Dankie dat u Nature.com besoek het. Die blaaierweergawe wat u gebruik, het beperkte ondersteuning vir CSS. Vir die beste ervaring beveel ons aan dat u 'n opgedateerde blaaier gebruik (of versoenbaarheidsmodus in Internet Explorer afskakel). Intussen, om voortgesette ondersteuning te verseker, sal ons die webwerf sonder style en JavaScript vertoon.
Biofilms is 'n belangrike komponent in die ontwikkeling van chroniese infeksies, veral wanneer mediese toestelle betrokke is. Hierdie probleem bied 'n groot uitdaging vir die mediese gemeenskap, aangesien standaard antibiotika biofilms slegs tot 'n baie beperkte mate kan uitroei. Die voorkoming van biofilmvorming het gelei tot die ontwikkeling van verskeie bedekkingsmetodes en nuwe materiale. Hierdie metodes is daarop gemik om oppervlaktes te bedek op 'n manier wat biofilmvorming inhibeer. Metaalglasagtige legerings, veral dié wat koper- en titaniummetale bevat, het na vore gekom as ideale antimikrobiese bedekkings. Terselfdertyd het die gebruik van koue spuittegnologie toegeneem, aangesien dit 'n geskikte metode is vir die verwerking van temperatuursensitiewe materiale. Deel van die doel van hierdie studie was om 'n nuwe antibakteriese film metaalglas te ontwikkel wat bestaan ​​uit ternêre Cu-Zr-Ni met behulp van meganiese legeringstegnieke. Die sferiese poeier wat die finale produk uitmaak, word gebruik as 'n grondstof vir koue spuitbedekking van vlekvrye staaloppervlaktes by lae temperature. Substrate bedek met metaalglas kon biofilmvorming aansienlik verminder met ten minste 1 log in vergelyking met vlekvrye staal.
Deur die menslike geskiedenis heen kon enige samelewing die bekendstelling van nuwe materiale ontwerp en bevorder wat aan sy spesifieke vereistes voldoen, wat gelei het tot verbeterde prestasie en ranglys in 'n geglobaliseerde ekonomie1. Dit is nog altyd toegeskryf aan die menslike vermoë om materiale en vervaardigingstoerusting en ontwerpe vir materiaalvervaardiging en -karakterisering te ontwikkel om winste in gesondheid, onderwys, nywerheid, ekonomie, kultuur en ander velde van een land of streek na 'n ander te behaal. Vordering word gemeet ongeag die land of streek.2 Vir 60 jaar het materiaalwetenskaplikes baie van hul tyd daaraan gewy om op een belangrike saak te fokus: die nastrewing van nuwe en baanbrekende materiale. Onlangse navorsing het gefokus op die verbetering van die kwaliteit en prestasie van bestaande materiale, sowel as die sintetisering en uitvind van heeltemal nuwe soorte materiale.
Die byvoeging van legeringselemente, die wysiging van die materiaal se mikrostruktuur, en die toepassing van termiese, meganiese of termo-meganiese verwerkingstegnieke het gelei tot beduidende verbeterings in die meganiese, chemiese en fisiese eienskappe van 'n verskeidenheid verskillende materiale. Verder is tot dusver ongekende verbindings op hierdie stadium suksesvol gesintetiseer. Hierdie volgehoue ​​pogings het 'n nuwe familie van innoverende materiale voortgebring, gesamentlik bekend as Gevorderde Materiale2. Nanokristalle, nanopartikels, nanobuise, kwantumkolle, nul-dimensionele, amorfe metaalglase en hoë-entropie-legerings is slegs 'n paar voorbeelde van gevorderde materiale wat sedert die middel van die vorige eeu in die wêreld bekendgestel is. By die vervaardiging en ontwikkeling van nuwe legerings met superieure eienskappe, hetsy in die finale produk of in die tussenfases van die produksie daarvan, word die probleem van balansverlies dikwels bygevoeg. As gevolg van die implementering van nuwe vervaardigingstegnieke om aansienlik van ewewig af te wyk, is 'n hele nuwe klas metastabiele legerings, bekend as metaalglase, ontdek.
Sy werk by Caltech in 1960 het 'n rewolusie in die konsep van metaallegerings gebring toe hy glasagtige Au-25 at.% Si-legerings gesintetiseer het deur vloeistowwe vinnig te stol teen byna 'n miljoen grade per sekonde 4. Professor Pol Duwezs se ontdekkingsgebeurtenis het nie net die begin van die geskiedenis van metaalglase (MG) ingelui nie, maar het ook gelei tot 'n paradigmaskuif in die manier waarop mense oor metaallegerings dink. Sedert die vroegste baanbrekerstudies in die sintese van MG-legerings, is byna alle metaalglase volledig vervaardig deur een van die volgende metodes te gebruik; (i) vinnige stolling van die smelt of stoom, (ii) atoomwanorde van die rooster, (iii) vastetoestand-amorfiseringsreaksies tussen suiwer metaalelemente, en (iv) vastetoestand-oorgange van metastabiele fases.
MG's word onderskei deur hul gebrek aan die langafstand-atoomorde wat met kristalle geassosieer word, wat 'n bepalende kenmerk van kristalle is. In vandag se wêreld is groot vordering gemaak op die gebied van metaalglas. Hulle is nuwe materiale met interessante eienskappe wat nie net in vastetoestandfisika van belang is nie, maar ook in metallurgie, oppervlakchemie, tegnologie, biologie en baie ander velde. Hierdie nuwe tipe materiaal vertoon verskillende eienskappe van vaste metale, wat dit 'n interessante kandidaat maak vir tegnologiese toepassings in 'n verskeidenheid velde. Hulle het 'n paar belangrike eienskappe; (i) hoë meganiese rekbaarheid en vloeigrens, (ii) hoë magnetiese deurlaatbaarheid, (iii) lae koërsiwiteit, (iv) ongewone korrosieweerstand, (v) temperatuuronafhanklikheid. Die geleidingsvermoë van 6,7.
Meganiese legering (MA)1,8 is 'n relatief nuwe tegniek, wat die eerste keer in 19839 deur prof. CC Kock en kollegas bekendgestel is. Hulle het amorfe Ni60Nb40-poeiers voorberei deur 'n mengsel van suiwer elemente te maal by omgewingstemperature baie naby aan kamertemperatuur. Tipies word die MA-reaksie uitgevoer tussen diffuse koppeling van die reaktantmateriaalpoeiers in 'n reaktor, gewoonlik gemaak van vlekvrye staal, in 'n balmeul 10 (Fig. 1a, b). Sedertdien is hierdie meganies geïnduseerde vastetoestandreaksietegniek gebruik om nuwe amorfe/metaalagtige glaslegeringspoeiers voor te berei deur gebruik te maak van lae (Fig. 1c) en hoë-energie balmeulens, sowel as staafmeulens11,12,13,14,15,16. In die besonder is hierdie metode gebruik om onmengbare stelsels soos Cu-Ta17 voor te berei, sowel as hoë smeltpuntlegerings soos Al-oorgangsmetaalstelsels (TM; Zr, Hf, Nb en Ta)18,19 en Fe-W20, wat nie met konvensionele voorbereidingsroetes verkry kan word nie. Verder word MA beskou as een van die kragtigste nanotegnologie-instrumente vir die voorbereiding van industriële skaal nanokristallyne en nanosaamgestelde poeierdeeltjies van metaaloksiede, karbiede, nitride, hidriede, koolstofnanobuise, nanodiamante, sowel as breë stabilisering via 'n top-down benadering 1 en metastabiele stadiums.
Skematiese voorstelling wat die vervaardigingsmetode toon wat gebruik is om Cu50(Zr50−xNix) metaalglas (MG) bedekking/SUS 304 in hierdie studie voor te berei. (a) Voorbereiding van MG-legeringspoeiers met verskillende Ni-konsentrasies x (x; 10, 20, 30 en 40 at.%) met behulp van lae-energie-balmaaltegniek. (a) Die uitgangsmateriaal word saam met gereedskapstaalballe in 'n gereedskapsilinder gelaai, en (b) word verseël in 'n handskoenboks gevul met He-atmosfeer. (c) 'n Deursigtige model van die maalvat wat die balbeweging tydens maal illustreer. Die finale produk van die poeier wat na 50 uur verkry is, is gebruik om die SUS 304-substraat te bedek met behulp van die koue spuitmetode (d).
Wanneer dit kom by grootmaatmateriaaloppervlakke (substrate), behels oppervlakingenieurswese die ontwerp en wysiging van oppervlakke (substrate) om sekere fisiese, chemiese en tegniese eienskappe te bied wat nie in die oorspronklike grootmaatmateriaal voorkom nie. Sommige eienskappe wat effektief verbeter kan word deur oppervlakbehandelings, sluit in skuurweerstand, oksidasie- en korrosiebestandheid, wrywingskoëffisiënt, bio-inertheid, elektriese eienskappe en termiese isolasie, om maar 'n paar te noem. Oppervlakkwaliteit kan verbeter word deur metallurgiese, meganiese of chemiese tegnieke te gebruik. As 'n bekende proses word 'n deklaag eenvoudig gedefinieer as 'n enkele of veelvuldige lae materiaal wat kunsmatig op die oppervlak van 'n grootmaatvoorwerp (substraat) van 'n ander materiaal neergelê word. Dus word bedekkings deels gebruik om sekere verlangde tegniese of dekoratiewe eienskappe te bereik, sowel as om materiale te beskerm teen verwagte chemiese en fisiese interaksies met die omliggende omgewing23.
Om geskikte oppervlakbeskermingslae met diktes wat wissel van 'n paar mikrometer (onder 10-20 mikrometer) tot meer as 30 mikrometer of selfs 'n paar millimeter, neer te lê, kan baie metodes en tegnieke toegepas word. Oor die algemeen kan bedekkingsprosesse in twee kategorieë verdeel word: (i) nat bedekkingsmetodes, insluitend elektroplatering, elektrolose plateer en warmgalvaniseringsmetodes, en (ii) droë bedekkingsmetodes, insluitend soldeer, oppervlakbedekking, fisiese dampneerslag (PVD), chemiese dampneerslag (CVD), termiese spuittegnieke en meer onlangs koue spuittegnieke 24 (Fig. 1d).
Biofilms word gedefinieer as mikrobiese gemeenskappe wat onomkeerbaar aan oppervlaktes geheg is en omring word deur selfgeproduseerde ekstrasellulêre polimere (EPS). Oppervlakkige volwasse biofilmvorming kan lei tot beduidende verliese in baie industriële sektore, insluitend die voedselindustrie, waterstelsels en gesondheidsorgomgewings. By mense, wanneer biofilms vorm, is meer as 80% van gevalle van mikrobiese infeksies (insluitend Enterobacteriaceae en Staphylococci) moeilik om te behandel. Verder is berig dat volwasse biofilms 1000 keer meer bestand is teen antibiotiese behandeling in vergelyking met planktoniese bakteriese selle, wat as 'n groot terapeutiese uitdaging beskou word. Antimikrobiese oppervlakbedekkingsmateriale afgelei van konvensionele organiese verbindings is histories gebruik. Alhoewel sulke materiale dikwels giftige komponente bevat wat potensieel riskant vir mense is,25,26 kan dit help om bakteriële oordrag en materiaalvernietiging te vermy.
Die wydverspreide weerstand van bakterieë teen antibiotika-behandelings as gevolg van biofilmvorming het gelei tot die behoefte om 'n effektiewe antimikrobiese membraanbedekte oppervlak te ontwikkel wat veilig aangewend kan word27. Die ontwikkeling van 'n fisiese of chemiese anti-adhesie-oppervlak waaraan bakteriese selle geïnhibeer word om te bind en biofilms te bou as gevolg van adhesie, is die eerste benadering in hierdie proses27. Die tweede tegnologie is om bedekkings te ontwikkel wat dit moontlik maak om antimikrobiese chemikalieë presies te lewer waar dit nodig is, in hoogs gekonsentreerde en pasgemaakte hoeveelhede. Dit word bereik deur die ontwikkeling van unieke bedekkingsmateriale soos grafeen/germanium28, swart diamant29 en ZnO-gedoteerde diamantagtige koolstofbedekkings30 wat bestand is teen bakterieë, 'n tegnologie wat toksisiteit en weerstandsontwikkeling as gevolg van biofilmvorming maksimeer, word aansienlik verminder. Daarbenewens word bedekkings wat kiemdodende chemikalieë in oppervlaktes inkorporeer om langtermynbeskerming teen bakteriële kontaminasie te bied, al hoe gewilder. Alhoewel al drie prosedures in staat is om antimikrobiese effekte op bedekte oppervlaktes te produseer, het hulle elkeen hul eie stel beperkings wat in ag geneem moet word wanneer toepassingsstrategieë ontwikkel word.
Produkte wat tans op die mark is, word belemmer deur onvoldoende tyd om beskermende bedekkings vir biologies aktiewe bestanddele te analiseer en te toets. Maatskappye beweer dat hul produkte gebruikers van gewenste funksionele aspekte sal voorsien; Dit was egter 'n struikelblok vir die sukses van produkte wat tans op die mark is. Verbindings afgelei van silwer word in die oorgrote meerderheid antimikrobiese terapieë wat nou vir verbruikers beskikbaar is, gebruik. Hierdie produkte word ontwikkel om gebruikers te beskerm teen die potensieel gevaarlike effekte van mikroörganismes. Die vertraagde antimikrobiese effek en gepaardgaande toksisiteit van silwerverbindings verhoog die druk op navorsers om 'n minder skadelike alternatief te ontwikkel36,37. Die skep van 'n globale antimikrobiese laag wat binne en buite werk, blyk steeds 'n uitdagende taak te wees. Dit is as gevolg van die gepaardgaande risiko's vir beide gesondheid en veiligheid. Die ontdekking van 'n antimikrobiese middel wat minder skadelik vir mense is en uitvind hoe om dit in laagsubstrate met 'n langer rakleeftyd in te sluit, is 'n hoogs gesogte doelwit38. Die nuutste antimikrobiese en anti-biofilmmateriale is ontwerp om bakterieë op kort afstand dood te maak, hetsy deur direkte kontak of nadat die aktiewe middel vrygestel is. Hulle kan dit doen deur aanvanklike bakteriële adhesie te inhibeer (insluitend die vorming van 'n proteïenlaag op die oppervlak teen te werk) of deur bakterieë dood te maak deur met die selwand in te meng.
Fundamenteel is oppervlakbedekking die proses om nog 'n laag op die oppervlak van 'n komponent te plaas om oppervlakverwante eienskappe te verbeter. Die doel van oppervlakbedekking is om die mikrostruktuur en/of samestelling van die naby-oppervlakgebied van die komponent39 aan te pas. Oppervlakbedekkingstegnieke kan in verskillende metodes verdeel word, wat in Fig. 2a opgesom word. Bedekkings kan onderverdeel word in termiese, chemiese, fisiese en elektrochemiese kategorieë, afhangende van die metode wat gebruik word om die bedekking te skep.
(a) Insetsel wat die hoofvervaardigingstegnieke toon wat vir die oppervlak gebruik word, en (b) geselekteerde voordele en nadele van die koue spuittegniek.
Koue spuittegnologie deel baie ooreenkomste met konvensionele termiese spuitmetodes. Daar is egter ook 'n paar belangrike fundamentele eienskappe wat die koue spuitproses en koue spuitmateriale besonder uniek maak. Koue spuittegnologie is nog in sy kinderskoene, maar het 'n blink toekoms. In sekere toepassings bied die unieke eienskappe van koue spuit groot voordele, wat die inherente beperkings van tipiese termiese spuitmetodes oorkom. Dit bied 'n manier om die beduidende beperkings van tradisionele termiese spuittegnologie te oorkom, waartydens die poeier gesmelt moet word om op die substraat neer te sit. Dit is duidelik dat hierdie tradisionele bedekkingsproses nie geskik is vir baie temperatuurgevoelige materiale soos nanokristalle, nanopartikels, amorfe en metaalglase nie. Verder vertoon termiese spuitbedekkingsmateriale altyd hoë vlakke van porositeit en oksiede. Koue spuittegnologie het baie beduidende voordele bo termiese spuittegnologie, soos (i) minimale hitte-invoer na die substraat, (ii) buigsaamheid in substraatbedekkingskeuses, (iii) afwesigheid van fasetransformasie en korrelgroei, (iv) hoë bindingssterkte.1,39 (Fig. 2b). Daarbenewens het koue spuitbedekkingsmateriale hoë korrosie. weerstand, hoë sterkte en hardheid, hoë elektriese geleidingsvermoë en hoë digtheid41. In teenstelling met die voordele van die koue spuitproses, is daar steeds 'n paar nadele aan die gebruik van hierdie tegniek, soos getoon in Figuur 2b. Wanneer suiwer keramiekpoeiers soos Al2O3, TiO2, ZrO2, WC, ens. bedek word, kan die koue spuitmetode nie gebruik word nie. Aan die ander kant kan keramiek/metaal-saamgestelde poeiers as grondstowwe vir bedekkings gebruik word. Dieselfde geld vir ander termiese spuitmetodes. Ingewikkelde oppervlaktes en binnepypoppervlaktes is steeds moeilik om te spuit.
Aangesien die huidige werk daarop gemik is om metaalagtige glaspoeiers as rou bedekkingsmateriaal te gebruik, is dit duidelik dat konvensionele termiese bespuiting nie vir hierdie doel gebruik kan word nie. Dit is omdat metaalagtige glaspoeiers by hoë temperature kristalliseer.
Die meeste gereedskap wat in die mediese en voedselindustrieë gebruik word, word gemaak van austenitiese vlekvrye staallegerings (SUS316 en SUS304) met 'n chroominhoud tussen 12 en 20 gewig% vir die produksie van chirurgiese instrumente. Dit word algemeen aanvaar dat die gebruik van chroommetaal as 'n legeringselement in staallegerings die korrosieweerstand van standaard staallegerings aansienlik kan verbeter. Vlekvrye staallegerings, ten spyte van hul hoë korrosieweerstand, vertoon nie beduidende antimikrobiese eienskappe nie38,39. Dit kontrasteer met hul hoë korrosieweerstand. Hierna kan die ontwikkeling van infeksie en inflammasie voorspel word, wat hoofsaaklik veroorsaak word deur bakteriële adhesie en kolonisasie op die oppervlak van vlekvrye staal biomateriale. Beduidende probleme kan ontstaan ​​as gevolg van beduidende probleme wat verband hou met bakteriële adhesie en biofilmvormingspaaie, wat kan lei tot gesondheidsverswakking, wat baie gevolge kan hê wat die menslike gesondheid direk of indirek kan beïnvloed.
Hierdie studie is die eerste fase van 'n projek wat befonds word deur die Kuwait Foundation for the Advancement of Science (KFAS), Kontraknommer 2010-550401, om die haalbaarheid te ondersoek van die vervaardiging van metaalagtige glasagtige Cu-Zr-Ni ternêre poeiers met behulp van MA-tegnologie (Tabel 1) vir die produksie van antibakteriese film/SUS304 oppervlakbeskermingslaag. Die tweede fase van die projek, wat in Januarie 2023 sal begin, sal die elektrochemiese korrosie-eienskappe en meganiese eienskappe van die stelsel in detail ondersoek. Gedetailleerde mikrobiologiese toetse sal vir verskillende bakteriese spesies uitgevoer word.
In hierdie artikel word die effek van Zr-legeringselementinhoud op glasvormingsvermoë (GFA) bespreek op grond van morfologiese en strukturele eienskappe. Daarbenewens is die antibakteriese eienskappe van die bedekte metaalglaspoeierbedekking/SUS304-komposiet ook bespreek. Verder is huidige werk uitgevoer om die moontlikheid van strukturele transformasie van metaalglaspoeiers wat plaasvind tydens koue bespuiting binne die onderverkoelde vloeistofgebied van vervaardigde metaalglasstelsels te ondersoek. As verteenwoordigende voorbeelde is Cu50Zr30Ni20 en Cu50Zr20Ni30 metaalglaslegerings in hierdie studie gebruik.
In hierdie afdeling word die morfologiese veranderinge van elementêre Cu-, Zr- en Ni-poeiers in lae-energie-balmaalwerk aangebied. As illustratiewe voorbeelde sal twee verskillende stelsels bestaande uit Cu50Zr20Ni30 en Cu50Zr40Ni10 as verteenwoordigende voorbeelde gebruik word. Die MA-proses kan in drie afsonderlike stadiums verdeel word, soos getoon deur die metallografiese karakterisering van die poeier wat tydens die maalstadium geproduseer word (Figuur 3).
Metallografiese eienskappe van meganiese legeringspoeiers (MA) verkry na verskillende stadiums van balmaaltyd. Veldemissie-skandeerelektronmikroskopie (FE-SEM) beelde van MA en Cu50Zr40Ni10 poeiers verkry na lae-energie balmaaltye van 3, 12 en 50 uur word in (a), (c) en (e) vir die Cu50Zr20Ni30-stelsel getoon, terwyl in dieselfde MA ooreenstemmende beelde van die Cu50Zr40Ni10-stelsel wat na tyd geneem is, in (b), (d) en (f) getoon word.
Tydens balmaal word die effektiewe kinetiese energie wat na die metaalpoeier oorgedra kan word, beïnvloed deur die kombinasie van parameters, soos getoon in Fig. 1a. Dit sluit in botsings tussen balle en poeiers, drukskuif van poeier wat tussen of tussen maalmedia vassit, impak van vallende balle, skuif en slytasie as gevolg van poeiersleep tussen bewegende balmaalmedia, en skokgolf wat deur vallende balle versprei deur oesvragte (Fig. 1a). Elementêre Cu-, Zr- en Ni-poeiers is erg vervorm as gevolg van koue sweiswerk in die vroeë stadium van MA (3 uur), wat gelei het tot groot poeierdeeltjies (>1 mm in deursnee). Hierdie groot saamgestelde deeltjies word gekenmerk deur die vorming van dik lae legeringselemente (Cu, Zr, Ni), soos getoon in Fig. 3a,b. Die verhoging van die MA-tyd tot 12 uur (intermediêre stadium) het gelei tot 'n toename in die kinetiese energie van die balmaal, wat gelei het tot die ontbinding van die saamgestelde poeier in fyner poeiers (minder as 200 µm), soos getoon in Fig. 3c,d. In hierdie stadium lei die toegepaste skuifkrag tot die vorming van 'n nuwe metaaloppervlak met fyn Cu-, Zr-, Ni-lae, soos getoon in Fig. 3c,d. As gevolg van laagverfyning vind vastefase-reaksies by die koppelvlak van die vlokkies plaas om nuwe fases te genereer.
Teen die klimaks van die MA-proses (na 50 uur) was die skilferige metallografie slegs vaagweg sigbaar (Fig. 3e,f), maar die gepoleerde oppervlak van die poeier het spieëlmetallografie getoon. Dit beteken dat die MA-proses voltooi is en die skepping van 'n enkele reaksiefase plaasgevind het. Die elementêre samestelling van die streke wat in Fig. 3e (I, II, III), f, v, vi) geïndekseer word, is bepaal deur gebruik te maak van veldemissie-skandeerelektronmikroskopie (FE-SEM) gekombineer met energiedispersiewe X-straalspektroskopie (EDS) (IV).
In Tabel 2 word die elementkonsentrasies van legeringselemente as 'n persentasie van die totale gewig van elke streek wat in Fig. 3e,f gekies is, getoon. Wanneer hierdie resultate vergelyk word met die nominale beginsamestellings van Cu50Zr20Ni30 en Cu50Zr40Ni10 wat in Tabel 1 gelys word, kan gesien word dat die samestellings van hierdie twee finale produkte baie soortgelyke waardes as die nominale samestellings het. Verder impliseer die relatiewe komponentwaardes vir die streke wat in Fig. 3e,f gelys word, nie 'n beduidende agteruitgang of fluktuasie in die samestelling van elke monster van een streek na 'n ander nie. Dit word bewys deur die feit dat daar geen verandering in samestelling van een streek na 'n ander is nie. Dit dui op die produksie van homogene legeringspoeiers, soos in Tabel 2 getoon.
FE-SEM-mikrograwe van die finale produk Cu50(Zr50−xNix) poeier is verkry na 50 MA-tye, soos getoon in Fig. 4a–d, waar x onderskeidelik 10, 20, 30 en 40 at.% is. Na hierdie maalstap aggregeer die poeier as gevolg van die van der Waals-effek, wat lei tot die vorming van groot aggregate wat bestaan ​​uit ultrafyn deeltjies met diameters wat wissel van 73 tot 126 nm, soos getoon in Figuur 4.
Morfologiese eienskappe van Cu50(Zr50−xNix) poeiers verkry na 'n MA-tyd van 50 uur. Vir die Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40 stelsels word die FE-SEM beelde van die poeiers verkry na 50 MA-tye onderskeidelik in (a), (b), (c) en (d) getoon.
Voordat die poeiers in 'n koue spuitvoerder gelaai is, is hulle eers vir 15 minute in analitiese graad etanol gesonikeer en toe vir 2 uur by 150°C gedroog. Hierdie stap moet geneem word om agglomerasie suksesvol te bestry, wat dikwels baie beduidende probleme dwarsdeur die bedekkingsproses veroorsaak. Nadat die MA-proses voltooi is, is verdere karakteriserings uitgevoer om die homogeniteit van die legeringspoeiers te ondersoek. Figuur 5a–d toon die FE-SEM-mikrograwe en die ooreenstemmende EDS-beelde van die Cu-, Zr- en Ni-legeringselemente van die Cu50Zr30Ni20-legering wat na onderskeidelik 50 uur M-tyd verkry is. Daar moet kennis geneem word dat die legeringspoeiers wat na hierdie stap geproduseer word, homogeen is, aangesien hulle geen samestellingsfluktuasies buite die sub-nanometervlak toon nie, soos in Figuur 5 getoon.
Morfologie en plaaslike elementêre verspreiding van MG Cu50Zr30Ni20 poeier verkry na 50 MA keer deur FE-SEM/energie dispersiewe X-straal spektroskopie (EDS). (a) SEM en X-straal EDS kartering van (b) Cu-Kα, (c) Zr-Lα en (d) Ni-Kα beelde.
Die XRD-patrone van meganies gelegeerde Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30 en Cu50Zr20Ni30 poeiers wat verkry is na 'n MA-tyd van 50 uur word onderskeidelik in Fig. 6a-d getoon. Na hierdie stadium van maal het alle monsters met verskillende Zr-konsentrasies amorfe strukture met kenmerkende halo-diffusiepatrone getoon, soos in Fig. 6 getoon.
XRD-patrone van (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 en (d) Cu50Zr20Ni30 poeiers na 'n MA-tyd van 50 uur. Alle monsters sonder uitsondering het 'n halo-diffusiepatroon getoon, wat die vorming van 'n amorfe fase impliseer.
Veldemissie hoë-resolusie transmissie-elektronmikroskopie (FE-HRTEM) is gebruik om strukturele veranderinge waar te neem en die plaaslike struktuur van die poeiers wat voortspruit uit balmaal op verskillende MA-tye te verstaan. FE-HRTEM-beelde van die poeiers wat verkry is na die vroeë (6 uur) en intermediêre (18 uur) stadiums van maal vir Cu50Zr30Ni20 en Cu50Zr40Ni10 poeiers word onderskeidelik in Fig. 7a,c getoon. Volgens die helderveldbeeld (BFI) van die poeier wat na MA 6 uur geproduseer is, bestaan ​​die poeier uit groot korrels met goed gedefinieerde grense van die elemente fcc-Cu, hcp-Zr en fcc-Ni, en daar is geen teken dat die reaksiefase gevorm het nie, soos getoon in Fig. 7a. Verder het die gekorreleerde geselekteerde area-diffraksiepatroon (SADP) wat geneem is uit die middelste gebied van (a) 'n puntdiffraksiepatroon getoon (Fig. 7b), wat die teenwoordigheid van groot kristalliete en die afwesigheid van 'n reaktiewe fase aandui.
Lokale strukturele karakterisering van MA-poeier verkry na vroeë (6 uur) en intermediêre (18 uur) stadiums. (a) Veldemissie-hoëresolusie-transmissie-elektronmikroskopie (FE-HRTEM), en (b) die ooreenstemmende geselekteerde area-diffraksiepatroon (SADP) van Cu50Zr30Ni20-poeier na MA-behandeling vir 6 uur. Die FE-HRTEM-beeld van Cu50Zr40Ni10 verkry na 'n MA-tyd van 18 uur word in (c) getoon.
Soos getoon in Fig. 7c, het die verlenging van die MA-duur tot 18 uur gelei tot ernstige roosterdefekte gekombineer met plastiese vervorming. Gedurende hierdie tussenstadium van die MA-proses vertoon die poeier verskeie defekte, insluitend stapelfoute, roosterdefekte en puntdefekte (Figuur 7). Hierdie defekte veroorsaak dat die groot korrels langs hul korrelgrense in subkorrels met groottes kleiner as 20 nm verdeel (Fig. 7c).
Die lokale struktuur van Cu50Z30Ni20-poeier wat vir 36 uur MA-tyd gemaal is, toon die vorming van ultrafyn nanogorrels ingebed in 'n amorfe fyn matriks, soos getoon in Fig. 8a. Lokale EDS-analise het aangedui dat die nanoklusters wat in Fig. 8a getoon word, geassosieer was met onverwerkte Cu-, Zr- en Ni-poeierlegeringselemente. Terselfdertyd het die Cu-inhoud van die matriks gewissel van ~32 at.% (maer area) tot ~74 at.% (ryk area), wat die vorming van heterogene produkte aandui. Verder toon die ooreenstemmende SADP's van die poeiers wat verkry is na maal in hierdie stadium halo-diffuserende primêre en sekondêre ringe van amorfe fase, wat oorvleuel met skerp punte wat geassosieer word met daardie rou legeringselemente, soos getoon in Fig. 8b.
Plaaslike strukturele kenmerke van Cu50Zr30Ni20 poeier op nanoskaal verder as 36 uur. (a) Helderveldbeeld (BFI) en ooreenstemmende (b) SADP van Cu50Zr30Ni20 poeier verkry na maal vir 36 uur MA-tyd.
Teen die einde van die MA-proses (50 h) het Cu50(Zr50−xNix), X; 10, 20, 30 en 40 at.% poeiers altyd 'n labirintiese amorfe fasemorfologie soos getoon in Fig. 9a–d. In die ooreenstemmende SADP van elke samestelling kon nóg puntagtige diffraksies nóg skerp ringvormige patrone opgespoor word. Dit dui daarop dat geen onverwerkte kristallyne metaal teenwoordig is nie, maar eerder 'n amorfe legeringspoeier gevorm word. Hierdie gekorreleerde SADP's wat halo-diffusiepatrone toon, is ook gebruik as bewys vir die ontwikkeling van amorfe fases in die finale produkmateriaal.
Lokale struktuur van die finale produk van die MG Cu50 (Zr50−xNix) stelsel.FE-HRTEM en gekorreleerde nanobundeldiffraksiepatrone (NBDP) van (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 en (d) Cu50Zr10Ni40 verkry na 50 uur van MA.
Die termiese stabiliteit van die glasoorgangstemperatuur (Tg), onderverkoelde vloeistofgebied (ΔTx) en kristallisasietemperatuur (Tx) as 'n funksie van Ni-inhoud (x) van die amorfe Cu50(Zr50−xNix)-stelsel is ondersoek deur gebruik te maak van differensiële skanderingskalorimetrie (DSC) van eienskappe onder He-gasvloei. Die DSC-spore van die Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20 en Cu50Zr10Ni40 amorfe legeringspoeiers wat verkry is na 'n MA-tyd van 50 uur, word onderskeidelik in Fig. 10a, b, e getoon. Terwyl die DSC-kromme van amorfe Cu50Zr20Ni30 afsonderlik in Fig. 10c getoon word. Intussen word die Cu50Zr30Ni20-monster wat tot ~700 °C in DSC verhit is, in Fig. 10d getoon.
Termiese stabiliteit van Cu50(Zr50−xNix) MG-poeiers verkry na 'n MA-tyd van 50 uur, soos geïndekseer deur glasoorgangstemperatuur (Tg), kristallisasietemperatuur (Tx) en onderverkoelde vloeistofgebied (ΔTx). Differensiële skanderingskalorimeter (DSC) termogramme van (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 en (e) Cu50Zr10Ni40 MG-legeringspoeiers na 'n MA-tyd van 50 uur. Die X-straaldiffraksie (XRD)-patroon van die Cu50Zr30Ni20-monster wat tot ~700 °C in DSC verhit is, word in (d) getoon.
Soos getoon in Figuur 10, dui die DSC-krommes van alle samestellings met verskillende Ni-konsentrasies (x) twee verskillende gevalle aan, een endotermies en die ander eksotermies. Die eerste endotermiese gebeurtenis stem ooreen met Tg, terwyl die tweede verband hou met Tx. Die horisontale spangebied wat tussen Tg en Tx bestaan, word die onderverkoelde vloeistofgebied genoem (ΔTx = Tx – Tg). Die resultate toon dat die Tg en Tx van die Cu50Zr40Ni10-monster (Fig. 10a), geplaas by 526°C en 612°C, die inhoud (x) na 20 at.% verskuif na die lae temperatuurkant van onderskeidelik 482°C en 563°C met toenemende Ni-inhoud (x), soos getoon in Figuur 10b. Gevolglik neem die ΔTx van Cu50Zr40Ni10 af van 86 °C (Fig. 10a) tot 81 °C vir Cu50Zr30Ni20 (Fig. 10b). Vir die MG Cu50Zr40Ni10-legering is ook waargeneem dat die waardes van Tg, Tx en ΔTx afgeneem het tot die vlak van 447°C, 526°C en 79°C (Fig. 10b). Dit dui daarop dat die toename in Ni-inhoud lei tot 'n afname in die termiese stabiliteit van die MG-legering. In teenstelling hiermee is die Tg-waarde (507°C) van die MG Cu50Zr20Ni30-legering laer as dié van die MG Cu50Zr40Ni10-legering; nietemin toon die Tx-waarde daarvan 'n vergelykbare waarde as eersgenoemde (612°C). Daarom toon ΔTx 'n hoër waarde (87°C), soos getoon in Fig. 10c.
Die MG Cu50(Zr50−xNix)-stelsel, wat die MG Cu50Zr20Ni30-legering as voorbeeld neem, kristalliseer deur 'n skerp eksotermiese piek in die kristalfases van fcc-ZrCu5, ortorombies-Zr7Cu10 en ortorombies-ZrNi (Fig. 10c). Hierdie amorfe na kristallyne fase-oorgang is bevestig deur XRD van die MG-monster (Fig. 10d), wat tot 700 °C in DSC verhit is.
Figuur 11 toon foto's wat geneem is tydens die koue spuitproses wat in die huidige werk uitgevoer is. In hierdie studie is die metaalglasagtige poeierdeeltjies wat gesintetiseer is na 'n MA-tyd van 50 uur (met Cu50Zr20Ni30 as voorbeeld) as antibakteriese grondstowwe gebruik, en die vlekvrye staalplaat (SUS304) is bedek deur koue spuittegnologie. Die koue spuitmetode is gekies vir bedekking in die termiese spuittegnologiereeks omdat dit die mees doeltreffende metode in die termiese spuitreeks is en gebruik kan word vir metaalmetastabiele temperatuurgevoelige materiale soos amorfe en nanokristallyne poeiers, wat nie onderhewig is aan fase-oorgange nie. Dit is die hooffaktor in die keuse van hierdie metode. Die koue spuitproses word uitgevoer deur hoësnelheidsdeeltjies te gebruik wat die kinetiese energie van die deeltjies omskakel in plastiese vervorming, spanning en hitte na impak met die substraat of voorheen gedeponeerde deeltjies.
Veldfoto's toon die koue spuitprosedure wat gebruik is vir vyf opeenvolgende voorbereidings van MG-bedekking/SUS 304 teen 550 °C.
Die kinetiese energie van die deeltjies, en dus die momentum van elke deeltjie in die bedekkingsvorming, moet omgeskakel word na ander vorme van energie deur meganismes soos plastiese vervorming (aanvanklike deeltjie- en deeltjie-deeltjie-interaksies in die substraat en deeltjie-interaksies), holtes Konsolidasie, deeltjie-deeltjie rotasie, spanning en uiteindelik hitte 39. Verder, indien nie alle inkomende kinetiese energie omgeskakel word na hitte- en spanningsenergie nie, is die resultaat 'n elastiese botsing, wat beteken dat die deeltjies eenvoudig terugbons na impak. Daar is daarop gewys dat 90% van die impaksenergie wat op die deeltjie/substraatmateriaal toegepas word, omgeskakel word na plaaslike hitte 40. Verder, wanneer impakspanning toegepas word, word hoë plastiese spanningstempo's in die kontakdeeltjie/substraatgebied in 'n baie kort tyd bereik 41,42.
Plastiese vervorming word oor die algemeen beskou as 'n proses van energieverspreiding, of meer spesifiek, 'n hittebron in die tussenvlakgebied. Die temperatuurstyging in die tussenvlakgebied is egter gewoonlik nie voldoende om tussenvlaksmelting te veroorsaak of om atoominterdiffusie aansienlik te bevorder nie. Geen publikasie bekend aan die outeurs ondersoek die effek van die eienskappe van hierdie metaalagtige glasagtige poeiers op poeieradhesie en -afsetting wat plaasvind wanneer koue spuitmetodes gebruik word nie.
Die BFI van MG Cu50Zr20Ni30-legeringspoeier kan gesien word in Fig. 12a, wat op SUS 304-substraat bedek is (Fig. 11, 12b). Soos uit die figuur gesien kan word, behou die bedekte poeiers hul oorspronklike amorfe struktuur, aangesien hulle 'n delikate labirintstruktuur het sonder enige kristallyne kenmerke of roosterdefekte. Aan die ander kant dui die beeld die teenwoordigheid van 'n vreemde fase aan, soos voorgestel deur nanopartikels wat in die MG-bedekte poeiermatriks opgeneem is (Fig. 12a). Figuur 12c toon die geïndekseerde nanobundeldiffraksiepatroon (NBDP) wat met streek I geassosieer word (Figuur 12a). Soos getoon in Fig. 12c, vertoon NBDP 'n swak halo-diffusiepatroon van amorfe struktuur en bestaan ​​saam met skerp kolle wat ooreenstem met die kristallyne groot kubieke Zr2Ni-metastabiele plus tetragonale CuO-fase. Die vorming van CuO kan toegeskryf word aan die oksidasie van die poeier wanneer dit van die spuitstuk van die spuitpistool na SUS 304 beweeg in die oop lug onder supersoniese vloei. Aan die ander kant het die devitrifikasie van die metaalagtige glasagtige poeiers die vorming van groot kubieke fases na koue spuitbehandeling by 550 °C vir 30 min bewerkstellig.
(a) FE-HRTEM-beeld van MG-poeierbedekking op (b) SUS 304-substraat (inset van figuur). Die indeks NBDP van die sirkelvormige simbool wat in (a) getoon word, word in (c) getoon.
Om hierdie potensiële meganisme vir die vorming van groot kubieke Zr2Ni-nanopartikels te verifieer, is 'n onafhanklike eksperiment uitgevoer. In hierdie eksperiment is die poeiers vanuit 'n spuitpistool teen 550 °C in die rigting van die SUS 304-substraat gespuit; om die uitgloeiingseffek van die poeiers egter te verduidelik, is hulle so vinnig as moontlik (ongeveer 60 sekondes) van die SUS304-strook verwyder. Nog 'n stel eksperimente is uitgevoer waarin poeier ongeveer 180 sekondes na afsetting van die substraat verwyder is.
Figure 13a, b toon donkerveldbeelde (DFI) verkry deur skanderende transmissie-elektronmikroskopie (STEM) van twee gespuite materiale wat vir onderskeidelik 60 s en 180 s op SUS 304-substrate neergelê is. Die poeierbeeld wat vir 60 sekondes neergelê is, het geen morfologiese detail nie, wat kenmerkloosheid toon (Fig. 13a). Dit is ook bevestig deur XRD, wat aangedui het dat die algemene struktuur van hierdie poeiers amorf was, soos aangedui deur die breë primêre en sekondêre diffraksiemaksima wat in Figuur 14a getoon word. Dit dui op die afwesigheid van metastabiele/mesofase-presipitasie, waar die poeier sy oorspronklike amorfe struktuur behou. In teenstelling hiermee het die poeier wat by dieselfde temperatuur (550 °C) gespuit is, maar vir 180 s op die substraat gelaat is, die presipitasie van nano-grootte korrels getoon, soos aangedui deur die pyle in Fig. 13b.