Dankon pro via vizito al Nature.com. La retumilversio, kiun vi uzas, havas limigitan subtenon por CSS. Por la plej bona sperto, ni rekomendas, ke vi uzu ĝisdatigitan retumilon (aŭ malŝaltu la Kongruecan Reĝimon en Internet Explorer). Dume, por certigi daŭran subtenon, ni prezentos la retejon sen stiloj kaj JavaScript.
Biofilmoj estas grava komponanto en la evoluo de kronikaj infektoj, precipe kiam temas pri medicinaj aparatoj. Ĉi tiu problemo prezentas grandegan defion al la medicina komunumo, ĉar normaj antibiotikoj povas detrui biofilmojn nur tre limigite. La preventado de biofilma formado kondukis al la evoluo de diversaj tegaĵmetodoj kaj novaj materialoj. Ĉi tiuj teknikoj celas kovri surfacojn tiel, ke ĝi malhelpas la formadon de biofilmoj. Vitrecaj metalaj alojoj, precipe tiuj enhavantaj kupro- kaj titanio-metalojn, fariĝis idealaj antimikrobaj tegaĵoj. Samtempe, la uzo de malvarma ŝpructeknologio pliiĝis, ĉar ĝi estas taŭga metodo por prilabori temperatur-sentemajn materialojn. Parto de la celo de ĉi tiu esplorado estis evoluigi novan kontraŭbakterian filmmetalan vitron konsistantan el Cu-Zr-Ni ternara uzante mekanikajn alojadajn teknikojn. La sfera pulvoro, kiu konsistigas la finan produkton, estas uzata kiel krudmaterialo por malvarma ŝprucado de rustorezistŝtalaj surfacoj je malaltaj temperaturoj. Metalvitraj tegaĵaj substratoj kapablis signife redukti biofilman formadon je almenaŭ 1 log kompare kun rustorezistŝtalo.
Tra la homa historio, ĉiu socio kapablis disvolvi kaj antaŭenigi la enkondukon de novaj materialoj por plenumi siajn specifajn bezonojn, rezultante en pliigita produktiveco kaj rango en tutmondigita ekonomio1. Ĝi ĉiam estis atribuita al la homa kapablo desegni materialojn kaj fabrikadajn ekipaĵojn, same kiel dezajnojn por fabriki kaj karakterizi materialojn por atingi sanon, edukadon, industrion, ekonomikon, kulturon kaj aliajn kampojn de unu lando aŭ regiono al alia. Progreso estas mezurata sendepende de lando aŭ regiono2. Dum 60 jaroj, materialsciencistoj dediĉis multan tempon al unu ĉefa tasko: la serĉado de novaj kaj progresintaj materialoj. Lastatempa esplorado fokusiĝis al plibonigo de la kvalito kaj rendimento de ekzistantaj materialoj, same kiel al sintezo kaj inventado de tute novaj specoj de materialoj.
La aldono de alojaj elementoj, la modifo de la mikrostrukturo de la materialo kaj la apliko de termikaj, mekanikaj aŭ termomekanikaj traktadmetodoj kondukis al signifa plibonigo de la mekanikaj, kemiaj kaj fizikaj ecoj de diversaj materialoj. Krome, ĝis nun nekonataj kombinaĵoj estis sukcese sintezitaj. Ĉi tiuj persistaj klopodoj naskis novan familion de novigaj materialoj kolektive konataj kiel Altnivelaj Materialoj2. Nanokristaloj, nanopartikloj, nanotuboj, kvantumpunktoj, nul-dimensiaj, amorfaj metalaj vitroj kaj alojoj kun alta entropio estas nur kelkaj ekzemploj de progresintaj materialoj, kiuj aperis en la mondo ekde la mezo de la pasinta jarcento. En la fabrikado kaj evoluigo de novaj alojoj kun plibonigitaj ecoj, kaj en la fina produkto kaj en la interaj stadioj de ĝia produktado, ofte aldoniĝas la problemo de malekvilibro. Rezulte de la enkonduko de novaj fabrikadteknikoj, kiuj permesas signifajn deviojn de ekvilibro, oni malkovris tutan novan klason de metastabilaj alojoj, konataj kiel metalaj vitroj.
Lia laboro ĉe Caltech en 1960 revoluciigis la koncepton de metalaj alojoj kiam li sintezis Au-25 je .%Si vitrecajn alojojn per rapida solidigo de likvaĵoj je preskaŭ miliono da gradoj po sekundo.4 La malkovro de Profesoro Paul Duves ne nur markis la komencon de la historio de metalaj vitroj (MS), sed ankaŭ kondukis al paradigmoŝanĝo en kiel homoj pensas pri metalaj alojoj. Ekde la plej unua pionira esplorado en la sintezo de MS-alojoj, preskaŭ ĉiuj metalaj vitroj estis tute akiritaj uzante unu el la jenaj metodoj: (i) rapida solidigo de la fandita aŭ vapora aĵo, (ii) atomkrada malordo, (iii) solidstataj amorfigaj reakcioj inter puraj metalaj elementoj kaj (iv) solidaj faztransiroj de metastabilaj fazoj.
MG-oj distingiĝas per la foresto de longdistanca atomordo asociita kun kristaloj, kio estas difina karakterizaĵo de kristaloj. En la moderna mondo, granda progreso estis farita en la kampo de metala vitro. Ĉi tiuj estas novaj materialoj kun interesaj ecoj, kiuj interesas ne nur por solidstata fiziko, sed ankaŭ por metalurgio, surfaca kemio, teknologio, biologio kaj multaj aliaj kampoj. Ĉi tiu nova tipo de materialo havas ecojn malsamajn ol malmolaj metaloj, igante ĝin interesa kandidato por teknologiaj aplikoj en diversaj kampoj. Ili havas kelkajn gravajn ecojn: (i) altan mekanikan duktilecon kaj streĉlimon, (ii) altan magnetan permeablon, (iii) malaltan koercivecon, (iv) nekutiman korodreziston, (v) temperaturan sendependecon. Konduktiveco 6.7.
Mekanika alojado (MA)1,8 estas relative nova metodo, unue enkondukita en 19839 de Profesoro KK Kok kaj liaj kolegoj. Ili produktis amorfajn Ni60Nb40-pulvorojn per muelado de miksaĵo de puraj elementoj je ĉirkaŭa temperaturo tre proksima al ĉambra temperaturo. Tipe, la MA-reakcio estas efektivigita inter difuza ligado de reakciantaj pulvoroj en reaktoro, kutime farita el rustorezista ŝtalo, en pilmuelilon.10 (Fig. 1a, b). Ekde tiam, ĉi tiu meĥanike induktita solidstata reakcia metodo estis uzata por prepari novajn amorfajn/metalajn vitralojajn pulvorojn uzante malalt-(Fig. 1c) kaj alt-energiajn pilmuelilojn kaj stangomuelilojn11,12,13,14,15,16. Aparte, ĉi tiu metodo estis uzata por prepari nemikseblajn sistemojn kiel Cu-Ta17 same kiel altfandopunktajn alojojn kiel Al-transiraj metaloj (TM, Zr, Hf, Nb kaj Ta)18,19 kaj Fe-W20-sistemojn, kiuj ne povas esti akiritaj per konvenciaj kuirmetodoj. Krome, MA estas konsiderata unu el la plej potencaj nanoteknologiaj iloj por industri-skala produktado de nanokristalaj kaj nanokompozitaj pulvoraj partikloj el metaloksidoj, karbidoj, nitridoj, hidridoj, karbonnanotuboj, nanodiamantoj, same kiel larĝa stabiligo uzante desupran aliron. 1 kaj metastabilaj stadioj.
Skemo montranta la fabrikadmetodon uzitan por prepari la Cu50(Zr50-xNix)/SUS 304 metalvitran tegaĵon en ĉi tiu studo. (a) Preparado de MC-alojpulvoroj kun diversaj koncentriĝoj de Ni x (x; 10, 20, 30, kaj 40 at.%) uzante la malalt-energian pilkmuelmetodon. (a) La startmaterialo estas ŝarĝita en ilcilindron kune kun ilŝtalaj pilkoj kaj (b) sigelita en He-atmosferoplena gantujo. (c) Travidebla modelo de la muelujo ilustranta la movadon de la pilko dum muelado. La fina pulvora produkto akirita post 50 horoj estis uzata por malvarme ŝpructegi la SUS 304-substraton (d).
Kiam temas pri surfacoj (substratoj) de grocaj materialoj, surfaca inĝenierarto implikas la projektadon kaj modifon de surfacoj (substratoj) por provizi certajn fizikajn, kemiajn kaj teknikajn ecojn, kiuj ne ĉeestas en la originala groca materialo. Kelkaj el la ecoj, kiujn oni povas efike plibonigi per surfaca traktado, inkluzivas abrazion, oksidiĝan kaj korodan reziston, koeficienton de frotado, bioinertecon, elektrajn ecojn kaj termikan izoladon, por nomi nur kelkajn. La surfaca kvalito povas esti plibonigita per metalurgiaj, mekanikaj aŭ kemiaj metodoj. Kiel konata procezo, tegaĵo estas simple difinita kiel unu aŭ pluraj tavoloj de materialo artefarite aplikitaj al la surfaco de groca objekto (substrato) farita el alia materialo. Tiel, tegaĵoj estas uzataj parte por atingi deziratajn teknikajn aŭ dekoraciajn ecojn, same kiel por protekti materialojn de atendataj kemiaj kaj fizikaj interagoj kun la medio23.
Diversaj metodoj kaj teknikoj povas esti uzataj por apliki taŭgajn protektajn tavolojn de kelkaj mikrometroj (sub 10-20 mikrometroj) ĝis pli ol 30 mikrometroj aŭ eĉ pluraj milimetroj en dikeco. Ĝenerale, tegaj procezoj povas esti dividitaj en du kategoriojn: (i) malsekaj tegaj metodoj, inkluzive de galvanizado, galvanizado kaj varmtrempa galvanizado, kaj (ii) sekaj tegaj metodoj, inkluzive de lutado, malmoltegaĵo, fizika vapora demetado (PVD), kemia vapora demetado (CVD), termikaj ŝpructeknikoj, kaj pli lastatempe malvarmaj ŝpructeknikoj 24 (Figuro 1d).
Biofilmoj estas difinitaj kiel mikrobaj komunumoj, kiuj estas nerevokeble alkroĉitaj al surfacoj kaj ĉirkaŭitaj de memproduktitaj eksterĉelaj polimeroj (EPS). La formado de supraĵe matura biofilmo povas konduki al signifaj perdoj en multaj industrioj, inkluzive de nutraĵprilaborado, akvosistemoj kaj sanservo. Ĉe homoj, kun la formado de biofilmoj, pli ol 80% de kazoj de mikrobaj infektoj (inkluzive de Enterobacteriaceae kaj Staphylococci) estas malfacile trakteblaj. Krome, maturaj biofilmoj estis raportitaj esti 1000 fojojn pli rezistemaj al antibiotika traktado kompare kun planktonaj bakteriaj ĉeloj, kio estas konsiderata grava terapia defio. Historie, antimikrobaj surfacaj tegaĵmaterialoj derivitaj de komunaj organikaj kombinaĵoj estis uzitaj. Kvankam tiaj materialoj ofte enhavas toksajn komponantojn eble damaĝajn al homoj,25,26 tio povas helpi eviti bakterian transdonon kaj materialan degeneron.
Vasta bakteria rezisto al antibiotika traktado pro biofilma formado kondukis al la bezono disvolvi efikan antimikroban membran-kovritan surfacon, kiu povas esti aplikita sekure27. La disvolviĝo de fizika aŭ kemia kontraŭ-glua surfaco, al kiu bakteriaj ĉeloj ne povas ligiĝi kaj formi biofilmojn pro adhero, estas la unua aliro en ĉi tiu procezo27. La dua teknologio estas disvolvi tegaĵojn, kiuj liveras antimikrobajn kemiaĵojn ĝuste kie ili estas bezonataj, en tre koncentritaj kaj adaptitaj kvantoj. Ĉi tio estas atingita per la disvolviĝo de unikaj tegaĵmaterialoj kiel grafeno/germaniumo28, nigra diamanto29 kaj ZnO30-dopitaj diamant-similaj karbonaj tegaĵoj, kiuj estas rezistemaj al bakterioj, teknologio, kiu maksimumigas la disvolviĝon de tokseco kaj rezisto pro biofilma formado. Krome, tegaĵoj enhavantaj baktericidajn kemiaĵojn, kiuj provizas longdaŭran protekton kontraŭ bakteria poluado, fariĝas ĉiam pli popularaj. Dum ĉiuj tri proceduroj kapablas peni antimikroban agadon sur tegitaj surfacoj, ĉiu havas sian propran aron de limigoj, kiujn oni devas konsideri dum disvolvado de aplika strategio.
La produktoj nuntempe sur la merkato estas malhelpataj de la manko de tempo por analizi kaj testi protektajn tegaĵojn por biologie aktivaj ingrediencoj. Firmaoj asertas, ke iliaj produktoj provizos al uzantoj la deziratajn funkciajn aspektojn, tamen tio fariĝis obstaklo al la sukceso de la produktoj nuntempe sur la merkato. Komponaĵoj derivitaj de arĝento estas uzataj en la vasta plimulto de antimikrobaj agentoj nuntempe haveblaj al konsumantoj. Ĉi tiuj produktoj estas desegnitaj por protekti uzantojn kontraŭ eble damaĝa eksponiĝo al mikroorganismoj. La malfrua antimikroba efiko kaj la asociita tokseco de arĝentaj kombinaĵoj pliigas la premon sur esploristojn por disvolvi malpli damaĝan alternativon36,37. Krei tutmondan antimikroban tegaĵon, kiu funkcias interne kaj ekstere, restas defio. Tio venas kun asociitaj sanaj kaj sekurecaj riskoj. Malkovri antimikroban agenton, kiu estas malpli damaĝa por homoj, kaj eltrovi kiel integri ĝin en tegaĵajn substratojn kun pli longa bretovivo estas tre dezirata celo38. La plej novaj antimikrobaj kaj kontraŭbiofilmaj materialoj estas desegnitaj por mortigi bakteriojn proksime aŭ per rekta kontakto aŭ post la liberigo de la aktiva agento. Ili povas fari tion per inhibicio de komenca bakteria adhero (inkluzive de malhelpado de la formado de proteina tavolo sur la surfaco) aŭ per mortigado de bakterioj per interrompo de la ĉela muro.
Esence, surfactegaĵo estas la procezo apliki alian tavolon al la surfaco de komponanto por plibonigi la surfacajn karakterizaĵojn. La celo de surfactegaĵo estas ŝanĝi la mikrostrukturon kaj/aŭ konsiston de la preskaŭ-surfaca regiono de komponanto39. Surfactegaĵaj metodoj povas esti dividitaj en malsamajn metodojn, kiuj estas resumitaj en Fig. 2a. Tegaĵoj povas esti dividitaj en termikajn, kemiajn, fizikajn kaj elektrokemiajn kategoriojn depende de la metodo uzata por krei la tegaĵon.
(a) Enmetitaĵo montranta la ĉefajn surfacfabrikadajn teknikojn, kaj (b) elektitajn avantaĝojn kaj malavantaĝojn de la malvarma ŝprucmetodo.
Malvarma ŝpructeknologio havas multon komunan kun tradiciaj termikaj ŝpructeknikoj. Tamen, ekzistas ankaŭ kelkaj ŝlosilaj fundamentaj ecoj, kiuj faras la malvarman ŝprucprocezon kaj malvarmajn ŝprucmaterialojn aparte unikaj. Malvarma ŝpructeknologio estas ankoraŭ en sia komenca stadio, sed ĝi havas grandan estontecon. En iuj kazoj, la unikaj ecoj de malvarma ŝprucado ofertas grandajn avantaĝojn, superante la limigojn de konvenciaj termikaj ŝpructeknikoj. Ĝi superas la signifajn limigojn de tradicia termika ŝpructeknologio, en kiu la pulvoro devas esti fandita por esti deponita sur substrato. Evidente, ĉi tiu tradicia tegaĵprocezo ne taŭgas por tre temperatur-sentemaj materialoj kiel nanokristaloj, nanopartikloj, amorfaj kaj metalaj vitroj40, 41, 42. Krome, termikaj ŝpructegaĵmaterialoj ĉiam havas altan nivelon de poreco kaj oksidoj. Malvarma ŝpructeknologio havas multajn signifajn avantaĝojn super termika ŝpructeknologio, kiel ekzemple (i) minimuma varmenigo al la substrato, (ii) fleksebleco en elektado de la substrata tegaĵo, (iii) neniu faztransformo kaj grenkresko, (iv) alta gluforto1.39 (Fig. 2b). Krome, malvarmŝprucaj tegaĵmaterialoj havas altan korodreziston, altan forton kaj malmolecon, altan elektran konduktivecon kaj altan densecon41. Malgraŭ la avantaĝoj de la malvarmŝpruca procezo, ĉi tiu metodo ankoraŭ havas kelkajn malavantaĝojn, kiel montrite en Figuro 2b. Kiam oni kovras purajn ceramikajn pulvorojn kiel Al2O3, TiO2, ZrO2, WC, ktp., la malvarmŝpruca metodo ne povas esti uzata. Aliflanke, ceramikaj/metalaj kompozitaj pulvoroj povas esti uzataj kiel krudmaterialoj por tegaĵoj. La samo validas por aliaj termikaj ŝprucmetodoj. Malfacilaj surfacoj kaj tubinternoj ankoraŭ malfacile ŝpruceblas.
Konsiderante, ke la nuna laboro celas la uzon de metalaj vitraj pulvoroj kiel komencaj materialoj por tegaĵoj, estas klare, ke konvencia termika ŝprucado ne povas esti uzata por ĉi tiu celo. Ĉi tio ŝuldiĝas al la fakto, ke metalaj vitraj pulvoroj kristaliĝas je altaj temperaturoj1.
La plej multaj instrumentoj uzataj en la medicina kaj nutraĵa industrioj estas faritaj el aŭstenitaj rustorezistaj ŝtalaj alojoj (SUS316 kaj SUS304) kun kroma enhavo de 12 ĝis 20 pez.% por la produktado de kirurgiaj instrumentoj. Estas ĝenerale akceptite, ke la uzo de kroma metalo kiel aloja elemento en ŝtalaj alojoj povas signife plibonigi la korodreziston de normaj ŝtalaj alojoj. Rustorezistaj ŝtalaj alojoj, malgraŭ sia alta korodrezisto, ne havas signifajn antimikrobajn ecojn38,39. Ĉi tio kontrastas kun ilia alta korodrezisto. Post tio, eblas antaŭdiri la disvolviĝon de infekto kaj inflamo, kiuj ĉefe ŝuldiĝas al bakteria adhero kaj koloniigo sur la surfaco de rustorezistaj ŝtalaj biomaterialoj. Signifaj malfacilaĵoj povas ekesti pro la signifaj malfacilaĵoj asociitaj kun bakteria adhero kaj biofilm-formaj vojoj, kiuj povas konduki al malbona sano, kiu povas havi multajn sekvojn, kiuj povas rekte aŭ nerekte influi homan sanon.
Ĉi tiu studo estas la unua fazo de projekto financita de la Kuvajta Fonduso por la Antaŭenigo de Scienco (KFAS), kontrakto n-ro 2010-550401, por esplori la fareblecon de produktado de metalaj vitrecaj Cu-Zr-Ni ternaraj pulvoroj uzante MA-teknologion (tabelo). 1) Por la produktado de SUS304 kontraŭbakteria surfaca protekta filmo/tegaĵo. La dua fazo de la projekto, komenciĝos en januaro 2023, detale studos la galvanajn korodajn karakterizaĵojn kaj la mekanikajn ecojn de la sistemo. Detalaj mikrobiologiaj testoj por diversaj specoj de bakterioj estos faritaj.
Ĉi tiu artikolo diskutas la efikon de la enhavo de Zr-alojo sur la vitroformiĝkapablon (GFA) surbaze de morfologiaj kaj strukturaj karakterizaĵoj. Krome, la antibakteriaj ecoj de la pulvora metalvitro/SUS304-kompozito ankaŭ estis diskutitaj. Krome, daŭranta laboro estas efektivigita por esplori la eblecon de struktura transformo de metalvitraj pulvoroj okazanta dum malvarma ŝprucado en la supermalvarmigita likva regiono de fabrikitaj metalvitraj sistemoj. Metalvitraj alojoj Cu50Zr30Ni20 kaj Cu50Zr20Ni30 estis uzitaj kiel reprezentaj ekzemploj en ĉi tiu studo.
Ĉi tiu sekcio prezentas la morfologiajn ŝanĝojn en pulvoroj de elementa Cu, Zr kaj Ni dum malalt-energia pilmuelado. Du malsamaj sistemoj konsistantaj el Cu50Zr20Ni30 kaj Cu50Zr40Ni10 estos uzataj kiel ilustraj ekzemploj. La MA-procezo povas esti dividita en tri apartajn etapojn, kiel montras la metalografia karakterizado de la pulvoro akirita en la muelada etapo (Fig. 3).
Metalografiaj karakterizaĵoj de pulvoroj de mekanikaj alojoj (MA) akiritaj post diversaj stadioj de pilmuelado. Kampa emisia skana elektrona mikroskopio (FE-SEM) bildoj de MA kaj Cu50Zr40Ni10 pulvoroj akiritaj post malaltenergia pilmuelado dum 3, 12 kaj 50 horoj estas montritaj en (a), (c) kaj (e) por la Cu50Zr20Ni30 sistemo, dum sur la sama MA. La respondaj bildoj de la Cu50Zr40Ni10 sistemo prenitaj post tempo estas montritaj en (b), (d), kaj (f).
Dum pilmuelado, la efika kineta energio, kiu povas esti transdonita al la metalpulvoro, estas influata de kombinaĵo de parametroj, kiel montrite en Fig. 1a. Tio inkluzivas koliziojn inter pilkoj kaj pulvoroj, tondan kunpremon de pulvoro algluiĝinta inter aŭ inter muelmaterialoj, efikojn de falantaj pilkoj, tondadon kaj eluziĝon kaŭzitajn de pulvora trenado inter la moviĝantaj korpoj de pilmuelilo, kaj ŝokondon trapasantan falantajn pilkojn disvastiĝantan tra ŝarĝita kulturo (Fig. 1a). Элементарные порошки Cu, Zr и Ni были сильно деформированы из-за холодной сварки на ратанней сильно деформированы из-за холодной сварки на ратанней сильной привело к образованию крупных частиц порошка (> 1 мм в диаметре). La elementaj pulvoroj de Cu, Zr, kaj Ni estis grave misformitaj pro malvarma veldado en frua stadio de MA (3 horoj), kio kaŭzis la formadon de grandaj pulvoraj partikloj (> 1 mm en diametro).Tiuj grandaj kompozitaj partikloj karakteriziĝas per la formado de dikaj tavoloj de alojaj elementoj (Cu, Zr, Ni), kiel montrite en fig. 3a,b. Plilongigo de la MA-tempo al 12 horoj (meza stadio) kondukis al pliiĝo de la kineta energio de la pilmuelilo, kio kaŭzis la malkomponiĝon de la kompozita pulvoro en pli malgrandajn pulvorojn (malpli ol 200 μm), kiel montrite en Fig. 3c, urbo. En ĉi tiu stadio, la aplikita tondforto kondukas al la formado de nova metala surfaco kun maldikaj Cu, Zr, Ni-maldikaj tavoloj, kiel montrite en Fig. 3c,d. Kiel rezulto de la muelado de la tavoloj ĉe la interfaco de la flokoj, okazas solid-fazaj reakcioj kun la formado de novaj fazoj.
Ĉe la kulmino de la MA-procezo (post 50 horoj), floka metalografio estis apenaŭ rimarkebla (Fig. 3e, f), kaj spegula metalografio estis observita sur la polurita surfaco de la pulvoro. Tio signifas, ke la MA-procezo estis kompletigita kaj ununura reakcia fazo estis kreita. La elementa konsisto de la regionoj indikitaj en Fig. 3e (I, II, III), f, v, vi) estis determinita uzante kampa-emisian skanan elektronan mikroskopion (FE-SEM) en kombinaĵo kun energi-dispersa rentgen-spektroskopio (EDS). (IV).
En tabelo 2, elementaj koncentriĝoj de alojaj elementoj estas montritaj kiel procento de la tuta maso de ĉiu regiono elektita en fig. 3e, f. Komparo de ĉi tiuj rezultoj kun la komencaj nominalaj konsistoj de Cu50Zr20Ni30 kaj Cu50Zr40Ni10 donitaj en Tabelo 1 montras, ke la konsistoj de ĉi tiuj du finaj produktoj estas tre proksimaj al la nominalaj konsistoj. Krome, la relativaj valoroj de la komponantoj por la regionoj listigitaj en Fig. 3e, f ne sugestas signifan difektiĝon aŭ varion en la konsisto de ĉiu specimeno de unu regiono al alia. Ĉi tion pruvas la fakto, ke ne estas ŝanĝo en la konsisto de unu regiono al alia. Ĉi tio indikas la produktadon de unuformaj alojpulvoroj, kiel montrite en Tabelo 2.
FE-SEM-mikrografoj de la fina produkta pulvoro Cu50(Zr50-xNix) estis akiritaj post 50 MA-tempoj, kiel montrite en Fig. 4a-d, kie x estas 10, 20, 30 kaj 40 at.%, respektive. Post ĉi tiu muelado, la pulvoro agregiĝas pro la efiko de van der Waals, kiu kondukas al la formado de grandaj agregaĵoj konsistantaj el ultrafajnaj partikloj kun diametro de 73 ĝis 126 nm, kiel montrite en Figuro 4.
Morfologiaj karakterizaĵoj de Cu50(Zr50-xNix) pulvoroj akiritaj post 50-hora MA. Por la sistemoj Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40, la FE-SEM bildoj de pulvoroj akiritaj post 50 MA estas montritaj en (a), (b), (c), kaj (d), respektive.
Antaŭ ol ŝarĝi la pulvorojn en la malvarman ŝprucigilon, ili unue estis sonikitaj en analiza grado de etanolo dum 15 minutoj kaj poste sekigitaj je 150°C dum 2 horoj. Ĉi tiu paŝo devas esti farita por sukcese kontraŭbatali aglomeradon, kiu ofte kaŭzas multajn gravajn problemojn en la tega procezo. Post la kompletigo de la MA-procezo, pliaj studoj estis faritaj por esplori la homogenecon de la alojpulvoroj. Sur fig. 5a-d montras FE-SEM-mikrografojn kaj respondajn EDS-bildojn de la Cu, Zr kaj Ni-alojaj elementoj de la Cu50Zr30Ni20-alojo prenitaj post 50 horoj da tempo M, respektive. Notindas, ke la alojpulvoroj akiritaj post ĉi tiu paŝo estas homogenaj, ĉar ili ne montras iujn ajn konsistofluktuojn preter la subnanometra nivelo, kiel montrite en Figuro 5.
Morfologio kaj loka distribuo de elementoj en MG Cu50Zr30Ni20 pulvoro akirita post 50 MA per FE-SEM/Energio-Dispersa Rentgen-Spektroskopio (EDS). (a) SEM kaj Rentgen-EDS bildigo de (b) Cu-Kα, (c) Zr-Lα, kaj (d) Ni-Kα.
La rentgen-difraktaj padronoj de meĥanike alojitaj pulvoroj Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, kaj Cu50Zr20Ni30 akiritaj post 50-hora MA estas montritaj en Fig. 6a-d, respektive. Post ĉi tiu muelada stadio, ĉiuj specimenoj kun malsamaj Zr-koncentriĝoj havis amorfajn strukturojn kun karakterizaj aŭreolaj difuzpadronoj montritaj en Fig. 6.
Rentgen-difraktaj bildoj de la pulvoroj Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c), kaj Cu50Zr20Ni30 (d) post MA dum 50 horoj. Aŭreol-difuza bildo estis observita en ĉiuj specimenoj senescepte, indikante la formiĝon de amorfa fazo.
Alt-rezolucia kampa emisia transmisia elektrona mikroskopio (FE-HRTEM) estis uzata por observi strukturajn ŝanĝojn kaj kompreni la lokan strukturon de pulvoroj rezultantaj de pilmuelado je malsamaj MA-tempoj. Bildoj de pulvoroj akiritaj per la FE-HRTEM-metodo post la fruaj (6 h) kaj mezaj (18 h) stadioj de muelado de la pulvoroj Cu50Zr30Ni20 kaj Cu50Zr40Ni10 estas montritaj en Fig. 7a, respektive. Laŭ la helkampa bildo (BFI) de la pulvoro akirita post 6 h da MA, la pulvoro konsistas el grandaj grajnoj kun klare difinitaj limoj de la fcc-Cu, hcp-Zr, kaj fcc-Ni elementoj, kaj ne estas signoj de la formiĝo de reakcia fazo, kiel montrite en Fig. 7a. Krome, korelaciita elektita area difrakta padrono (SADP) prenita de la meza regiono (a) rivelis akran difraktan padronon (Fig. 7b) indikante la ĉeeston de grandaj kristaloj kaj la foreston de reakcia fazo.
Lokaj strukturaj karakterizaĵoj de la MA-pulvoro akirita post la fruaj (6 h) kaj mezaj (18 h) stadioj. (a) Alt-rezolucia kampa emisia transmisia elektrona mikroskopio (FE-HRTEM) kaj (b) koresponda elektita area difraktogramo (SADP) de Cu50Zr30Ni20-pulvoro post MA-traktado dum 6 horoj. La FE-HRTEM-bildo de Cu50Zr40Ni10 akirita post 18-hora MA estas montrita en (c).
Kiel montrite en fig. 7c, plilongigo de la daŭro de MA al 18 horoj kondukis al gravaj kraddifektoj kombine kun plasta deformado. En ĉi tiu meza stadio de la MA-procezo, diversaj difektoj aperas en la pulvoro, inkluzive de stakigaj faŭltoj, kraddifektoj kaj punktaj difektoj (Fig. 7). Ĉi tiuj difektoj kaŭzas la fragmentiĝon de grandaj grajnoj laŭlonge de la grajnlimoj en subgrajnojn pli malgrandajn ol 20 nm (Fig. 7c).
La loka strukturo de la Cu50Z30Ni20-pulvoro muelita dum 36 horoj da muelado estas karakterizita per la formado de ultrafajnaj nanograjnoj enigitaj en amorfan maldikan matricon, kiel montrite en Fig. 8a. Loka analizo de la EMF montris, ke la nanoaretoj montritaj en Fig. 8a estas asociitaj kun netraktitaj Cu, Zr kaj Ni-pulvoraj alojoj. La enhavo de Cu en la matrico variis de ~32 at.% (malriĉa zono) ĝis ~74 at.% (riĉa zono), kio indikas la formadon de heterogenaj produktoj. Krome, la respondaj SADP-oj de la pulvoroj akiritaj post muelado en ĉi tiu paŝo montras primarajn kaj sekundarajn aŭreol-difuzajn amorfajn fazringojn interkovrantajn kun akraj pintoj asociitaj kun ĉi tiuj netraktitaj alojelementoj, kiel montrite en Fig. 8b.
Nanoskalaj lokaj strukturaj trajtoj de Beyond 36 h-Cu50Zr30Ni20 pulvoro. (a) Helkampa bildo (BFI) kaj koresponda (b) SADP de Cu50Zr30Ni20 pulvoro akirita post muelado dum 36 h MA.
Ĉirkaŭ la fino de la MA-procezo (50 h), Cu50(Zr50-xNix), X, 10, 20, 30, kaj 40 at.%-pulvoroj, senescepte, havas labirintan morfologion de la amorfa fazo, kiel montrite en Fig. . Nek punkta difrakto nek akraj ringoformaj padronoj povus esti detektitaj en la korespondaj SADS-oj de ĉiu komponaĵo. Ĉi tio indikas la foreston de netraktita kristala metalo, sed prefere la formadon de amorfa alojpulvoro. Ĉi tiuj korelaciitaj SADP-oj montrantaj aŭreolajn difuzpadronojn ankaŭ estis uzitaj kiel pruvo por la evoluo de amorfaj fazoj en la fina produkta materialo.
Loka strukturo de la fina produkto de la Cu50 MS-sistemo (Zr50-xNix). FE-HRTEM kaj korelaciitaj nanotrabaj difraktaj padronoj (NBDP) de (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30, kaj (d) Cu50Zr10Ni40 akiritaj post 50 horoj da MA.
Uzante diferencialan skanadan kalorimetrion, la termika stabileco de la vitra transira temperaturo (Tg), supermalvarmigita likva regiono (ΔTx) kaj kristaliĝa temperaturo (Tx) estis studita depende de la enhavo de Ni (x) en la amorfa sistemo Cu50(Zr50-xNix). (DSC) ecoj en la He-gasfluo. La DSC-kurboj de pulvoroj de amorfaj alojoj Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, kaj Cu50Zr10Ni40 akiritaj post MA dum 50 horoj estas montritaj en Fig. 10a, b, e, respektive. Dume, la DSC-kurbo de amorfa Cu50Zr20Ni30 estas montrita aparte en Fig. 10-a jarcento. Dume, specimeno de Cu50Zr30Ni20 varmigita ĝis ~700°C en DSC estas montrita en Fig. 10g.
La termika stabileco de Cu50(Zr50-xNix) MG-pulvoroj akiritaj post MA dum 50 horoj estas determinita per la vitra transira temperaturo (Tg), kristaliĝa temperaturo (Tx) kaj supermalvarmigita likva regiono (ΔTx). Termogramoj de diferencialaj skanadaj kalorimetraj (DSC) pulvoroj de Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c), kaj (e) Cu50Zr10Ni40 MG-alojpulvoroj post MA dum 50 horoj. Rentgen-difrakta bildo (XRD) de Cu50Zr30Ni20-provaĵo varmigita ĝis ~700°C en DSC estas montrita en (d).
Kiel montrite en Figuro 10, la DSC-kurboj por ĉiuj konsistoj kun malsamaj nikelkoncentriĝoj (x) indikas du malsamajn kazojn, unu endoterman kaj la alian eksoterman. La unua endoterma evento respondas al Tg, kaj la dua estas asociita kun Tx. La horizontala interspaco, kiu ekzistas inter Tg kaj Tx, nomiĝas la submalvarmigita likva areo (ΔTx = Tx – Tg). La rezultoj montras, ke la Tg kaj Tx de la Cu50Zr40Ni10-provaĵo (Fig. 10a) metita je 526°C kaj 612°C ŝovas la enhavon (x) ĝis 20 % direkte al la malalta temperaturflanko de 482°C kaj 563°C. °C kun kreskanta Ni-enhavo (x), respektive, kiel montrite en Figuro 10b. Sekve, ΔTx Cu50Zr40Ni10 malpliiĝas de 86°С (Fig. 10a) ĝis 81°С por Cu50Zr30Ni20 (Fig. 10b). Por la alojo MC Cu50Zr40Ni10, oni ankaŭ observis malpliiĝon de la valoroj de Tg, Tx, kaj ΔTx ĝis la niveloj de 447°C, 526°C, kaj 79°C (Fig. 10b). Ĉi tio indikas, ke pliiĝo de la Ni-enhavo kondukas al malpliiĝo de la termika stabileco de la MS-alojo. Male, la valoro de Tg (507 °C) de la alojo MC Cu50Zr20Ni30 estas pli malalta ol tiu de la alojo MC Cu50Zr40Ni10; tamen, ĝia Tx montras valoron kompareblan al ĝi (612 °C). Tial, ΔTx havas pli altan valoron (87 °C) kiel montrite en fig. 10-a jarcento.
La sistemo Cu50(Zr50-xNix) MC, uzante la alojon Cu50Zr20Ni30 MC kiel ekzemplon, kristaliĝas tra akra eksoterma pinto en kristalajn fazojn fcc-ZrCu5, ortoromba-Zr7Cu10, kaj ortoromba-ZrNi (Fig. 10c). Ĉi tiu faztransiro de amorfa al kristala estis konfirmita per rentgen-difrakta analizo de la MG-specimeno (Fig. 10d) kiu estis varmigita ĝis 700 °C en DSC.
Fig. 11 montras fotojn prenitajn dum la malvarma ŝprucprocezo efektivigita en la nuna laboro. En ĉi tiu studo, metalaj vitrecaj pulvoraj partikloj sintezitaj post termika ŝpructeknologio dum 50 horoj (uzante Cu50Zr20Ni30 kiel ekzemplon) estis uzitaj kiel antibakteria krudmaterialo, kaj rustorezista ŝtala plato (SUS304) estis malvarme ŝprucita. La malvarma ŝprucmetodo estis elektita por kovrado en la termika ŝpructeknologia serio ĉar ĝi estas la plej efika metodo en la termika ŝpructeknologia serio, kie ĝi povas esti uzata por metalaj metastabilaj varmosentemaj materialoj kiel amorfaj kaj nanokristalaj pulvoroj. Ĝi ne estas submetita al faztransiroj. Ĉi tio estas la ĉefa faktoro en la elekto de ĉi tiu metodo. La malvarma deponadprocezo estas efektivigita uzante alt-rapidajn partiklojn, kiuj konvertas la kinetan energion de la partikloj en plastan deformadon, deformadon kaj varmon ĉe kolizio kun la substrato aŭ antaŭe deponitaj partikloj.
Kampaj fotoj montras la proceduron de malvarma ŝprucado uzatan por kvin sinsekvaj preparoj de MG/SUS 304 je 550 °C.
La kineta energio de la partikloj, same kiel la movokvanto de ĉiu partiklo dum la formado de la tegaĵo, devas esti konvertitaj en aliajn formojn de energio per tiaj mekanismoj kiel plasta deformado (primaraj partikloj kaj interpartiklaj interagoj en la matrico kaj interagoj de partikloj), intersticaj nodoj de solidoj, rotacio inter partikloj, deformado kaj limiganta varmigo 39. Krome, se ne la tuta alvenanta kineta energio estas konvertita en varmenergion kaj deforman energion, la rezulto estos elasta kolizio, kio signifas, ke la partikloj simple resaltas post la kolizio. Oni rimarkis, ke 90% de la kolizia energio aplikita al la partiklo/substrata materialo estas konvertita en lokan varmon 40. Krome, kiam kolizia streĉo estas aplikita, altaj plastaj streĉrapidecoj estas atingitaj en la partiklo/substrata kontakta regiono en tre mallonga tempo 41,42.
Plasta deformado estas kutime konsiderata kiel procezo de energidisipado, aŭ pli ĝuste, kiel varmofonto en la interfaca regiono. Tamen, la plialtiĝo de temperaturo en la interfaca regiono kutime ne sufiĉas por la okazo de interfaca fandado aŭ signifa stimulo de la reciproka difuzo de atomoj. Neniu publikaĵo konata al la aŭtoroj esploris la efikon de la ecoj de ĉi tiuj metalaj vitrecaj pulvoroj sur pulvora adhero kaj sedimentado okazantaj dum uzado de malvarmaj ŝpructeknikoj.
La BFI (Black-Field-Independence - Difrakta Indico) de la MG-Cu50Zr20Ni30-alojpulvoro videblas en Fig. 12a, kiu estis deponita sur la SUS 304-substrato (Fig. 11, 12b). Kiel videblas el la figuro, la tegitaj pulvoroj retenas sian originalan amorfan strukturon, ĉar ili havas delikatan labirintan strukturon sen iuj kristalaj trajtoj aŭ kraddifektoj. Aliflanke, la bildo indikas la ĉeeston de fremda fazo, kiel evidentiĝas per la nanopartikloj inkluditaj en la MG-tegita pulvormatrico (Fig. 12a). Figuro 12c montras la indeksitan nanotraban difraktan padronon (NBDP) asociitan kun regiono I (Figuro 12a). Kiel montrite en fig. 12c, NBDP montras malfortan aŭreol-difuzan padronon de amorfa strukturo kaj kunekzistas kun akraj makuloj respondantaj al kristala granda kuba metastabila Zr2Ni-fazo plus tetragona CuO-fazo. La formiĝo de CuO povas esti klarigita per la oksidiĝo de la pulvoro dum movado de la ŝprucpistolo al SUS 304 en la libera aero en supersona fluo. Aliflanke, devitriĝo de metalvitrecaj pulvoroj rezultigis la formiĝon de grandaj kubaj fazoj post malvarma ŝpructraktado je 550 °C dum 30 minutoj.
(a) FE-HRTEM bildo de MG-pulvoro deponita sur (b) SUS 304-substrato (enmetita figuro). La NBDP-indekso de la ronda simbolo montrita en (a) estas montrita en (c).
Por testi ĉi tiun eblan mekanismon por la formado de grandaj kubaj Zr2Ni-nanopartikloj, sendependa eksperimento estis efektivigita. En ĉi tiu eksperimento, pulvoroj estis ŝprucitaj el atomigilo je 550°C en la direkto de la SUS 304-substrato; tamen, por determini la kalcinadan efikon, la pulvoroj estis forigitaj de la SUS304-strio kiel eble plej rapide (ĉirkaŭ 60 sekundoj). Alia serio de eksperimentoj estis efektivigita, en kiuj la pulvoro estis forigita de la substrato ĉirkaŭ 180 sekundojn post la apliko.
Figuroj 13a,b montras bildojn de malhela kampo (DFI) per Skanada Transmisia Elektrona Mikroskopio (STEM) de du ŝprucitaj materialoj deponitaj sur SUS 304-substratoj dum 60 kaj 180 sekundoj, respektive. La pulvora bildo deponita dum 60 sekundoj mankas morfologiajn detalojn, montrante senkarakterizaĵon (Fig. 13a). Ĉi tio ankaŭ estis konfirmita per XRD, kiu montris, ke la ĝenerala strukturo de ĉi tiuj pulvoroj estis amorfa, kiel indikite de la larĝaj primaraj kaj sekundaraj difraktaj pintoj montritaj en Figuro 14a. Ĉi tio indikas la foreston de metastabilaj/mezofazaj precipitaĵoj, en kiuj la pulvoro retenas sian originan amorfan strukturon. Kontraste, la pulvoro deponita je la sama temperaturo (550°C) sed lasita sur la substrato dum 180 sekundoj montris la deponadon de nanograndaj grajnoj, kiel montrite de la sagoj en Fig. 13b.