trình mài.Sản phẩm bột cuối cùng thu được sau 50 giờ được sử dụng để phun phủ lạnh lên bề mặt SUS 304 (d).
Khi nói đến bề mặt vật liệu khối (chất nền), kỹ thuật bề mặt liên quan đến việc thiết kế và sửa đổi bề mặt (chất nền) để cung cấp các đặc tính vật lý, hóa học và kỹ thuật nhất định không có trong vật liệu khối ban đầu.Một số tính chất có thể được cải thiện một cách hiệu quả thông qua xử lý bề mặt bao gồm khả năng chống mài mòn, oxy hóa và ăn mòn, hệ số ma sát, tính trơ sinh học, tính chất điện và cách nhiệt, v.v.Chất lượng bề mặt có thể được cải thiện bằng các phương pháp luyện kim, cơ học hoặc hóa học.Là một quy trình nổi tiếng, lớp phủ được định nghĩa đơn giản là một hoặc nhiều lớp vật liệu được phủ một cách nhân tạo lên bề mặt của vật thể khối (chất nền) được làm từ vật liệu khác.Do đó, lớp phủ được sử dụng một phần để đạt được các đặc tính kỹ thuật hoặc trang trí mong muốn, cũng như để bảo vệ vật liệu khỏi các tương tác vật lý và hóa học dự kiến ​​với môi trường23.
Có thể sử dụng nhiều phương pháp và kỹ thuật khác nhau để tạo các lớp bảo vệ phù hợp từ vài micromet (dưới 10-20 micromet) đến hơn 30 micromet hoặc thậm chí có độ dày vài milimet.Nói chung, quy trình sơn phủ có thể được chia thành hai loại: (i) phương pháp sơn ướt, bao gồm mạ điện, mạ điện và mạ kẽm nhúng nóng, và (ii) phương pháp sơn khô, bao gồm hàn, phủ cứng, lắng đọng hơi vật lý (PVD).), lắng đọng hơi hóa học (CVD), kỹ thuật phun nhiệt và gần đây là kỹ thuật phun lạnh 24 (Hình 1d).
Màng sinh học được định nghĩa là các cộng đồng vi sinh vật gắn liền với bề mặt và được bao quanh bởi các polyme ngoại bào (EPS) tự sản xuất.Sự hình thành của màng sinh học trưởng thành bề ngoài có thể dẫn đến tổn thất đáng kể trong nhiều ngành công nghiệp, bao gồm chế biến thực phẩm, hệ thống nước và chăm sóc sức khỏe.Ở người, với sự hình thành các màng sinh học, hơn 80% các trường hợp nhiễm vi sinh vật (bao gồm Enterobacteriaceae và Staphylococci) rất khó điều trị.Ngoài ra, màng sinh học trưởng thành đã được báo cáo là có khả năng kháng kháng sinh cao gấp 1000 lần so với tế bào vi khuẩn phù du, đây được coi là một thách thức lớn trong điều trị.Trong lịch sử, vật liệu phủ bề mặt kháng khuẩn có nguồn gốc từ các hợp chất hữu cơ thông thường đã được sử dụng.Mặc dù những vật liệu như vậy thường chứa các thành phần độc hại có khả năng gây hại cho con người,25,26 nhưng điều này có thể giúp tránh sự lây truyền của vi khuẩn và sự xuống cấp của vật liệu.
Sự kháng thuốc kháng sinh lan rộng của vi khuẩn do sự hình thành màng sinh học đã dẫn đến nhu cầu phát triển một bề mặt phủ màng kháng khuẩn hiệu quả có thể được áp dụng một cách an toàn27.Sự phát triển của bề mặt chống dính vật lý hoặc hóa học mà các tế bào vi khuẩn không thể liên kết và hình thành màng sinh học do sự bám dính là phương pháp đầu tiên trong quy trình này27.Công nghệ thứ hai là phát triển các lớp phủ cung cấp các hóa chất kháng khuẩn chính xác ở nơi cần thiết, với số lượng đậm đặc và phù hợp.Điều này đạt được thông qua việc phát triển các vật liệu phủ độc đáo như graphene/gecmani28, kim cương đen29 và các lớp phủ carbon giống kim cương pha tạp ZnO30 có khả năng chống lại vi khuẩn, một công nghệ giúp tối đa hóa sự phát triển của độc tính và khả năng chống chịu do hình thành màng sinh học.Ngoài ra, các lớp phủ có chứa hóa chất diệt khuẩn giúp bảo vệ lâu dài khỏi sự nhiễm vi khuẩn đang ngày càng trở nên phổ biến.Mặc dù cả ba quy trình đều có khả năng phát huy hoạt tính kháng khuẩn trên các bề mặt được phủ, nhưng mỗi quy trình đều có những hạn chế riêng cần được xem xét khi phát triển chiến lược ứng dụng.
Các sản phẩm hiện có trên thị trường gặp trở ngại do thiếu thời gian để phân tích và thử nghiệm lớp phủ bảo vệ các hoạt chất sinh học.Các công ty tuyên bố rằng sản phẩm của họ sẽ cung cấp cho người dùng các khía cạnh chức năng mong muốn, tuy nhiên, điều này đã trở thành một trở ngại cho sự thành công của các sản phẩm hiện có trên thị trường.Các hợp chất có nguồn gốc từ bạc được sử dụng trong phần lớn các chất chống vi trùng hiện có cho người tiêu dùng.Những sản phẩm này được thiết kế để bảo vệ người dùng khỏi tiếp xúc có hại với vi sinh vật.Tác dụng kháng khuẩn bị trì hoãn và độc tính liên quan của các hợp chất bạc làm tăng áp lực buộc các nhà nghiên cứu phải phát triển một chất thay thế ít gây hại hơn36,37.Việc tạo ra một lớp phủ kháng khuẩn toàn cầu hoạt động từ trong ra ngoài vẫn là một thách thức.Điều này đi kèm với các rủi ro liên quan đến sức khỏe và an toàn.Khám phá ra một chất chống vi trùng ít gây hại cho con người hơn và tìm ra cách kết hợp nó vào chất nền lớp phủ với thời hạn sử dụng lâu hơn là mục tiêu được nhiều người tìm kiếm38.Các vật liệu kháng khuẩn và màng kháng sinh mới nhất được thiết kế để tiêu diệt vi khuẩn ở cự ly gần bằng cách tiếp xúc trực tiếp hoặc sau khi giải phóng hoạt chất.Chúng có thể làm điều này bằng cách ức chế sự bám dính của vi khuẩn ban đầu (bao gồm ngăn chặn sự hình thành lớp protein trên bề mặt) hoặc tiêu diệt vi khuẩn bằng cách can thiệp vào thành tế bào.
Về cơ bản, phủ bề mặt là quá trình phủ một lớp khác lên bề mặt của một bộ phận để cải thiện các đặc tính bề mặt.Mục đích của lớp phủ bề mặt là thay đổi vi cấu trúc và/hoặc thành phần của vùng gần bề mặt của một bộ phận39.Các phương pháp phủ bề mặt có thể được chia thành các phương pháp khác nhau, được tóm tắt trong Hình 2a.Lớp phủ có thể được chia thành các loại nhiệt, hóa học, vật lý và điện hóa tùy thuộc vào phương pháp được sử dụng để tạo ra lớp phủ.
(a) Một hình nhỏ cho thấy các kỹ thuật chế tạo bề mặt chính và (b) các ưu điểm và nhược điểm được chọn của phương pháp phun lạnh.
Công nghệ phun lạnh có nhiều điểm chung với kỹ thuật phun nhiệt truyền thống.Tuy nhiên, cũng có một số tính chất cơ bản quan trọng làm cho quá trình phun lạnh và vật liệu phun lạnh trở nên đặc biệt.Công nghệ phun lạnh vẫn còn ở giai đoạn sơ khai, nhưng nó có một tương lai tuyệt vời.Trong một số trường hợp, đặc tính độc đáo của phun lạnh mang lại những lợi ích to lớn, khắc phục những hạn chế của kỹ thuật phun nhiệt thông thường.Nó khắc phục những hạn chế đáng kể của công nghệ phun nhiệt truyền thống, trong đó bột phải được nấu chảy để lắng đọng trên bề mặt.Rõ ràng, quy trình phủ truyền thống này không phù hợp với các vật liệu rất nhạy cảm với nhiệt độ như tinh thể nano, hạt nano, thủy tinh vô định hình và kim loại40, 41, 42. Ngoài ra, vật liệu phủ phun nhiệt luôn có độ xốp và oxit cao.Công nghệ phun lạnh có nhiều ưu điểm đáng kể so với công nghệ phun nhiệt, chẳng hạn như (i) lượng nhiệt truyền vào đế tối thiểu, (ii) linh hoạt trong việc lựa chọn lớp phủ nền, (iii) không có sự biến đổi pha và tăng trưởng hạt, (iv) cường độ bám dính cao1 .39 (Hình 2b).Ngoài ra, vật liệu phủ phun lạnh có khả năng chống ăn mòn cao, độ bền và độ cứng cao, tính dẫn điện cao và mật độ cao41.Mặc dù có những ưu điểm của quy trình phun lạnh, phương pháp này vẫn có một số nhược điểm, như trong Hình 2b.Khi phủ các loại bột gốm tinh khiết như Al2O3, TiO2, ZrO2, WC, v.v., không thể sử dụng phương pháp phun lạnh.Mặt khác, bột hỗn hợp gốm/kim loại có thể được sử dụng làm nguyên liệu thô cho lớp phủ.Điều tương tự cũng xảy ra với các phương pháp phun nhiệt khác.Bề mặt khó khăn và nội thất đường ống vẫn khó phun.
Xem xét rằng công việc hiện tại hướng đến việc sử dụng bột thủy tinh kim loại làm nguyên liệu ban đầu cho lớp phủ, rõ ràng là không thể sử dụng phương pháp phun nhiệt thông thường cho mục đích này.Điều này là do bột thủy tinh kim loại kết tinh ở nhiệt độ cao1.
Hầu hết các dụng cụ được sử dụng trong ngành y tế và thực phẩm đều được làm từ hợp kim thép không gỉ austenit (SUS316 và SUS304) với hàm lượng crom từ 12 đến 20% trọng lượng để sản xuất dụng cụ phẫu thuật.Người ta thường chấp nhận rằng việc sử dụng kim loại crom làm nguyên tố hợp kim trong hợp kim thép có thể cải thiện đáng kể khả năng chống ăn mòn của hợp kim thép tiêu chuẩn.Hợp kim thép không gỉ, mặc dù có khả năng chống ăn mòn cao nhưng không có đặc tính kháng khuẩn đáng kể38,39.Điều này trái ngược với khả năng chống ăn mòn cao của chúng.Sau đó, có thể dự đoán sự phát triển của nhiễm trùng và viêm, chủ yếu là do sự bám dính và xâm nhập của vi khuẩn trên bề mặt vật liệu sinh học thép không gỉ.Những khó khăn đáng kể có thể phát sinh do những khó khăn đáng kể liên quan đến sự bám dính của vi khuẩn và con đường hình thành màng sinh học, có thể dẫn đến sức khỏe kém, có thể gây ra nhiều hậu quả có thể ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp đến sức khỏe con người.
Nghiên cứu này là giai đoạn đầu tiên của một dự án được tài trợ bởi Quỹ Kuwait vì sự tiến bộ của khoa học (KFAS), hợp đồng số.2010-550401, để điều tra tính khả thi của việc sản xuất bột bậc ba Cu-Zr-Ni thủy tinh kim loại bằng công nghệ MA (bảng).1) Để sản xuất màng/lớp phủ bảo vệ bề mặt kháng khuẩn SUS304.Giai đoạn thứ hai của dự án, dự kiến ​​bắt đầu vào tháng 1 năm 2023, sẽ nghiên cứu chi tiết các đặc tính ăn mòn điện và tính chất cơ học của hệ thống.Các xét nghiệm vi sinh chi tiết đối với các loại vi khuẩn khác nhau sẽ được thực hiện.
Bài viết này đề cập đến ảnh hưởng của hàm lượng hợp kim Zr đến khả năng tạo thủy tinh (GFA) dựa trên đặc điểm hình thái và cấu trúc.Ngoài ra, các đặc tính kháng khuẩn của thủy tinh kim loại sơn tĩnh điện/hỗn hợp SUS304 cũng được thảo luận.Ngoài ra, công việc đang diễn ra đã được thực hiện để điều tra khả năng biến đổi cấu trúc của bột thủy tinh kim loại xảy ra trong quá trình phun lạnh trong vùng chất lỏng siêu lạnh của các hệ thống thủy tinh kim loại được chế tạo.Hợp kim thủy tinh kim loại Cu50Zr30Ni20 và Cu50Zr20Ni30 được sử dụng làm ví dụ đại diện trong nghiên cứu này.
Phần này trình bày những biến đổi hình thái của bột nguyên tố Cu, Zr và Ni trong quá trình nghiền bi năng lượng thấp.Hai hệ thống khác nhau bao gồm Cu50Zr20Ni30 và Cu50Zr40Ni10 sẽ được sử dụng làm ví dụ minh họa.Quá trình MA có thể được chia thành ba giai đoạn riêng biệt, bằng chứng là đặc tính kim loại của bột thu được trong giai đoạn nghiền (Hình 3).
Đặc tính kim loại của bột hợp kim cơ học (MA) thu được sau các giai đoạn mài bóng khác nhau.Hình ảnh kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM) của bột MA và Cu50Zr40Ni10 thu được sau quá trình nghiền bi năng lượng thấp trong 3, 12 và 50 giờ được hiển thị trong (a), (c) và (e) đối với hệ thống Cu50Zr20Ni30, trong khi trên cùng một MA.Các hình ảnh tương ứng của hệ thống Cu50Zr40Ni10 được chụp sau thời gian được hiển thị trong (b), (d) và (f).
Trong quá trình nghiền bi, động năng hiệu quả có thể truyền sang bột kim loại bị ảnh hưởng bởi sự kết hợp của các tham số, như trong Hình 1a.Điều này bao gồm sự va chạm giữa các viên bi và bột, lực nén cắt của bột bị mắc kẹt giữa hoặc giữa các vật liệu nghiền, tác động từ các viên bi rơi xuống, lực cắt và mài mòn do lực cản của bột giữa các bộ phận chuyển động của máy nghiền bi và sóng xung kích truyền qua các viên bi rơi lan truyền qua lớp nuôi cấy nạp (Hình 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 мм в диаметре). Các bột nguyên tố Cu, Zr, Ni bị biến dạng nặng do hàn nguội ở giai đoạn đầu MA (3 h) dẫn đến hình thành các hạt bột lớn (đường kính > 1 mm).Những hạt hỗn hợp lớn này được đặc trưng bởi sự hình thành các lớp dày của các nguyên tố hợp kim (Cu, Zr, Ni), như thể hiện trong hình.3a,b.Việc tăng thời gian MA lên 12 giờ (giai đoạn trung gian) dẫn đến tăng động năng của máy nghiền bi, dẫn đến sự phân hủy bột hỗn hợp thành các loại bột nhỏ hơn (dưới 200 μm), như trong Hình 3c, thành phố .Ở giai đoạn này, lực cắt tác dụng dẫn đến sự hình thành bề mặt kim loại mới với các lớp gợi ý Cu, Zr, Ni mỏng, như trong Hình 3c, d.Kết quả của việc mài các lớp ở giao diện của các vảy, các phản ứng pha rắn xảy ra với sự hình thành các pha mới.
Ở đỉnh điểm của quá trình MA (sau 50 giờ), quá trình luyện kim vảy hầu như không đáng chú ý (Hình 3e, f) và quá trình luyện kim gương được quan sát thấy trên bề mặt được đánh bóng của bột.Điều này có nghĩa là quá trình MA đã hoàn thành và một giai đoạn phản ứng duy nhất đã được tạo ra.Thành phần nguyên tố của các vùng được chỉ ra trong Hình.3e (I, II, III), f, v, vi) được xác định bằng kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM) kết hợp với quang phổ tia X tán sắc năng lượng (EDS).(IV).
Trong bảng.2 nồng độ nguyên tố của các nguyên tố hợp kim được thể hiện dưới dạng phần trăm tổng khối lượng của từng vùng được chọn trong hình.3e, f.So sánh các kết quả này với thành phần danh nghĩa ban đầu của Cu50Zr20Ni30 và Cu50Zr40Ni10 được đưa ra trong Bảng 1 cho thấy thành phần của hai sản phẩm cuối cùng này rất gần với thành phần danh nghĩa.Ngoài ra, các giá trị tương đối của các thành phần đối với các vùng được liệt kê trong Hình 3e,f không cho thấy sự suy giảm hoặc thay đổi đáng kể trong thành phần của từng mẫu từ vùng này sang vùng khác.Điều này được chứng minh bằng thực tế là không có sự thay đổi về thành phần từ vùng này sang vùng khác.Điều này cho thấy việc sản xuất bột hợp kim đồng nhất như trong Bảng 2.
Ảnh vi mô FE-SEM của bột sản phẩm cuối cùng Cu50(Zr50-xNix) thu được sau 50 lần MA, như thể hiện trong Hình 4a-d, trong đó x lần lượt là 10, 20, 30 và 40 at.%.Sau bước nghiền này, bột kết lại do hiệu ứng van der Waals, dẫn đến sự hình thành các khối kết tụ lớn bao gồm các hạt siêu mịn có đường kính từ 73 đến 126 nm, như trong Hình 4.
Đặc điểm hình thái của bột Cu50(Zr50-xNix) thu được sau MA 50 giờ.Đối với các hệ thống Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40, ảnh FE-SEM của bột thu được sau 50 MA lần lượt được hiển thị trong (a), (b), (c) và (d).
Trước khi nạp bột vào máy cấp liệu phun lạnh, lần đầu tiên chúng được sonicated trong ethanol cấp phân tích trong 15 phút và sau đó sấy khô ở 150° C. trong 2 giờ.Bước này phải được thực hiện để chống lại sự kết tụ thành công, thường gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng trong quá trình sơn phủ.Sau khi hoàn thành quy trình MA, các nghiên cứu sâu hơn đã được thực hiện để điều tra tính đồng nhất của bột hợp kim.Trên hình.Hình 5a–d hiển thị vi ảnh FE-SEM và hình ảnh EDS tương ứng của các nguyên tố hợp kim Cu, Zr và Ni của hợp kim Cu50Zr30Ni20 được chụp sau 50 giờ M, tương ứng.Cần lưu ý rằng bột hợp kim thu được sau bước này là đồng nhất, vì chúng không thể hiện bất kỳ dao động thành phần nào vượt quá mức dưới nanomet, như thể hiện trong Hình 5.
Hình thái học và sự phân bố cục bộ của các nguyên tố trong bột MG Cu50Zr30Ni20 thu được sau 50 MA bằng FE-SEM/Quang phổ tia X tán sắc năng lượng (EDS).(a) Hình ảnh SEM và tia X EDS của (b) Cu-Kα, (c) Zr-Lα và (d) Ni-Kα.
Các dạng nhiễu xạ tia X của bột Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30 và Cu50Zr20Ni30 được hợp kim hóa cơ học thu được sau MA 50 giờ được thể hiện trong Fig.6a–d, tương ứng.Sau giai đoạn nghiền này, tất cả các mẫu có nồng độ Zr khác nhau đều có cấu trúc vô định hình với kiểu khuếch tán quầng đặc trưng như trong Hình 6.
Giản đồ nhiễu xạ tia X của bột Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c) và Cu50Zr20Ni30 (d) sau MA trong 50 giờ.Một mô hình khuếch tán quầng sáng đã được quan sát thấy trong tất cả các mẫu mà không có ngoại lệ, cho thấy sự hình thành của pha vô định hình.
Kính hiển vi điện tử truyền qua phát xạ trường có độ phân giải cao (FE-HRTEM) đã được sử dụng để quan sát các thay đổi cấu trúc và hiểu cấu trúc cục bộ của bột do quá trình nghiền bi ở các thời điểm MA khác nhau.Hình ảnh của bột thu được bằng phương pháp FE-HRTEM sau giai đoạn đầu (6 giờ) và trung gian (18 giờ) nghiền bột Cu50Zr30Ni20 và Cu50Zr40Ni10 được thể hiện trong Hình.7a, tương ứng.Theo hình ảnh trường sáng (BFI) của bột thu được sau 6 giờ MA, bột bao gồm các hạt lớn với ranh giới được xác định rõ ràng của các nguyên tố fcc-Cu, hcp-Zr và fcc-Ni, và không có dấu hiệu của sự hình thành pha phản ứng, như trong Hình 7a.Ngoài ra, một mẫu nhiễu xạ khu vực được chọn tương quan (SADP) được lấy từ vùng giữa (a) cho thấy một mẫu nhiễu xạ sắc nét (Hình 7b) cho thấy sự hiện diện của các tinh thể lớn và không có pha phản ứng.
Đặc điểm cấu trúc cục bộ của bột MA thu được sau giai đoạn đầu (6 giờ) và trung gian (18 giờ).( a ) Kính hiển vi điện tử truyền qua phát xạ trường độ phân giải cao (FE-HRTEM) và ( b ) nhiễu xạ vùng được chọn tương ứng (SADP) của bột Cu50Zr30Ni20 sau khi xử lý MA trong 6 giờ.Hình ảnh FE-HRTEM của Cu50Zr40Ni10 thu được sau MA 18 giờ được hiển thị trong (c).
Như thể hiện trong hình.Như được hiển thị trong Hình 7c, việc tăng thời lượng MA lên 18 giờ đã dẫn đến các khuyết tật mạng tinh thể nghiêm trọng kết hợp với biến dạng dẻo.Ở giai đoạn trung gian này của quy trình MA, các khuyết tật khác nhau xuất hiện trong bột, bao gồm lỗi xếp chồng, lỗi mạng và lỗi điểm (Hình 7).Những khiếm khuyết này gây ra sự phân mảnh của các hạt lớn dọc theo ranh giới hạt thành các hạt con có kích thước nhỏ hơn 20nm (Hình 7c).
Cấu trúc cục bộ của bột Cu50Z30Ni20 được nghiền trong 36 giờ MA được đặc trưng bởi sự hình thành các hạt nano siêu mịn được nhúng trong một ma trận mỏng vô định hình, như thể hiện trong Hình 8a.Một phân tích cục bộ về EMF cho thấy rằng các cụm nanô được hiển thị trong Hình.8a được liên kết với các hợp kim bột Cu, Zr và Ni chưa được xử lý.Hàm lượng Cu trong ma trận thay đổi từ ~32 at.% (vùng nghèo) đến ~74 at.% (vùng giàu), điều này cho thấy sự hình thành các sản phẩm không đồng nhất.Ngoài ra, các SADP tương ứng của bột thu được sau khi nghiền ở bước này cho thấy các vòng pha vô định hình khuếch tán quầng sơ cấp và thứ cấp chồng lên nhau với các đầu nhọn liên kết với các nguyên tố hợp kim chưa được xử lý này, như thể hiện trong Hình 8b.
Các đặc điểm cấu trúc cục bộ ở cấp độ nano của bột Beyond 36 h-Cu50Zr30Ni20.(a) Hình ảnh trường sáng (BFI) và (b) SADP tương ứng của bột Cu50Zr30Ni20 thu được sau khi nghiền trong 36 giờ MA.
Vào cuối quy trình MA (50 giờ), các loại bột Cu50(Zr50-xNix), X, 10, 20, 30 và 40 at.%, không có ngoại lệ, có hình thái mê cung của pha vô định hình, như thể hiện trong Hình .Không thể phát hiện nhiễu xạ điểm cũng như các mẫu hình khuyên sắc nét trong SADS tương ứng của từng thành phần.Điều này cho thấy không có kim loại kết tinh chưa được xử lý, mà là sự hình thành của bột hợp kim vô định hình.Các SADP tương quan này thể hiện các kiểu khuếch tán quầng sáng cũng được sử dụng làm bằng chứng cho sự phát triển của các pha vô định hình trong nguyên liệu sản phẩm cuối cùng.
Cấu trúc cục bộ của sản phẩm cuối cùng của hệ thống Cu50 MS (Zr50-xNix).FE-HRTEM và các mẫu nhiễu xạ chùm tia nano tương quan (NBDP) của (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 và (d) Cu50Zr10Ni40 thu được sau 50 giờ MA.
Sử dụng phép đo nhiệt lượng quét vi sai, độ ổn định nhiệt của nhiệt độ chuyển thủy tinh (Tg), vùng chất lỏng siêu lạnh (ΔTx) và nhiệt độ kết tinh (Tx) đã được nghiên cứu tùy thuộc vào hàm lượng Ni (x) trong hệ thống vô định hình Cu50(Zr50-xNix).(DSC) tính chất trong dòng khí He.Đường cong DSC của bột hợp kim vô định hình Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20 và Cu50Zr10Ni40 thu được sau MA trong 50 giờ được thể hiện trong Fig.10a, b, e tương ứng.Trong khi đường cong DSC của Cu50Zr20Ni30 vô định hình được hiển thị riêng trong Hình. Thế kỷ thứ 10. Trong khi đó, mẫu Cu50Zr30Ni20 được nung nóng đến ~700°C trong DSC được hiển thị trong Hình 10g.
Độ ổn định nhiệt của bột Cu50(Zr50-xNix) MG thu được sau MA trong 50 giờ được xác định bởi nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh (Tg), nhiệt độ kết tinh (Tx) và vùng chất lỏng siêu lạnh (ΔTx).Biểu đồ nhiệt của bột hợp kim Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c) và (e) Cu50Zr10Ni40 MG sau MA trong 50 giờ.Mẫu nhiễu xạ tia X (XRD) của mẫu Cu50Zr30Ni20 được nung nóng đến ~700°C trong DSC được hiển thị trong (d).
Như được hiển thị trong Hình 10, các đường cong DSC cho tất cả các chế phẩm có nồng độ niken khác nhau (x) biểu thị hai trường hợp khác nhau, một trường hợp thu nhiệt và trường hợp kia tỏa nhiệt.Sự kiện thu nhiệt đầu tiên tương ứng với Tg và sự kiện thứ hai liên quan đến Tx.Khu vực nhịp ngang tồn tại giữa Tg và Tx được gọi là khu vực chất lỏng được làm lạnh phụ (ΔTx = Tx – Tg).Kết quả cho thấy Tg và Tx của mẫu Cu50Zr40Ni10 (Hình 10a) được đặt ở 526°C và 612°C dịch chuyển hàm lượng (x) lên đến 20% ở phía nhiệt độ thấp là 482°C và 563°C.°C khi tăng hàm lượng Ni (x), tương ứng, như trong Hình 10b.Do đó, ΔTx Cu50Zr40Ni10 giảm từ 86°С (Hình 10a) xuống 81°С đối với Cu50Zr30Ni20 (Hình 10b).Đối với hợp kim MC Cu50Zr40Ni10, người ta cũng quan sát thấy sự giảm giá trị của Tg, Tx và ΔTx xuống các mức 447°С, 526°С và 79°С (Hình 10b).Điều này chỉ ra rằng sự gia tăng hàm lượng Ni dẫn đến giảm độ ổn định nhiệt của hợp kim MS.Ngược lại, giá trị Tg (507 °C) của hợp kim MC Cu50Zr20Ni30 thấp hơn giá trị của hợp kim MC Cu50Zr40Ni10;tuy nhiên, Tx của nó hiển thị một giá trị tương đương với nó (612 °C).Do đó, ΔTx có giá trị cao hơn (87°C) như trong hình.thế kỷ thứ 10
Hệ thống MC Cu50(Zr50-xNix), sử dụng hợp kim Cu50Zr20Ni30 MC làm ví dụ, kết tinh qua đỉnh tỏa nhiệt sắc nét thành các pha tinh thể fcc-ZrCu5, trực thoi-Zr7Cu10 và trực thoi-ZrNi (Hình 10c).Sự chuyển pha từ vô định hình sang tinh thể này đã được xác nhận bằng phân tích nhiễu xạ tia X của mẫu MG (Hình 10d) được làm nóng đến 700 °C trong DSC.
Trên hình.Hình 11 cho thấy các bức ảnh được chụp trong quá trình phun lạnh được thực hiện trong công việc hiện tại.Trong nghiên cứu này, các hạt bột thủy tinh kim loại được tổng hợp sau MA trong 50 giờ (ví dụ sử dụng Cu50Zr20Ni30) được sử dụng làm nguyên liệu thô kháng khuẩn và tấm thép không gỉ (SUS304) được phủ phun lạnh.Phương pháp phun lạnh được chọn để phủ trong chuỗi công nghệ phun nhiệt vì đây là phương pháp hiệu quả nhất trong chuỗi công nghệ phun nhiệt, nơi nó có thể được sử dụng cho các vật liệu nhạy cảm với nhiệt siêu bền bằng kim loại như bột vô định hình và tinh thể nano.Không chịu pha.chuyển cảnh.Đây là yếu tố chính trong việc lựa chọn phương pháp này.Quá trình lắng đọng lạnh được thực hiện bằng cách sử dụng các hạt vận tốc cao chuyển đổi động năng của các hạt thành biến dạng dẻo, biến dạng và nhiệt khi va chạm với chất nền hoặc các hạt đã lắng đọng trước đó.
Các bức ảnh hiện trường cho thấy quy trình phun lạnh được sử dụng cho năm chế phẩm liên tiếp của MG/SUS 304 ở 550°C.
Động năng của các hạt, cũng như động lượng của từng hạt trong quá trình hình thành lớp phủ, phải được chuyển đổi thành các dạng năng lượng khác thông qua các cơ chế như biến dạng dẻo (các hạt sơ cấp và tương tác giữa các hạt trong ma trận và tương tác giữa các hạt), nút kẽ của chất rắn, chuyển động quay giữa các hạt, biến dạng và hạn chế nhiệt 39. Ngoài ra, nếu không phải tất cả động năng đến được chuyển thành năng lượng nhiệt và năng lượng biến dạng, kết quả sẽ là va chạm đàn hồi, nghĩa là các hạt chỉ đơn giản bật ra sau khi va chạm.Người ta đã ghi nhận rằng 90% năng lượng tác động tác dụng lên hạt/vật liệu nền được chuyển thành nhiệt cục bộ 40 .Ngoài ra, khi ứng suất va đập được áp dụng, tỷ lệ biến dạng dẻo cao đạt được trong vùng tiếp xúc hạt/chất nền trong thời gian rất ngắn41,42.
Biến dạng dẻo thường được coi là một quá trình tiêu tán năng lượng, hay nói đúng hơn là một nguồn nhiệt trong vùng giao thoa.Tuy nhiên, sự gia tăng nhiệt độ trong vùng tiếp giáp thường không đủ để xảy ra sự nóng chảy giữa các vùng hoặc kích thích đáng kể sự khuếch tán lẫn nhau của các nguyên tử.Không có ấn phẩm nào được các tác giả biết đến đã điều tra ảnh hưởng của các đặc tính của các loại bột thủy tinh kim loại này đối với độ bám dính và lắng đọng của bột xảy ra khi sử dụng kỹ thuật phun lạnh.
Có thể thấy BFI của bột hợp kim MG Cu50Zr20Ni30 trong Hình 12a, được lắng đọng trên đế SUS 304 (Hình 11, 12b).Như có thể thấy từ hình vẽ, các loại bột được tráng phủ giữ lại cấu trúc vô định hình ban đầu của chúng vì chúng có cấu trúc mê cung mỏng manh mà không có bất kỳ đặc điểm tinh thể hoặc khuyết tật mạng tinh thể nào.Mặt khác, hình ảnh cho thấy sự hiện diện của pha lạ, bằng chứng là các hạt nano có trong ma trận bột phủ MG (Hình 12a).Hình 12c cho thấy mẫu nhiễu xạ chùm tia nano được lập chỉ mục (NBDP) được liên kết với vùng I (Hình 12a).Như thể hiện trong hình.Như được hiển thị trong Hình 12c, NBDP thể hiện kiểu khuếch tán quầng sáng yếu của cấu trúc vô định hình và cùng tồn tại với các điểm sắc nét tương ứng với pha Zr2Ni siêu bền hình khối lớn kết tinh cộng với pha CuO bốn phương.Sự hình thành CuO có thể được giải thích là do quá trình oxy hóa bột khi di chuyển từ vòi của súng phun sang SUS 304 ngoài trời với dòng chảy siêu thanh.Mặt khác, quá trình phân hủy bột thủy tinh kim loại dẫn đến sự hình thành các pha lập phương lớn sau khi xử lý phun lạnh ở 550°C trong 30 phút.
(a) Hình ảnh FE-HRTEM của bột MG lắng đọng trên (b) đế SUS 304 (Hình bên trong).Chỉ số NBDP của biểu tượng tròn được hiển thị trong (a) được hiển thị trong (c).
Để kiểm tra cơ chế tiềm năng này cho sự hình thành các hạt nano Zr2Ni khối lớn, một thí nghiệm độc lập đã được thực hiện.Trong thí nghiệm này, bột được phun từ máy phun ở nhiệt độ 550°C theo hướng của chất nền SUS 304;tuy nhiên, để xác định hiệu ứng ủ, bột được lấy ra khỏi dải SUS304 càng nhanh càng tốt (khoảng 60 giây).).Một loạt thí nghiệm khác đã được thực hiện trong đó bột được loại bỏ khỏi chất nền khoảng 180 giây sau khi thi công.
Hình 13a, b thể hiện hình ảnh trường tối (DFI) của Kính hiển vi điện tử truyền qua quét (STEM) của hai vật liệu phún xạ lắng đọng trên đế SUS 304 trong 60 giây và 180 giây tương ứng.Hình ảnh bột được lắng đọng trong 60 giây thiếu các chi tiết hình thái, cho thấy sự kỳ công (Hình 13a).Điều này cũng được xác nhận bởi XRD, cho thấy rằng cấu trúc tổng thể của các loại bột này là vô định hình, như được chỉ ra bởi các đỉnh nhiễu xạ sơ cấp và thứ cấp rộng được thể hiện trong Hình 14a.Điều này cho thấy không có kết tủa siêu bền/trung kỳ, trong đó bột vẫn giữ được cấu trúc vô định hình ban đầu của nó.Ngược lại, bột lắng đọng ở cùng nhiệt độ (550°C) nhưng để lại trên chất nền trong 180 giây cho thấy sự lắng đọng của các hạt có kích thước nano, như thể hiện bằng các mũi tên trong Hình 13b.