Diolch i chi am ymweld â Nature.com. Mae gan y fersiwn porwr rydych chi'n ei ddefnyddio gefnogaeth CSS gyfyngedig. I gael y profiad gorau, rydym yn argymell eich bod chi'n defnyddio porwr wedi'i ddiweddaru (neu'n analluogi Modd Cydnawsedd yn Internet Explorer). Yn y cyfamser, er mwyn sicrhau cefnogaeth barhaus, byddwn yn rendro'r wefan heb arddulliau a JavaScript.
Mae bioffilmiau yn elfen bwysig yn natblygiad heintiau cronig, yn enwedig o ran dyfeisiau meddygol. Mae'r broblem hon yn cyflwyno her enfawr i'r gymuned feddygol, gan mai dim ond i raddau cyfyngedig iawn y gall gwrthfiotigau safonol ddinistrio bioffilmiau. Mae atal ffurfio bioffilm wedi arwain at ddatblygu amrywiol ddulliau cotio a deunyddiau newydd. Nod y technegau hyn yw cotio arwynebau mewn modd sy'n atal ffurfio bioffilm. Mae aloion metel gwydrog, yn enwedig y rhai sy'n cynnwys metelau copr a thitaniwm, wedi dod yn orchuddion gwrthficrobaidd delfrydol. Ar yr un pryd, mae'r defnydd o dechnoleg chwistrellu oer wedi cynyddu gan ei fod yn ddull addas ar gyfer prosesu deunyddiau sy'n sensitif i dymheredd. Rhan o nod yr ymchwil hwn oedd datblygu ffilm gwrthfacterol newydd o wydr metelaidd sy'n cynnwys Cu-Zr-Ni teiran gan ddefnyddio technegau aloi mecanyddol. Defnyddir y powdr sfferig sy'n ffurfio'r cynnyrch terfynol fel deunydd crai ar gyfer chwistrellu oer arwynebau dur di-staen ar dymheredd isel. Roedd swbstradau wedi'u gorchuddio â gwydr metel yn gallu lleihau ffurfio bioffilm yn sylweddol o leiaf 1 log o'i gymharu â dur di-staen.
Drwy gydol hanes dynolryw, mae unrhyw gymdeithas wedi gallu datblygu a hyrwyddo cyflwyno deunyddiau newydd i ddiwallu ei gofynion penodol, gan arwain at gynhyrchiant a safle uwch mewn economi fyd-eang1. Mae bob amser wedi'i briodoli i allu dynol i ddylunio deunyddiau ac offer gweithgynhyrchu, yn ogystal â dyluniadau i gynhyrchu a nodweddu deunyddiau i gyflawni iechyd, addysg, diwydiant, economeg, diwylliant a meysydd eraill o un wlad neu ranbarth i'r llall. Mesurir cynnydd waeth beth fo'r wlad neu'r rhanbarth2. Am 60 mlynedd, mae gwyddonwyr deunyddiau wedi neilltuo llawer o amser i un dasg bwysig: chwilio am ddeunyddiau newydd ac uwch. Mae ymchwil diweddar wedi canolbwyntio ar wella ansawdd a pherfformiad deunyddiau presennol, yn ogystal â syntheseiddio a dyfeisio mathau cwbl newydd o ddeunyddiau.
Mae ychwanegu elfennau aloi, addasu microstrwythur y deunydd a chymhwyso dulliau triniaeth thermol, mecanyddol neu thermofecanyddol wedi arwain at welliant sylweddol ym mhriodweddau mecanyddol, cemegol a ffisegol amrywiol ddeunyddiau. Yn ogystal, mae cyfansoddion anhysbys hyd yn hyn wedi'u syntheseiddio'n llwyddiannus. Mae'r ymdrechion parhaus hyn wedi arwain at deulu newydd o ddeunyddiau arloesol a elwir gyda'i gilydd yn Ddeunyddiau Uwch2. Mae nanocristalau, nanoronynnau, nanotiwbiau, dotiau cwantwm, gwydrau metelaidd amorffaidd sero-ddimensiwn, ac aloion entropi uchel yn rhai enghreifftiau o ddeunyddiau uwch sydd wedi ymddangos yn y byd ers canol y ganrif ddiwethaf. Wrth gynhyrchu a datblygu aloion newydd gyda phriodweddau gwell, yn y cynnyrch terfynol ac yng nghyfnodau canolradd ei gynhyrchu, mae problem anghydbwysedd yn aml yn cael ei hychwanegu. O ganlyniad i gyflwyno technegau gweithgynhyrchu newydd sy'n caniatáu gwyriadau sylweddol o gydbwysedd, mae dosbarth hollol newydd o aloion metasefydlog, a elwir yn wydrau metelaidd, wedi'i ddarganfod.
Chwyldroodd ei waith yn Caltech ym 1960 y cysyniad o aloion metel pan syntheseiddiodd aloion gwydrog Au-25 at.% Si trwy solidoli hylifau'n gyflym ar bron i filiwn gradd yr eiliad.4 Nid yn unig y nododd darganfyddiad yr Athro Paul Duves ddechrau hanes gwydrau metel (MS), ond arweiniodd hefyd at newid paradigm yn y ffordd y mae pobl yn meddwl am aloion metel. Ers yr ymchwil arloesol gyntaf un ym maes synthesis aloion MS, mae bron pob gwydr metelaidd wedi'i gael yn llwyr gan ddefnyddio un o'r dulliau canlynol: (i) solidoli cyflym y toddiant neu'r anwedd, (ii) anhwylder dellt atomig, (iii) adweithiau amorffeiddio cyflwr solid rhwng elfennau metelaidd pur a (iv) trawsnewidiadau cyfnod solid o gyfnodau metastabil.
Mae MGs yn cael eu gwahaniaethu gan absenoldeb trefn atomig hirdymor sy'n gysylltiedig â chrisialau, sy'n nodwedd ddiffiniol o grisialau. Yn y byd modern, mae cynnydd mawr wedi'i wneud ym maes gwydr metelaidd. Mae'r rhain yn ddeunyddiau newydd gyda phriodweddau diddorol sydd o ddiddordeb nid yn unig ar gyfer ffiseg cyflwr solet, ond hefyd ar gyfer meteleg, cemeg arwyneb, technoleg, bioleg, a llawer o feysydd eraill. Mae gan y math newydd hwn o ddeunydd briodweddau sy'n wahanol i fetelau caled, gan ei wneud yn ymgeisydd diddorol ar gyfer cymwysiadau technolegol mewn amrywiaeth o feysydd. Mae ganddynt rai priodweddau pwysig: (i) hydwythedd mecanyddol uchel a chryfder cynnyrch, (ii) athreiddedd magnetig uchel, (iii) gorfodaeth isel, (iv) ymwrthedd cyrydiad anarferol, (v) annibyniaeth tymheredd. Dargludedd 6.7.
Mae aloi mecanyddol (MA)1,8 yn ddull cymharol newydd, a gyflwynwyd gyntaf ym 19839 gan yr Athro KK Kok a'i gydweithwyr. Cynhyrchwyd powdrau amorffaidd Ni60Nb40 trwy falu cymysgedd o elfennau pur ar dymheredd amgylchynol yn agos iawn at dymheredd ystafell. Yn nodweddiadol, cynhelir yr adwaith MA rhwng bondio trylediad powdrau adweithyddion mewn adweithydd, fel arfer wedi'i wneud o ddur di-staen, i mewn i felin bêl. 10 (Ffig. 1a, b). Ers hynny, defnyddiwyd y dull adwaith cyflwr solid a achosir yn fecanyddol hwn i baratoi powdrau aloi gwydr amorffaidd/metelaidd newydd gan ddefnyddio melinau bêl a melinau gwialen ynni isel (Ffig. 1c) ac uchel11,12,13,14,15,16. Yn benodol, defnyddiwyd y dull hwn i baratoi systemau anghymysgadwy fel Cu-Ta17 yn ogystal ag aloion pwynt toddi uchel fel systemau metel trawsnewid Al-(TM, Zr, Hf, Nb a Ta)18,19 a Fe-W20, na ellir eu cael gan ddefnyddio dulliau coginio confensiynol. Yn ogystal, ystyrir MA yn un o'r offer nanotechnolegol mwyaf pwerus ar gyfer cynhyrchu gronynnau powdr nanogrisialog a nanogyfansawdd o ocsidau metel, carbidau, nitridau, hydridau, nanotiwbiau carbon, nanodiamwntau ar raddfa ddiwydiannol, yn ogystal â sefydlogi eang gan ddefnyddio dull o'r brig i lawr. 1 a chyfnodau metasefydlog.
Cynllun sgematig yn dangos y dull cynhyrchu a ddefnyddiwyd i baratoi'r haen wydr metelaidd Cu50(Zr50-xNix)/SUS 304 yn yr astudiaeth hon. (a) Paratoi powdrau aloi MC gyda chrynodiadau amrywiol o Ni x (x; 10, 20, 30, a 40 at.%) gan ddefnyddio'r dull melino pêl ynni isel. (a) Llwythir y deunydd cychwyn i mewn i silindr offer ynghyd â pheli dur offer a (b) selir mewn blwch maneg wedi'i lenwi ag awyrgylch He. (c) Model tryloyw o'r llestr malu yn dangos symudiad y bêl yn ystod malu. Defnyddiwyd y cynnyrch powdr terfynol a gafwyd ar ôl 50 awr i orchuddio'r swbstrad SUS 304 â chwistrell oer (d).
O ran arwynebau deunyddiau swmp (swbstradau), mae peirianneg arwynebau yn cynnwys dylunio ac addasu arwynebau (swbstradau) i ddarparu rhai priodweddau ffisegol, cemegol a thechnegol nad ydynt yn bresennol yn y deunydd swmp gwreiddiol. Mae rhai o'r priodweddau y gellir eu gwella'n effeithiol trwy drin arwynebau yn cynnwys ymwrthedd i grafiad, ocsideiddio a chorydiad, cyfernod ffrithiant, bio-anadlaetholdeb, priodweddau trydanol ac inswleiddio thermol, dim ond i enwi ond ychydig. Gellir gwella ansawdd arwynebau trwy ddulliau metelegol, mecanyddol neu gemegol. Fel proses adnabyddus, diffinnir cotio yn syml fel un neu fwy o haenau o ddeunydd a roddir yn artiffisial ar wyneb gwrthrych swmp (swbstrad) wedi'i wneud o ddeunydd arall. Felly, defnyddir cotiau yn rhannol i gyflawni priodweddau technegol neu addurniadol dymunol, yn ogystal ag amddiffyn deunyddiau rhag rhyngweithiadau cemegol a ffisegol disgwyliedig â'r amgylchedd23.
Gellir defnyddio amrywiaeth o ddulliau a thechnegau i gymhwyso haenau amddiffynnol addas o ychydig ficrometrau (o dan 10-20 micrometr) i fwy na 30 micrometr neu hyd yn oed sawl milimetr o drwch. Yn gyffredinol, gellir rhannu prosesau cotio yn ddau gategori: (i) dulliau cotio gwlyb, gan gynnwys electroplatio, electroplatio, a galfaneiddio trochi poeth, a (ii) dulliau cotio sych, gan gynnwys sodro, caled-wynebu, dyddodiad anwedd corfforol (PVD), dyddodiad anwedd cemegol (CVD), technegau chwistrellu thermol, ac yn fwy diweddar technegau chwistrellu oer 24 (Ffigur 1d).
Diffinnir bioffilmiau fel cymunedau microbaidd sydd ynghlwm wrth arwynebau mewn modd anwrthdroadwy ac wedi'u hamgylchynu gan bolymerau allgellog hunangynhyrchiedig (EPS). Gall ffurfio bioffilm aeddfed arwynebol arwain at golledion sylweddol mewn llawer o ddiwydiannau, gan gynnwys prosesu bwyd, systemau dŵr, a gofal iechyd. Mewn bodau dynol, gyda ffurfio bioffilmiau, mae mwy nag 80% o achosion o heintiau microbaidd (gan gynnwys Enterobacteriaceae a Staphylococci) yn anodd eu trin. Yn ogystal, adroddwyd bod bioffilmiau aeddfed 1000 gwaith yn fwy gwrthsefyll triniaeth wrthfiotig o'i gymharu â chelloedd bacteriol planctonig, a ystyrir yn her therapiwtig fawr. Yn hanesyddol, defnyddiwyd deunyddiau cotio arwyneb gwrthficrobaidd sy'n deillio o gyfansoddion organig cyffredin. Er bod deunyddiau o'r fath yn aml yn cynnwys cydrannau gwenwynig a allai fod yn niweidiol i fodau dynol,25,26 gall hyn helpu i osgoi trosglwyddo bacteria a diraddio deunyddiau.
Mae ymwrthedd bacteriol eang i driniaeth wrthfiotig oherwydd ffurfio bioffilm wedi arwain at yr angen i ddatblygu arwyneb wedi'i orchuddio â philen gwrthficrobaidd effeithiol y gellir ei gymhwyso'n ddiogel27. Datblygu arwyneb gwrthlynol ffisegol neu gemegol na all celloedd bacteriol rwymo iddo a ffurfio bioffilmiau oherwydd adlyniad yw'r dull cyntaf yn y broses hon27. Yr ail dechnoleg yw datblygu haenau sy'n darparu cemegau gwrthficrobaidd yn union lle mae eu hangen, mewn meintiau crynodedig iawn a theilwredig. Cyflawnir hyn trwy ddatblygu deunyddiau cotio unigryw fel graffen/germaniwm28, diemwnt du29 a haenau carbon tebyg i ddiemwnt wedi'u dopio â ZnO30 sy'n gwrthsefyll bacteria, technoleg sy'n gwneud y mwyaf o ddatblygiad gwenwyndra a gwrthsefyll oherwydd ffurfio bioffilm. Yn ogystal, mae haenau sy'n cynnwys cemegau germladdol sy'n darparu amddiffyniad hirdymor rhag halogiad bacteriol yn dod yn fwyfwy poblogaidd. Er bod y tri gweithdrefn yn gallu arfer gweithgaredd gwrthficrobaidd ar arwynebau wedi'u gorchuddio, mae gan bob un ei set ei hun o gyfyngiadau y dylid eu hystyried wrth ddatblygu strategaeth gymhwyso.
Mae'r cynhyrchion sydd ar y farchnad ar hyn o bryd yn cael eu rhwystro gan y diffyg amser i ddadansoddi a phrofi haenau amddiffynnol ar gyfer cynhwysion biolegol weithredol. Mae cwmnïau'n honni y bydd eu cynhyrchion yn darparu'r agweddau swyddogaethol dymunol i ddefnyddwyr, fodd bynnag, mae hyn wedi dod yn rhwystr i lwyddiant y cynhyrchion sydd ar y farchnad ar hyn o bryd. Defnyddir cyfansoddion sy'n deillio o arian yn y mwyafrif helaeth o wrthficrobaidd sydd ar gael i ddefnyddwyr ar hyn o bryd. Mae'r cynhyrchion hyn wedi'u cynllunio i amddiffyn defnyddwyr rhag dod i gysylltiad â micro-organebau a allai fod yn niweidiol. Mae'r effaith wrthficrobaidd oedi a gwenwyndra cysylltiedig cyfansoddion arian yn cynyddu'r pwysau ar ymchwilwyr i ddatblygu dewis arall llai niweidiol36,37. Mae creu haen wrthficrobaidd fyd-eang sy'n gweithio y tu mewn a'r tu allan yn parhau i fod yn her. Daw hyn â risgiau iechyd a diogelwch cysylltiedig. Mae darganfod asiant gwrthficrobaidd sy'n llai niweidiol i fodau dynol a darganfod sut i'w ymgorffori mewn swbstradau cotio gydag oes silff hirach yn nod y mae galw mawr amdano38. Mae'r deunyddiau gwrthficrobaidd a biofilm diweddaraf wedi'u cynllunio i ladd bacteria o bellter agos naill ai trwy gyswllt uniongyrchol neu ar ôl rhyddhau'r asiant gweithredol. Gallant wneud hyn drwy atal adlyniad bacteriol cychwynnol (gan gynnwys atal ffurfio haen protein ar yr wyneb) neu drwy ladd bacteria drwy ymyrryd â wal y gell.
Yn ei hanfod, cotio arwyneb yw'r broses o roi haen arall ar wyneb cydran i wella nodweddion yr arwyneb. Pwrpas cotio arwyneb yw newid microstrwythur a/neu gyfansoddiad rhanbarth agos at wyneb cydran39. Gellir rhannu dulliau cotio arwyneb yn wahanol ddulliau, a grynhoir yn Ffig. 2a. Gellir rhannu cotiau yn gategorïau thermol, cemegol, ffisegol ac electrocemegol yn dibynnu ar y dull a ddefnyddir i greu'r cotio.
(a) Mewnosodiad sy'n dangos y prif dechnegau cynhyrchu arwynebau, a (b) manteision ac anfanteision dethol o'r dull chwistrellu oer.
Mae gan dechnoleg chwistrellu oer lawer yn gyffredin â thechnegau chwistrellu thermol traddodiadol. Fodd bynnag, mae yna hefyd rai priodweddau sylfaenol allweddol sy'n gwneud y broses chwistrellu oer a deunyddiau chwistrellu oer yn arbennig o unigryw. Mae technoleg chwistrellu oer yn ei dyddodiad o hyd, ond mae ganddi ddyfodol gwych. Mewn rhai achosion, mae priodweddau unigryw chwistrellu oer yn cynnig manteision mawr, gan oresgyn cyfyngiadau technegau chwistrellu thermol confensiynol. Mae'n goresgyn cyfyngiadau sylweddol technoleg chwistrellu thermol draddodiadol, lle mae'n rhaid toddi'r powdr i'w ddyddodi ar swbstrad. Yn amlwg, nid yw'r broses orchuddio draddodiadol hon yn addas ar gyfer deunyddiau sy'n sensitif iawn i dymheredd fel nanogrisialau, nanoronynnau, gwydrau amorffaidd a metelaidd40, 41, 42. Yn ogystal, mae gan ddeunyddiau cotio chwistrellu thermol lefel uchel o mandylledd ac ocsidau bob amser. Mae gan dechnoleg chwistrellu oer lawer o fanteision sylweddol dros dechnoleg chwistrellu thermol, megis (i) mewnbwn gwres lleiaf i'r swbstrad, (ii) hyblygrwydd wrth ddewis y cotio swbstrad, (iii) dim trawsnewid cyfnod a thwf grawn, (iv) cryfder gludiog uchel1 .39 (Ffig. 2b). Yn ogystal, mae gan ddeunyddiau cotio chwistrellu oer ymwrthedd cyrydiad uchel, cryfder a chaledwch uchel, dargludedd trydanol uchel a dwysedd uchel41. Er gwaethaf manteision y broses chwistrellu oer, mae gan y dull hwn rai anfanteision o hyd, fel y dangosir yn Ffigur 2b. Wrth orchuddio powdrau ceramig pur fel Al2O3, TiO2, ZrO2, WC, ac ati, ni ellir defnyddio'r dull chwistrellu oer. Ar y llaw arall, gellir defnyddio powdrau cyfansawdd ceramig/metel fel deunyddiau crai ar gyfer cotio. Mae'r un peth yn wir am ddulliau chwistrellu thermol eraill. Mae arwynebau anodd a thu mewn pibellau yn dal yn anodd eu chwistrellu.
O ystyried bod y gwaith presennol wedi'i gyfeirio at ddefnyddio powdrau gwydrog metelaidd fel deunyddiau cychwyn ar gyfer haenau, mae'n amlwg na ellir defnyddio chwistrellu thermol confensiynol at y diben hwn. Mae hyn oherwydd y ffaith bod powdrau gwydrog metelaidd yn crisialu ar dymheredd uchel1.
Mae'r rhan fwyaf o'r offerynnau a ddefnyddir yn y diwydiannau meddygol a bwyd wedi'u gwneud o aloion dur gwrthstaen austenitig (SUS316 a SUS304) gyda chynnwys cromiwm o 12 i 20% pwysau ar gyfer cynhyrchu offerynnau llawfeddygol. Yn gyffredinol, derbynnir y gall defnyddio metel cromiwm fel elfen aloi mewn aloion dur wella ymwrthedd cyrydiad aloion dur safonol yn sylweddol. Nid oes gan aloion dur gwrthstaen, er gwaethaf eu hymwrthedd uchel i gyrydiad, briodweddau gwrthficrobaidd sylweddol38,39. Mae hyn yn cyferbynnu â'u hymwrthedd uchel i gyrydiad. Ar ôl hynny, mae'n bosibl rhagweld datblygiad haint a llid, sy'n bennaf oherwydd adlyniad bacteriol a gwladychu ar wyneb bioddeunyddiau dur gwrthstaen. Gall anawsterau sylweddol godi oherwydd yr anawsterau sylweddol sy'n gysylltiedig ag adlyniad bacteriol a llwybrau ffurfio bioffilm, a all arwain at iechyd gwael, a all gael llawer o ganlyniadau a all effeithio'n uniongyrchol neu'n anuniongyrchol ar iechyd pobl.
Yr astudiaeth hon yw cam cyntaf prosiect a ariannwyd gan Sefydliad Kuwait er Hyrwyddo Gwyddoniaeth (KFAS), contract rhif 2010-550401, i ymchwilio i ddichonoldeb cynhyrchu powdrau teiran Cu-Zr-Ni gwydrog metelaidd gan ddefnyddio technoleg MA (tabl). 1) Ar gyfer cynhyrchu ffilm/gorchudd amddiffyn arwyneb gwrthfacterol SUS304. Bydd ail gam y prosiect, a ddisgwylir i ddechrau ym mis Ionawr 2023, yn astudio'n fanwl nodweddion cyrydiad galfanig a phriodweddau mecanyddol y system. Cynhelir profion microbiolegol manwl ar gyfer gwahanol fathau o facteria.
Mae'r erthygl hon yn trafod effaith cynnwys aloi Zr ar allu ffurfio gwydr (GFA) yn seiliedig ar nodweddion morffolegol a strwythurol. Yn ogystal, trafodwyd priodweddau gwrthfacteria'r cyfansawdd gwydr metel wedi'i orchuddio â phowdr/SUS304. Yn ogystal, mae gwaith parhaus wedi'i wneud i ymchwilio i'r posibilrwydd o drawsnewid strwythurol powdrau gwydr metelaidd yn digwydd yn ystod chwistrellu oer yn rhanbarth hylif uwch-oeri systemau gwydr metelaidd wedi'u ffugio. Defnyddiwyd aloion gwydr metelaidd Cu50Zr30Ni20 a Cu50Zr20Ni30 fel enghreifftiau cynrychioliadol yn yr astudiaeth hon.
Mae'r adran hon yn cyflwyno'r newidiadau morffolegol mewn powdrau o Cu, Zr a Ni elfennol yn ystod melino pêl ynni isel. Defnyddir dau system wahanol sy'n cynnwys Cu50Zr20Ni30 a Cu50Zr40Ni10 fel enghreifftiau darluniadol. Gellir rhannu'r broses MA yn dair cam ar wahân, fel y dangosir gan nodweddiad metelograffig y powdr a geir yn y cam malu (Ffig. 3).
Nodweddion metelograffig powdrau o aloion mecanyddol (MA) a gafwyd ar ôl gwahanol gamau o falu pêl. Dangosir delweddau microsgopeg sganio electron allyriadau maes (FE-SEM) o bowdrau MA a Cu50Zr40Ni10 a gafwyd ar ôl melino pêl ynni isel am 3, 12 a 50 awr yn (a), (c) ac (e) ar gyfer y system Cu50Zr20Ni30, tra ar yr un MA. Dangosir y delweddau cyfatebol o'r system Cu50Zr40Ni10 a gymerwyd ar ôl amser yn (b), (d), ac (f).
Yn ystod melino pêl, mae'r egni cinetig effeithiol y gellir ei drosglwyddo i'r powdr metel yn cael ei effeithio gan gyfuniad o baramedrau, fel y dangosir yn Ffig. 1a. Mae hyn yn cynnwys gwrthdrawiadau rhwng peli a phowdrau, cywasgiad cneifio powdr sy'n sownd rhwng neu rhwng cyfryngau malu, effeithiau o beli sy'n cwympo, cneifio a gwisgo a achosir gan lusgo powdr rhwng cyrff symudol melin bêl, a thon sioc yn mynd trwy beli sy'n cwympo ac yn ymledu trwy ddiwylliant wedi'i lwytho (Ffig. 1a). Элементарные порошки Cu, Zr и Ni были сильно деформированы из-за холодной сварки на ранней стади3 привело к образованию крупных частиц порошка (> 1 мм в диаметре). Cafodd y powdrau elfennol Cu, Zr, a Ni eu hanffurfio'n ddifrifol oherwydd weldio oer yng nghyfnod cynnar MA (3 awr), a arweiniodd at ffurfio gronynnau powdr mawr (> 1 mm mewn diamedr).Nodweddir y gronynnau cyfansawdd mawr hyn gan ffurfio haenau trwchus o elfennau aloi (Cu, Zr, Ni), fel y dangosir yn ffig. 3a,b. Arweiniodd cynnydd yn yr amser MA i 12 awr (cam canolradd) at gynnydd yn egni cinetig y felin bêl, a arweiniodd at ddadelfennu'r powdr cyfansawdd yn bowdrau llai (llai na 200 μm), fel y dangosir yn Ffig. 3c. Yn y cam hwn, mae'r grym cneifio a gymhwysir yn arwain at ffurfio arwyneb metel newydd gyda haenau tenau o Cu, Zr, Ni, fel y dangosir yn Ffig. 3c, d. O ganlyniad i falu'r haenau ar ryngwyneb y naddion, mae adweithiau cyfnod solet yn digwydd gyda ffurfio cyfnodau newydd.
Ar uchafbwynt y broses MA (ar ôl 50 awr), prin oedd metelograffeg naddion yn amlwg (Ffig. 3e, f), a gwelwyd metelograffeg drych ar wyneb caboledig y powdr. Mae hyn yn golygu bod y broses MA wedi'i chwblhau a bod un cyfnod adwaith wedi'i greu. Penderfynwyd ar gyfansoddiad elfennol y rhanbarthau a nodir yn Ffigau 3e (I, II, III), f, v, vi) gan ddefnyddio microsgopeg electron sganio allyriadau maes (FE-SEM) ar y cyd â sbectrosgopeg pelydr-X gwasgarol ynni (EDS). (IV).
Yn nhabl 2, dangosir crynodiadau elfennol yr elfennau aloi fel canran o gyfanswm màs pob rhanbarth a ddewiswyd yn ffig. 3e, f. Mae cymharu'r canlyniadau hyn â'r cyfansoddiadau enwol cychwynnol o Cu50Zr20Ni30 a Cu50Zr40Ni10 a roddir yn Nhabl 1 yn dangos bod cyfansoddiadau'r ddau gynnyrch terfynol hyn yn agos iawn at y cyfansoddiadau enwol. Yn ogystal, nid yw gwerthoedd cymharol y cydrannau ar gyfer y rhanbarthau a restrir yn Ffig. 3e,f yn awgrymu dirywiad nac amrywiad sylweddol yng nghyfansoddiad pob sampl o un rhanbarth i'r llall. Mae hyn yn amlwg o'r ffaith nad oes unrhyw newid yn y cyfansoddiad o un rhanbarth i'r llall. Mae hyn yn dangos cynhyrchu powdrau aloi unffurf fel y dangosir yn Nhabl 2.
Cafwyd micrograffau FE-SEM o'r powdr cynnyrch terfynol Cu50(Zr50-xNix) ar ôl 50 gwaith MA, fel y dangosir yn Ffig. 4a-d, lle mae x yn 10, 20, 30 a 40 at.%, yn y drefn honno. Ar ôl y cam malu hwn, mae'r powdr yn crynhoi oherwydd effaith van der Waals, sy'n arwain at ffurfio crynhoadau mawr sy'n cynnwys gronynnau mân iawn gyda diamedr o 73 i 126 nm, fel y dangosir yn Ffigur 4.
Nodweddion morffolegol powdrau Cu50(Zr50-xNix) a gafwyd ar ôl MA 50 awr. Ar gyfer y systemau Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40, dangosir delweddau FE-SEM o bowdrau a gafwyd ar ôl 50 MA yn (a), (b), (c), a (d), yn y drefn honno.
Cyn llwytho'r powdrau i'r porthiant chwistrellu oer, cawsant eu soniceiddio yn gyntaf mewn ethanol gradd dadansoddol am 15 munud ac yna eu sychu ar 150°C am 2 awr. Rhaid cymryd y cam hwn i frwydro yn erbyn crynhoad yn llwyddiannus, sy'n aml yn achosi llawer o broblemau difrifol yn y broses orchuddio. Ar ôl cwblhau'r broses MA, cynhaliwyd astudiaethau pellach i ymchwilio i homogenedd y powdrau aloi. Ar ffig. 5a–d dangosir micrograffau FE-SEM a delweddau EDS cyfatebol o elfennau aloi Cu, Zr a Ni yr aloi Cu50Zr30Ni20 a gymerwyd ar ôl 50 awr o amser M, yn y drefn honno. Dylid nodi bod y powdrau aloi a geir ar ôl y cam hwn yn homogenaidd, gan nad ydynt yn arddangos unrhyw amrywiadau cyfansoddiad y tu hwnt i'r lefel is-nanomedr, fel y dangosir yn Ffigur 5.
Morffoleg a dosbarthiad lleol elfennau mewn powdr MG Cu50Zr30Ni20 a gafwyd ar ôl 50 MA gan Sbectrosgopeg Pelydr-X Gwasgarol Ynni (EDS) FE-SEM. (a) Delweddu SEM ac EDS pelydr-X o (b) Cu-Kα, (c) Zr-Lα, a (d) Ni-Kα.
Dangosir patrymau diffractiad pelydr-X powdrau Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, a Cu50Zr20Ni30 wedi'u aloi'n fecanyddol a gafwyd ar ôl MA 50 awr yn Ffig. 6a–d, yn y drefn honno. Ar ôl y cam malu hwn, roedd gan bob sampl â chrynodiadau Zr gwahanol strwythurau amorffaidd gyda phatrymau trylediad halo nodweddiadol a ddangosir yn Ffig. 6.
Patrymau diffractiad pelydr-X powdrau Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c), a Cu50Zr20Ni30 (d) ar ôl MA am 50 awr. Gwelwyd patrwm halo-diffusiad ym mhob sampl heb eithriad, gan ddangos ffurfio cyfnod amorffaidd.
Defnyddiwyd microsgopeg electron trosglwyddo allyriadau maes cydraniad uchel (FE-HRTEM) i arsylwi newidiadau strwythurol a deall strwythur lleol powdrau sy'n deillio o felino pêl ar wahanol adegau MA. Dangosir delweddau o bowdrau a gafwyd gan y dull FE-HRTEM ar ôl camau cynnar (6 awr) a chanolradd (18 awr) malu powdrau Cu50Zr30Ni20 a Cu50Zr40Ni10 yn Ffig. 7a, yn y drefn honno. Yn ôl y ddelwedd maes llachar (BFI) o'r powdr a gafwyd ar ôl 6 awr o MA, mae'r powdr yn cynnwys gronynnau mawr gyda ffiniau wedi'u diffinio'n glir o'r elfennau fcc-Cu, hcp-Zr, ac fcc-Ni, ac nid oes unrhyw arwyddion o ffurfio cyfnod adwaith, fel y dangosir yn Ffig. 7a. Yn ogystal, datgelodd patrwm diffreithiant ardal ddethol gydberthynol (SADP) a gymerwyd o'r rhanbarth canol (a) batrwm diffreithiant miniog (Ffig. 7b) sy'n dangos presenoldeb crisialau mawr ac absenoldeb cyfnod adweithiol.
Nodweddion strwythurol lleol y powdr MA a gafwyd ar ôl y camau cynnar (6 awr) a chanolradd (18 awr). (a) Microsgopeg electron trosglwyddo allyriadau maes cydraniad uchel (FE-HRTEM) a (b) diffractogram ardal ddethol cyfatebol (SADP) o bowdr Cu50Zr30Ni20 ar ôl triniaeth MA am 6 awr. Dangosir y ddelwedd FE-HRTEM o Cu50Zr40Ni10 a gafwyd ar ôl MA 18 awr yn (c).
Fel y dangosir yn ffig. 7c, arweiniodd cynnydd yn hyd MA i 18 awr at ddiffygion dellt difrifol ar y cyd ag anffurfiad plastig. Yn y cam canolradd hwn o'r broses MA, mae amryw o ddiffygion yn ymddangos yn y powdr, gan gynnwys namau pentyrru, diffygion dellt, a diffygion pwynt (Ffig. 7). Mae'r diffygion hyn yn achosi darnio gronynnau mawr ar hyd ffiniau'r gronynnau yn is-ronynnau sy'n llai na 20 nm o ran maint (Ffig. 7c).
Nodweddir strwythur lleol y powdr Cu50Z30Ni20 a felinwyd am 36 awr o MA gan ffurfio nanogronynnau mân iawn wedi'u hymgorffori mewn matrics tenau amorffaidd, fel y dangosir yn Ffig. 8a. Dangosodd dadansoddiad lleol o'r EMF fod y nanoglystyrau a ddangosir yn Ffig. 8a yn gysylltiedig ag aloion powdr Cu, Zr a Ni heb eu trin. Roedd cynnwys Cu yn y matrics yn amrywio o ~32 at.% (parth gwael) i ~74 at.% (parth cyfoethog), sy'n dynodi ffurfio cynhyrchion heterogenaidd. Yn ogystal, mae'r SADPs cyfatebol o'r powdrau a gafwyd ar ôl melino yn y cam hwn yn dangos cylchoedd cyfnod amorffaidd halo-tryliad cynradd ac eilaidd yn gorgyffwrdd â phwyntiau miniog sy'n gysylltiedig â'r elfennau aloi heb eu trin hyn, fel y dangosir yn Ffig. 8b.
Nodweddion strwythurol lleol nanosgâl powdr Beyond 36 h-Cu50Zr30Ni20. (a) Delwedd maes llachar (BFI) a'r SADP cyfatebol (b) o bowdr Cu50Zr30Ni20 a gafwyd ar ôl melino am 36 awr o MA.
Tua diwedd y broses MA (50 awr), mae gan bowdrau Cu50(Zr50-xNix), X, 10, 20, 30, a 40 at.%, heb eithriad, forffoleg labyrinthine o'r cyfnod amorffaidd, fel y dangosir yn Ffig. . Ni ellid canfod diffractiad pwynt na phatrymau cylchol miniog yn SADS cyfatebol pob cyfansoddiad. Mae hyn yn dangos absenoldeb metel crisialog heb ei drin, ond yn hytrach ffurfio powdr aloi amorffaidd. Defnyddiwyd y SADPs cydberthynol hyn sy'n dangos patrymau trylediad halo hefyd fel tystiolaeth ar gyfer datblygiad cyfnodau amorffaidd yn y deunydd cynnyrch terfynol.
Strwythur lleol cynnyrch terfynol y system Cu50 MS (Zr50-xNix). FE-HRTEM a phatrymau diffractiad nanobeam cydberthynol (NBDP) o (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30, a (d) Cu50Zr10Ni40 a gafwyd ar ôl 50 awr o MA.
Gan ddefnyddio calorimetreg sganio gwahaniaethol, astudiwyd sefydlogrwydd thermol tymheredd y trawsnewid gwydr (Tg), rhanbarth yr hylif wedi'i oeri'n ormodol (ΔTx) a'r tymheredd crisialu (Tx) yn dibynnu ar gynnwys Ni (x) yn y system amorffaidd Cu50(Zr50-xNix). Priodweddau (DSC) yn llif nwy He. Dangosir cromliniau DSC powdrau o aloion amorffaidd Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, a Cu50Zr10Ni40 a gafwyd ar ôl MA am 50 awr yn Ffigau 10a, b, e, yn y drefn honno. Tra dangosir cromlin DSC Cu50Zr20Ni30 amorffaidd ar wahân yn Ffig. 10fed ganrif. Yn y cyfamser, dangosir sampl Cu50Zr30Ni20 wedi'i gynhesu i ~700°C mewn DSC yn Ffig. 10g.
Pennir sefydlogrwydd thermol powdrau Cu50(Zr50-xNix) MG a geir ar ôl MA am 50 awr gan y tymheredd trawsnewid gwydr (Tg), tymheredd crisialu (Tx) a'r rhanbarth hylif wedi'i oeri'n ormodol (ΔTx). Thermogramau o bowdrau calorimedr sganio gwahaniaethol (DSC) o bowdrau aloi Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c), ac (e) powdrau aloi Cu50Zr10Ni40 MG ar ôl MA am 50 awr. Dangosir patrwm diffractiad pelydr-X (XRD) o sampl Cu50Zr30Ni20 wedi'i gynhesu i ~700°C mewn DSC yn (d).
Fel y dangosir yn Ffigur 10, mae'r cromliniau DSC ar gyfer pob cyfansoddiad â chrynodiadau nicel gwahanol (x) yn dangos dau achos gwahanol, un endothermig a'r llall ecsothermig. Mae'r digwyddiad endothermig cyntaf yn cyfateb i Tg, ac mae'r ail yn gysylltiedig â Tx. Gelwir yr ardal rhychwant llorweddol sy'n bodoli rhwng Tg a Tx yn ardal hylif is-oeri (ΔTx = Tx – Tg). Mae'r canlyniadau'n dangos bod Tg a Tx y sampl Cu50Zr40Ni10 (Ffig. 10a) a osodwyd ar 526°C a 612°C yn symud y cynnwys (x) hyd at 20 at % tuag at ochr tymheredd isel 482°C a 563°C. °C gyda chynnwys Ni cynyddol (x), yn y drefn honno, fel y dangosir yn Ffigur 10b. O ganlyniad, mae ΔTx Cu50Zr40Ni10 yn gostwng o 86°С (Ffig. 10a) i 81°С ar gyfer Cu50Zr30Ni20 (Ffig. 10b). Ar gyfer yr aloi MC Cu50Zr40Ni10, gwelwyd gostyngiad hefyd yng ngwerthoedd Tg, Tx, ac ΔTx i lefelau 447°С, 526°С, a 79°С (Ffig. 10b). Mae hyn yn dangos bod cynnydd yn y cynnwys Ni yn arwain at ostyngiad yn sefydlogrwydd thermol yr aloi MS. I'r gwrthwyneb, mae gwerth Tg (507 °C) yr aloi MC Cu50Zr20Ni30 yn is na gwerth yr aloi MC Cu50Zr40Ni10; serch hynny, mae ei Tx yn dangos gwerth cymharol ag ef (612 °C). Felly, mae gan ΔTx werth uwch (87°C) fel y dangosir yn ffig. 10fed ganrif.
Mae system MC Cu50(Zr50-xNix), gan ddefnyddio'r aloi MC Cu50Zr20Ni30 fel enghraifft, yn crisialu trwy big ecsothermig miniog i gamau crisialog fcc-ZrCu5, orthorhombig-Zr7Cu10, ac orthorhombig-ZrNi (Ffig. 10c). Cadarnhawyd y trawsnewidiad cam hwn o amorffaidd i grisialog gan ddadansoddiad diffractiad pelydr-X o'r sampl MG (Ffig. 10d) a gynheswyd i 700 °C mewn DSC.
Mae ffig. 11 yn dangos ffotograffau a dynnwyd yn ystod y broses chwistrellu oer a gynhaliwyd yn y gwaith cyfredol. Yn yr astudiaeth hon, defnyddiwyd gronynnau powdr gwydrog metel a syntheseiddiwyd ar ôl MA am 50 awr (gan ddefnyddio Cu50Zr20Ni30 fel enghraifft) fel deunydd crai gwrthfacteria, a chafodd plât dur di-staen (SUS304) ei orchuddio â chwistrell oer. Dewiswyd y dull chwistrellu oer ar gyfer gorchuddio yn y gyfres dechnoleg chwistrellu thermol oherwydd dyma'r dull mwyaf effeithlon yn y gyfres technoleg chwistrellu thermol lle gellir ei ddefnyddio ar gyfer deunyddiau metelaidd metasefydlog sy'n sensitif i wres fel powdrau amorffaidd a nanogrisialog. Nid ydynt yn destun trawsnewidiadau cyfnod. Dyma'r prif ffactor wrth ddewis y dull hwn. Cynhelir y broses dyddodiad oer gan ddefnyddio gronynnau cyflymder uchel sy'n trosi egni cinetig y gronynnau yn anffurfiad plastig, anffurfiad a gwres ar ôl cael effaith â'r swbstrad neu ronynnau a ddyddodwyd yn flaenorol.
Mae ffotograffau maes yn dangos y weithdrefn chwistrellu oer a ddefnyddiwyd ar gyfer pum paratoad olynol o MG/SUS 304 ar 550°C.
Rhaid trosi egni cinetig y gronynnau, yn ogystal â momentwm pob gronyn yn ystod ffurfio'r haen, yn ffurfiau eraill o egni trwy fecanweithiau fel anffurfiad plastig (rhyngweithiadau gronynnau cynradd a rhyng-ronynnau yn y matrics a rhyngweithiadau gronynnau), clymau rhyngrstitial solidau, cylchdro rhwng gronynnau, anffurfiad a gwresogi cyfyngol 39. Yn ogystal, os na chaiff yr holl egni cinetig sy'n dod i mewn ei drawsnewid yn egni thermol ac egni anffurfiad, y canlyniad fydd gwrthdrawiad elastig, sy'n golygu bod y gronynnau'n bownsio i ffwrdd ar ôl yr effaith. Nodwyd bod 90% o'r egni effaith a roddir ar y deunydd gronyn/swbstrad yn cael ei drawsnewid yn wres lleol 40. Yn ogystal, pan roddir straen effaith, cyflawnir cyfraddau straen plastig uchel yn rhanbarth cyswllt y gronyn/swbstrad mewn amser byr iawn 41,42.
Fel arfer, ystyrir anffurfiad plastig fel proses o wasgaru ynni, neu'n hytrach, fel ffynhonnell gwres yn y rhanbarth rhyngwynebol. Fodd bynnag, fel arfer nid yw'r cynnydd mewn tymheredd yn y rhanbarth rhyngwynebol yn ddigonol i doddi rhyngwynebol ddigwydd nac ysgogiad sylweddol o drylediad cydfuddiannol atomau. Nid oes unrhyw gyhoeddiad sy'n hysbys i'r awduron wedi ymchwilio i effaith priodweddau'r powdrau gwydrog metelaidd hyn ar adlyniad a gwaddodi powdr sy'n digwydd wrth ddefnyddio technegau chwistrellu oer.
Gellir gweld BFI y powdr aloi MG Cu50Zr20Ni30 yn Ffig. 12a, a ddyddodwyd ar y swbstrad SUS 304 (Ffig. 11, 12b). Fel y gwelir o'r ffigur, mae'r powdrau wedi'u gorchuddio yn cadw eu strwythur amorffaidd gwreiddiol gan fod ganddynt strwythur labyrinth cain heb unrhyw nodweddion crisialog na diffygion dellt. Ar y llaw arall, mae'r ddelwedd yn dangos presenoldeb cyfnod tramor, fel y dangosir gan y nanoronynnau sydd wedi'u cynnwys yn y matrics powdr wedi'i orchuddio ag MG (Ffig. 12a). Mae Ffigur 12c yn dangos y patrwm diffractiad nanobeam mynegeiedig (NBDP) sy'n gysylltiedig â rhanbarth I (Ffigur 12a). Fel y dangosir yn ffig. 12c, mae NBDP yn arddangos patrwm halo-tryliad gwan o strwythur amorffaidd ac yn cydfodoli â smotiau miniog sy'n cyfateb i gyfnod Zr2Ni metasefydlog ciwbig crisialog mawr ynghyd â chyfnod CuO tetragonal. Gellir esbonio ffurfiant CuO gan ocsideiddio'r powdr wrth symud o ffroenell y gwn chwistrellu i SUS 304 yn yr awyr agored mewn llif uwchsonig. Ar y llaw arall, arweiniodd dad-wydreiddio powdrau gwydrog metel at ffurfio cyfnodau ciwbig mawr ar ôl triniaeth chwistrellu oer ar 550°C am 30 munud.
(a) Delwedd FE-HRTEM o bowdr MG wedi'i adneuo ar (b) swbstrad SUS 304 (Mewnosodiad ffigur). Dangosir mynegai NBDP y symbol crwn a ddangosir yn (a) yn (c).
I brofi'r mecanwaith posibl hwn ar gyfer ffurfio nanoronynnau ciwbig Zr2Ni mawr, cynhaliwyd arbrawf annibynnol. Yn yr arbrawf hwn, chwistrellwyd powdrau o atomizer ar 550°C i gyfeiriad y swbstrad SUS 304; fodd bynnag, i bennu'r effaith anelio, tynnwyd y powdrau o'r stribed SUS304 cyn gynted â phosibl (tua 60 eiliad). Cynhaliwyd cyfres arall o arbrofion lle tynnwyd y powdr o'r swbstrad tua 180 eiliad ar ôl ei roi.
Mae Ffigurau 13a,b yn dangos delweddau maes tywyll (DFI) Microsgopeg Electron Trosglwyddo Sganio (STEM) o ddau ddeunydd wedi'u chwistrellu a adneuwyd ar swbstradau SUS 304 am 60 eiliad a 180 eiliad, yn y drefn honno. Mae'r ddelwedd powdr a adneuwyd am 60 eiliad yn brin o fanylion morffolegol, gan ddangos diffyg nodweddion (Ffig. 13a). Cadarnhawyd hyn hefyd gan XRD, a ddangosodd fod strwythur cyffredinol y powdrau hyn yn amorffaidd, fel y nodir gan y copaon diffracsiwn cynradd ac eilaidd eang a ddangosir yn Ffigur 14a. Mae hyn yn dangos absenoldeb gwaddodion metasefydlog/mesoffas, lle mae'r powdr yn cadw ei strwythur amorffaidd gwreiddiol. Mewn cyferbyniad, dangosodd y powdr a adneuwyd ar yr un tymheredd (550°C) ond a adawyd ar y swbstrad am 180 eiliad ddyddodiad grawn nanosafaint, fel y dangosir gan y saethau yn Ffig. 13b.