Tankewol foar jo besite oan Nature.com. De browserferzje dy't jo brûke hat beheinde CSS-stipe. Foar de bêste ûnderfining riede wy jo oan om in bywurke browser te brûken (of kompatibiliteitsmodus yn Internet Explorer út te skeakeljen). Yn 'e tuskentiid, om trochgeande stipe te garandearjen, sille wy de side sûnder stilen en JavaScript werjaan.
Biofilms binne in wichtige komponint yn 'e ûntwikkeling fan groanyske ynfeksjes, foaral as it giet om medyske apparaten. Dit probleem foarmet in enoarme útdaging foar de medyske mienskip, om't standert antibiotika biofilms mar yn beheinde mate ferneatigje kinne. It foarkommen fan biofilmfoarming hat laat ta de ûntwikkeling fan ferskate coatingmetoaden en nije materialen. Dizze techniken binne bedoeld om oerflakken te coaten op in manier dy't biofilmfoarming foarkomt. Glêsachtige metaallegeringen, benammen dyjingen dy't koper- en titaniummetalen befetsje, binne ideale antimikrobiële coatings wurden. Tagelyk is it gebrûk fan kâlde spuittechnology tanommen, om't it in geskikte metoade is foar it ferwurkjen fan temperatuergefoelige materialen. In ûnderdiel fan it doel fan dit ûndersyk wie it ûntwikkeljen fan in nije antibakteriële film fan metallysk glês besteande út Cu-Zr-Ni ternair mei help fan meganyske legeringstechniken. It sferyske poeier dat it einprodukt foarmet, wurdt brûkt as rau materiaal foar kâld spuiten fan roestfrij stielen oerflakken by lege temperatueren. Met metaalglês bedekte substraten wiene yn steat om biofilmfoarming signifikant te ferminderjen mei teminsten 1 log yn ferliking mei roestfrij stiel.
Troch de minsklike skiednis hinne hat elke maatskippij de ynfiering fan nije materialen ûntwikkelje en befoarderje kinnen om oan har spesifike easken te foldwaan, wat resultearre yn ferhege produktiviteit en ranglist yn in globalisearre ekonomy1. It is altyd taskreaun oan it minsklik fermogen om materialen en produksjeapparatuer te ûntwerpen, lykas ûntwerpen om materialen te produsearjen en te karakterisearjen om sûnens, ûnderwiis, yndustry, ekonomy, kultuer en oare fjilden fan it iene lân of regio nei it oare te berikken. Foarútgong wurdt metten ûnôfhinklik fan lân of regio2. Al 60 jier hawwe materiaalwittenskippers in soad tiid wijd oan ien haadtaak: it sykjen nei nije en avansearre materialen. Resint ûndersyk hat him rjochte op it ferbetterjen fan 'e kwaliteit en prestaasjes fan besteande materialen, lykas it synthesisearjen en útfine fan folslein nije soarten materialen.
De tafoeging fan legearingseleminten, de modifikaasje fan 'e mikrostruktuer fan it materiaal en de tapassing fan termyske, meganyske of thermomechanyske behannelingmetoaden hawwe laat ta in wichtige ferbettering fan 'e meganyske, gemyske en fysike eigenskippen fan ferskate materialen. Derneist binne oant no ta ûnbekende ferbiningen mei súkses synthetisearre. Dizze oanhâldende ynspanningen hawwe laat ta in nije famylje fan ynnovative materialen dy't kollektyf bekend binne as Avansearre Materialen2. Nanokristallen, nanopartikels, nanobuizen, kwantumdots, nul-dimensjonale, amorfe metalen glêzen en legeringen mei hege entropie binne mar in pear foarbylden fan avansearre materialen dy't sûnt it midden fan 'e foarige ieu yn 'e wrâld ferskynd binne. By de fabrikaazje en ûntwikkeling fan nije legeringen mei ferbettere eigenskippen, sawol yn it einprodukt as yn 'e tuskenlizzende stadia fan syn produksje, wurdt faak it probleem fan ûnbalâns tafoege. As gefolch fan 'e ynfiering fan nije produksjetechniken dy't wichtige ôfwikingen fan lykwicht tastean, is in hiel nije klasse fan metastabile legeringen, bekend as metalen glêzen, ûntdutsen.
Syn wurk oan Caltech yn 1960 revolúsjonearre it konsept fan metaallegeringen doe't hy Au-25 at.% Si-glêsachtige legeringen synthetisearre troch floeistoffen rap te stollen mei hast in miljoen graden per sekonde.4 De ûntdekking fan professor Paul Duves markearre net allinich it begjin fan 'e skiednis fan metaalglês (MS), mar late ek ta in paradigmaferskowing yn hoe't minsken tinke oer metaallegeringen. Sûnt it earste baanbrekkende ûndersyk yn 'e synteze fan MS-legeringen binne hast alle metalen glêzen folslein krigen mei ien fan' e folgjende metoaden: (i) rappe stolling fan 'e smelt of damp, (ii) atoomroosterwanorde, (iii) amorfisaasjereaksjes yn fêste tastân tusken suvere metalen eleminten en (iv) oergongen fan fêste faze fan metastabiele fazen.
MG's wurde ûnderskieden troch de ôfwêzigens fan lange-ôfstân atomêre oarder dy't assosjeare wurdt mei kristallen, wat in definiearjend skaaimerk is fan kristallen. Yn 'e moderne wrâld is grutte foarútgong boekt op it mêd fan metallysk glês. Dit binne nije materialen mei nijsgjirrige eigenskippen dy't net allinich fan belang binne foar fêste-stof natuerkunde, mar ek foar metallurgy, oerflakgemy, technology, biology en in protte oare gebieten. Dit nije type materiaal hat eigenskippen dy't oars binne as hurde metalen, wêrtroch it in nijsgjirrige kandidaat is foar technologyske tapassingen yn in ferskaat oan fjilden. Se hawwe wat wichtige eigenskippen: (i) hege meganyske duktyliteit en reksterkte, (ii) hege magnetyske permeabiliteit, (iii) lege koërsiviteit, (iv) ungewoane korrosjebestriding, (v) temperatuerûnôfhinklikens. Geliedingsfermogen 6.7.
Mechanysk legerjen (MA)1,8 is in relatyf nije metoade, earst yntrodusearre yn 19839 troch Prof. KK Kok en syn kollega's. Se produsearren amorfe Ni60Nb40-poeders troch in mingsel fan suvere eleminten te malen by keamertemperatuer tige ticht by keamertemperatuer. Typysk wurdt de MA-reaksje útfierd tusken diffúzjebining fan reaktantpoeders yn in reaktor, meastentiids makke fan roestfrij stiel, yn in kûgelmûne. 10 (Fig. 1a, b). Sûnt dy tiid is dizze meganysk ynducearre fêste-stofreaksjemetoade brûkt om nije amorfe/metallyske glêslegeringpoeders te meitsjen mei help fan lege (Fig. 1c) en hege-enerzjykûgelmûnen en stêfmûnen11,12,13,14,15,16. Yn it bysûnder is dizze metoade brûkt om net-mingbere systemen te meitsjen lykas Cu-Ta17, lykas legeringen mei hege smeltpunten lykas Al-oergongsmetaal (TM, Zr, Hf, Nb en Ta)18,19 en Fe-W20-systemen, dy't net kinne wurde krigen mei konvinsjonele kookmetoaden. Derneist wurdt MA beskôge as ien fan 'e machtichste nanotechnologyske ark foar produksje op yndustriële skaal fan nanokristallijne en nanokomposite poeierdieltsjes fan metaaloxiden, karbiden, nitriden, hydriden, koalstofnanobuizen, nanodiamanten, lykas brede stabilisaasje mei in top-down-oanpak. 1 en metastabiele stadia.
Skematysk diagram dat de fabrikaazjemetoade sjen lit dy't brûkt waard om de Cu50(Zr50-xNix)/SUS 304 metallyske glêscoating yn dizze stúdzje ta te rieden. (a) Tarieding fan MC-legearingpoeders mei ferskate konsintraasjes fan Ni x (x; 10, 20, 30, en 40 at.%) mei de leech-enerzjy kûgelfreesmetoade. (a) It útgongsmateriaal wurdt yn in arksilinder laden tegearre mei arkstielen ballen en (b) fersegele yn in mei He-atmosfear fol wantenkastje. (c) Transparant model fan it slypfat dat de beweging fan 'e bal tidens it slypjen yllustrearret. It definitive poeierprodukt dat nei 50 oeren krigen waard, waard brûkt om it SUS 304-substraat kâld te spuiten (d).
As it giet om oerflakken fan bulkmateriaal (substraten), omfettet oerflaktechnyk it ûntwerp en de modifikaasje fan oerflakken (substraten) om bepaalde fysike, gemyske en technyske eigenskippen te leverjen dy't net oanwêzich binne yn it orizjinele bulkmateriaal. Guon fan 'e eigenskippen dy't effektyf ferbettere wurde kinne troch oerflakbehanneling omfetsje slijtage-, oksidaasje- en korrosjebestriding, wriuwingskoëffisjint, bio-inertiteit, elektryske eigenskippen en termyske isolaasje, om mar in pear te neamen. De oerflakkwaliteit kin ferbettere wurde troch metallurgyske, meganyske of gemyske metoaden. As in bekend proses wurdt coating gewoan definiearre as ien of mear lagen materiaal dy't keunstmjittich oanbrocht binne op it oerflak fan in bulkobjekt (substraat) makke fan in oar materiaal. Sa wurde coatings foar in part brûkt om winske technyske of dekorative eigenskippen te berikken, lykas om materialen te beskermjen tsjin ferwachte gemyske en fysike ynteraksjes mei de omjouwing23.
In ferskaat oan metoaden en techniken kin brûkt wurde om geskikte beskermjende lagen oan te bringen fan in pear mikrometer (ûnder 10-20 mikrometer) oant mear as 30 mikrometer of sels ferskate millimeters yn dikte. Yn 't algemien kinne coatingprosessen wurde ferdield yn twa kategoryen: (i) wiete coatingmetoaden, ynklusyf elektroplating, elektroplating en hjitgalvanisaasje, en (ii) droege coatingmetoaden, ynklusyf soldering, hardfacing, fysike dampôfsetting (PVD), gemyske dampôfsetting (CVD), termyske spuittechniken, en koartlyn kâlde spuittechniken 24 (Ofbylding 1d).
Biofilms wurde definiearre as mikrobiële mienskippen dy't ûnomkearber oan oerflakken fêstmakke binne en omjûn binne troch sels produsearre ekstrasellulêre polymearen (EPS). De foarming fan in oerflakkich folwoeksen biofilm kin liede ta wichtige ferliezen yn in protte yndustryen, ynklusyf itenferwurking, wettersystemen en sûnenssoarch. By minsken binne mei de foarming fan biofilms mear as 80% fan 'e gefallen fan mikrobiële ynfeksjes (ynklusyf Enterobacteriaceae en Staphylococci) lestich te behanneljen. Derneist is rapportearre dat folwoeksen biofilms 1000 kear mear resistint binne foar antibiotika-behanneling yn ferliking mei planktonyske baktearjesellen, wat wurdt beskôge as in grutte terapeutyske útdaging. Histoarysk binne antimikrobiële oerflakcoatingmaterialen ôflaat fan gewoane organyske ferbiningen brûkt. Hoewol sokke materialen faak giftige komponinten befetsje dy't potinsjeel skealik binne foar minsken,25,26 kin dit helpe om baktearjele oerdracht en materiaaldegradaasje te foarkommen.
Wiidfersprate baktearjele wjerstân tsjin antibiotika-behanneling fanwegen biofilmfoarming hat laat ta de needsaak om in effektyf antimikrobiële membraanbedekt oerflak te ûntwikkeljen dat feilich oanbrocht wurde kin27. De ûntwikkeling fan in fysyk of gemysk anty-klevend oerflak wêr't baktearjesellen net oan bine kinne en biofilms foarmje kinne fanwegen adhesion is de earste oanpak yn dit proses27. De twadde technology is it ûntwikkeljen fan coatings dy't antimikrobiële gemikaliën presys leverje wêr't se nedich binne, yn tige konsintrearre en oanpaste hoemannichten. Dit wurdt berikt troch de ûntwikkeling fan unike coatingmaterialen lykas grafeen/germanium28, swarte diamant29 en ZnO30-dopearre diamant-achtige koalstofcoatings dy't resistint binne tsjin baktearjes, in technology dy't de ûntwikkeling fan toksisiteit en resistinsje maksimalisearret fanwegen biofilmfoarming. Derneist wurde coatings mei kiemdodende gemikaliën dy't lange-termyn beskerming biede tsjin baktearjele fersmoarging hieltyd populêrder. Wylst alle trije prosedueres antimikrobiële aktiviteit kinne útoefenje op bedekte oerflakken, hat elk syn eigen set beheiningen dy't moatte wurde beskôge by it ûntwikkeljen fan in tapassingsstrategy.
De produkten dy't op it stuit op 'e merk binne, wurde beheind troch it gebrek oan tiid om beskermjende coatings te analysearjen en te testen foar biologysk aktive yngrediïnten. Bedriuwen beweare dat har produkten brûkers de winske funksjonele aspekten sille leverje, mar dit is in obstakel wurden foar it súkses fan 'e produkten dy't op it stuit op 'e merk binne. Ferbiningen ôflaat fan sulver wurde brûkt yn 'e grutte mearderheid fan antimikrobiële middels dy't op it stuit beskikber binne foar konsuminten. Dizze produkten binne ûntworpen om brûkers te beskermjen tsjin potinsjeel skealike bleatstelling oan mikro-organismen. It fertrage antimikrobiële effekt en de assosjearre toksisiteit fan sulverferbiningen ferheegje de druk op ûndersikers om in minder skealik alternatyf te ûntwikkeljen36,37. It meitsjen fan in wrâldwide antimikrobiële coating dy't fan binnen en fan bûten wurket, bliuwt in útdaging. Dit komt mei assosjearre sûnens- en feiligensrisiko's. It ûntdekken fan in antimikrobiële agint dy't minder skealik is foar minsken en útfine hoe't it yn coatingsubstraten kin wurde opnommen mei in langere houdbaarheid is in tige socht doel38. De nijste antimikrobiële en antibiofilmmaterialen binne ûntworpen om baktearjes op koarte ôfstân te deadzjen, itsij troch direkt kontakt as nei it frijkommen fan 'e aktive agint. Se kinne dit dwaan troch de earste baktearjele adhesion te remmen (ynklusyf it foarkommen fan 'e foarming fan in proteïnelaach op it oerflak) of troch baktearjes te deadzjen troch yn te gripen op 'e selwand.
Yn essinsje is oerflakcoating it proses fan it oanbringen fan in oare laach op it oerflak fan in komponint om de oerflakeigenskippen te ferbetterjen. It doel fan in oerflakcoating is om de mikrostruktuer en/of gearstalling fan it gebiet tichtby it oerflak fan in komponint te feroarjen39. Metoaden foar oerflakcoating kinne wurde ferdield yn ferskate metoaden, dy't gearfette binne yn Fig. 2a. Coatings kinne wurde ferdield yn termyske, gemyske, fysike en elektrogemyske kategoryen, ôfhinklik fan 'e metoade dy't brûkt wurdt om de coating te meitsjen.
(a) In ynfoegsel dat de wichtichste oerflakfabrikaazjetechniken sjen lit, en (b) selektearre foar- en neidielen fan 'e kâlde spuitmetoade.
Kâlde spuittechnology hat in protte mienskiplik mei tradisjonele termyske spuittechniken. D'r binne lykwols ek wat wichtige fûnemintele eigenskippen dy't it kâlde spuitproses en kâlde spuitmaterialen bysûnder unyk meitsje. Kâlde spuittechnology stiet noch yn 'e bernetiid, mar it hat in grutte takomst. Yn guon gefallen biede de unike eigenskippen fan kâld spuiten grutte foardielen, wêrby't de beheiningen fan konvinsjonele termyske spuittechniken oerwinne wurde. It oerwint de wichtige beheiningen fan tradisjonele termyske spuittechnology, wêrby't it poeier smelte moat wurde om op in substraat ôfset te wurden. Fansels is dit tradisjonele coatingproses net geskikt foar heul temperatuergefoelige materialen lykas nanokristallen, nanopartikels, amorfe en metallyske glêzen40, 41, 42. Derneist hawwe termyske spuitcoatingmaterialen altyd in hege mjitte fan porositeit en oksiden. Kâlde spuittechnology hat in protte wichtige foardielen boppe termyske spuittechnology, lykas (i) minimale waarmte-ynfier nei it substraat, (ii) fleksibiliteit by it kiezen fan 'e substraatcoating, (iii) gjin fazetransformaasje en nôtgroei, (iv) hege kleefsterkte1 .39 (Fig. 2b). Derneist hawwe kâldspuitcoatingmaterialen in hege korrosjebestriding, hege sterkte en hurdens, hege elektryske geliedingsfermogen en hege tichtheid41. Nettsjinsteande de foardielen fan it kâldspuitproses hat dizze metoade noch wat neidielen, lykas te sjen is yn figuer 2b. By it coaten fan suvere keramyske poeders lykas Al2O3, TiO2, ZrO2, WC, ensfh., kin de kâldspuitmetoade net brûkt wurde. Oan 'e oare kant kinne keramyk/metaal-kompositpoeders brûkt wurde as grûnstoffen foar coatings. Itselde jildt foar oare termyske spuitmetoaden. Drege oerflakken en piipbinnenkanten binne noch altyd lestich te spuiten.
Mei it each op it feit dat it hjoeddeiske wurk rjochte is op it gebrûk fan metallyske glêspoeders as útgongsmaterialen foar coatings, is it dúdlik dat konvinsjoneel termysk spuiten net foar dit doel brûkt wurde kin. Dit komt troch it feit dat metallyske glêspoeders by hege temperatueren kristallisearje1.
De measte ynstruminten dy't brûkt wurde yn 'e medyske en fiedingssektor binne makke fan austenityske roestfrij stielen legeringen (SUS316 en SUS304) mei in chromiumgehalte fan 12 oant 20 gewichtsprosent foar de produksje fan sjirurgyske ynstruminten. It is algemien akseptearre dat it gebrûk fan chromiummetaal as in legeringselemint yn stielen legeringen de korrosjebestriding fan standert stielen legeringen signifikant kin ferbetterje. Roestfrij stielen legeringen hawwe, nettsjinsteande har hege korrosjebestriding, gjin wichtige antimikrobiële eigenskippen38,39. Dit stiet yn kontrast mei har hege korrosjebestriding. Dêrnei is it mooglik om de ûntwikkeling fan ynfeksje en ûntstekking te foarsizzen, dy't benammen te tankjen binne oan baktearjele adhesion en kolonisaasje op it oerflak fan roestfrij stielen biomaterialen. Signifikante swierrichheden kinne ûntstean troch de wichtige swierrichheden dy't ferbûn binne mei baktearjele adhesion en biofilmfoarmingspaden, wat kin liede ta minne sûnens, wat in protte gefolgen kin hawwe dy't direkt of yndirekt ynfloed kinne hawwe op 'e minsklike sûnens.
Dizze stúdzje is de earste faze fan in projekt finansierd troch de Kuwait Foundation for the Advancement of Science (KFAS), kontrakt nr. 2010-550401, om de mooglikheid te ûndersykjen fan it produsearjen fan metallyske glêzen Cu-Zr-Ni ternaire poeders mei MA-technology (tabel). 1) Foar de produksje fan SUS304 antibakteriële oerflakbeskermingsfilm/coating. De twadde faze fan it projekt, dy't yn jannewaris 2023 begjint, sil de galvanyske korrosjekarakteristiken en de meganyske eigenskippen fan it systeem yn detail bestudearje. Detaillearre mikrobiologyske testen foar ferskate soarten baktearjes sille wurde útfierd.
Dit artikel besprekt it effekt fan Zr-legearingynhâld op glêsfoarmingsfermogen (GFA) basearre op morfologyske en strukturele skaaimerken. Derneist waarden de antibakteriële eigenskippen fan 'e poeiercoate metaalglês/SUS304-komposit ek besprutsen. Derneist is oanhâldend wurk útfierd om de mooglikheid te ûndersykjen fan strukturele transformaasje fan metallyske glêspoeders dy't foarkomt tidens kâld spuiten yn it superkuolle floeibere gebiet fan fabrisearre metallyske glêssystemen. Cu50Zr30Ni20 en Cu50Zr20Ni30 metallyske glêslegeringen waarden brûkt as represintative foarbylden yn dizze stúdzje.
Dizze seksje presintearret de morfologyske feroarings yn poeders fan elemintêr Cu, Zr en Ni tidens leech-enerzjykalmûnen. Twa ferskillende systemen besteande út Cu50Zr20Ni30 en Cu50Zr40Ni10 sille brûkt wurde as yllustrative foarbylden. It MA-proses kin wurde ferdield yn trije aparte stadia, lykas bliken docht út 'e metallografyske karakterisaasje fan it poeier dat krigen wurdt yn 'e slypfaze (Fig. 3).
Metallografyske skaaimerken fan poeders fan meganyske legearingen (MA) krigen nei ferskate stadia fan kûgelslypjen. Ofbyldings fan fjildemisje-scanningelektronenmikroskopie (FE-SEM) fan MA- en Cu50Zr40Ni10-poeders krigen nei leechenerzjykûgelslypjen foar 3, 12 en 50 oeren wurde werjûn yn (a), (c) en (e) foar it Cu50Zr20Ni30-systeem, wylst op deselde MA. De oerienkommende ôfbyldings fan it Cu50Zr40Ni10-systeem nommen nei tiid wurde werjûn yn (b), (d) en (f).
Tidens it kûgelmûne wurdt de effektive kinetyske enerzjy dy't oerdroegen wurde kin oan it metaalpoeier beynfloede troch in kombinaasje fan parameters, lykas te sjen is yn Fig. 1a. Dit omfettet botsingen tusken ballen en poeier, skuorkompresje fan poeier dat fêst sit tusken of tusken slypmedia, ynfloeden fan fallende ballen, skuor en slijtage feroarsake troch poeiersleep tusken de bewegende lichems fan in kûgelmûne, en in skokweach dy't troch fallende ballen giet en him troch laden kultuer ferspriedt (Fig. 1a). Элементарные порошки Cu, Zr en Ni были сильно деформированы из-за холодной сварки op ранней стадии МА (3 ч), образованию крупных частиц порошка (> 1 мм в диаметре). De elemintêre Cu-, Zr- en Ni-poeders wiene slim misfoarme troch kâld lassen yn in ier stadium fan MA (3 oeren), wat late ta de foarming fan grutte poedersdieltsjes (> 1 mm yn diameter).Dizze grutte gearstalde dieltsjes wurde karakterisearre troch de foarming fan dikke lagen fan legearingseleminten (Cu, Zr, Ni), lykas te sjen is yn fig. 3a,b. In tanimming fan 'e MA-tiid nei 12 oeren (tuskenfaze) late ta in tanimming fan 'e kinetyske enerzjy fan' e kûgelmûne, wat late ta de ûntbining fan it gearstalde poeier yn lytsere poeiers (minder as 200 μm), lykas te sjen is yn fig. 3c, stêd. Yn dit stadium liedt de tapaste skuorkrêft ta de foarming fan in nij metaaloerflak mei tinne Cu, Zr, Ni-hintlagen, lykas te sjen is yn fig. 3c, d. As gefolch fan it slypjen fan 'e lagen oan' e tuskenflak fan 'e flakes, komme fêste-fazereaksjes foar mei de foarming fan nije fazen.
Op it hichtepunt fan it MA-proses (nei 50 oeren) wie flakemetallografy amper merkber (Fig. 3e, f), en spegelmetallografy waard waarnommen op it gepoleerde oerflak fan it poeier. Dit betsjut dat it MA-proses foltôge wie en in ienige reaksjefaze makke wie. De elemintêre gearstalling fan 'e regio's oanjûn yn Figs. 3e (I, II, III), f, v, vi) waarden bepaald mei help fan fjildemisje-skannende elektronenmikroskopie (FE-SEM) yn kombinaasje mei enerzjydispersive röntgenspektroskopie (EDS). (IV).
Yn tabel 2 wurde elemintêre konsintraasjes fan legearingseleminten werjûn as in persintaazje fan 'e totale massa fan elke regio selektearre yn fig. 3e, f. Fergeliking fan dizze resultaten mei de earste nominale gearstallingen fan Cu50Zr20Ni30 en Cu50Zr40Ni10 jûn yn tabel 1 lit sjen dat de gearstallingen fan dizze twa einprodukten tige ticht by de nominale gearstallingen lizze. Derneist suggerearje de relative wearden fan 'e komponinten foar de regio's neamd yn fig. 3e,f gjin wichtige efterútgong of fariaasje yn 'e gearstalling fan elk stekproef fan de iene regio nei de oare. Dit wurdt bewiisd troch it feit dat der gjin feroaring yn gearstalling is fan de iene regio nei de oare. Dit jout de produksje fan unifoarme legearingpoeders oan lykas werjûn yn tabel 2.
FE-SEM-mikrofoto's fan it Cu50(Zr50-xNix) einproduktpoeier waarden krigen nei 50 MA-tiden, lykas te sjen is yn Fig. 4a-d, wêrby't x respektivelik 10, 20, 30 en 40 at.% is. Nei dizze slypstap aggregearet it poeier troch it van der Waals-effekt, wat liedt ta de foarming fan grutte aggregaten besteande út ultrafijne dieltsjes mei in diameter fan 73 oant 126 nm, lykas te sjen is yn Figuer 4.
Morfologyske skaaimerken fan Cu50(Zr50-xNix) poeders krigen nei 50 oeren MA. Foar de Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40 systemen wurde de FE-SEM-ôfbyldings fan poeders krigen nei 50 MA werjûn yn (a), (b), (c) en (d), respektivelik.
Foardat de poeiers yn 'e kâlde spuitfeeder laden waarden, waarden se earst 15 minuten sonikearre yn ethanol fan analytyske kwaliteit en doe 2 oeren droege by 150 °C. Dizze stap moat nommen wurde om agglomeraasje mei súkses te bestriden, wat faak in protte serieuze problemen feroarsaket yn it coatingproses. Nei de foltôging fan it MA-proses waarden fierdere stúdzjes útfierd om de homogeniteit fan 'e legearingpoeiers te ûndersykjen. Op fig. 5a-d litte FE-SEM-mikrofoto's en oerienkommende EDS-ôfbyldings sjen fan 'e Cu-, Zr- en Ni-legearingseleminten fan' e Cu50Zr30Ni20-legearing nommen nei 50 oeren tiid M, respektivelik. It moat opmurken wurde dat de legearingpoeiers dy't nei dizze stap krigen binne homogeen binne, om't se gjin gearstallingsfluktuaasjes fertoane bûten it sub-nanometernivo, lykas te sjen is yn figuer 5.
Morfology en lokale ferdieling fan eleminten yn MG Cu50Zr30Ni20-poeier krigen nei 50 MA troch FE-SEM/Enerzjydispersive röntgenspektroskopie (EDS). (a) SEM- en röntgen-EDS-ôfbylding fan (b) Cu-Kα, (c) Zr-Lα, en (d) Ni-Kα.
De röntgendiffraksjepatroanen fan meganysk legearre Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, en Cu50Zr20Ni30 poeiers krigen nei 50 oeren MA wurde werjûn yn Fig. 6a-d, respektivelik. Nei dizze slypfaze hienen alle samples mei ferskillende Zr-konsintraasjes amorfe struktueren mei karakteristike halo-diffúzjepatroanen werjûn yn Fig. 6.
Röntgendiffraksjepatroanen fan Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c), en Cu50Zr20Ni30 (d) poeders nei MA foar 50 oeren. In halo-diffúzjepatroan waard yn alle samples sûnder útsûndering waarnommen, wat de foarming fan in amorfe faze oanjout.
Hege-resolúsje fjildemisjetransmisje-elektronenmikroskopie (FE-HRTEM) waard brûkt om strukturele feroarings te observearjen en de lokale struktuer fan poeders te begripen dy't resultearren út kûgelmûnen op ferskate MA-tiden. Ofbyldings fan poeders krigen mei de FE-HRTEM-metoade nei de iere (6 oeren) en tuskenlizzende (18 oeren) stadia fan it slypjen fan Cu50Zr30Ni20 en Cu50Zr40Ni10 poeders wurde werjûn yn Fig. 7a, respektivelik. Neffens de helderfjildôfbylding (BFI) fan it poeier krigen nei 6 oeren MA bestiet it poeier út grutte kerrels mei dúdlik definieare grinzen fan 'e fcc-Cu-, hcp-Zr- en fcc-Ni-eleminten, en binne d'r gjin tekens fan 'e foarming fan in reaksjefaze, lykas werjûn yn Fig. 7a. Derneist liet in korrelearre selektearre gebietdiffraksjepatroan (SADP) nommen út it middelste gebiet (a) in skerp diffraksjepatroan sjen (Fig. 7b) dat de oanwêzigens fan grutte kristalliten en de ôfwêzigens fan in reaktive faze oanjout.
Lokale strukturele skaaimerken fan it MA-poeier dat krigen is nei de iere (6 oeren) en tuskenlizzende (18 oeren) stadia. (a) Hege resolúsje fjildemisjetransmisje-elektronenmikroskopie (FE-HRTEM) en (b) oerienkommende selektearre gebietsdiffraktogram (SADP) fan Cu50Zr30Ni20-poeier nei MA-behanneling fan 6 oeren. De FE-HRTEM-ôfbylding fan Cu50Zr40Ni10 dy't krigen is nei 18 oeren MA wurdt werjûn yn (c).
Lykas te sjen is yn fig. 7c, late in ferheging fan 'e doer fan MA nei 18 oeren ta serieuze roasterdefekten yn kombinaasje mei plestike deformaasje. Yn dizze tuskenfaze fan it MA-proses ferskine ferskate defekten yn it poeier, ynklusyf stapelfouten, roasterdefekten en puntdefekten (fig. 7). Dizze defekten feroarsaakje de fragmintaasje fan grutte kerrels lâns de kerrelgrinzen yn subkerrels lytser as 20 nm yn grutte (fig. 7c).
De lokale struktuer fan it Cu50Z30Ni20-poeier dat 36 oeren lang meald is, wurdt karakterisearre troch de foarming fan ultrafijne nanograins ynbêde yn in amorfe tinne matrix, lykas te sjen is yn Fig. 8a. In lokale analyze fan 'e EMF liet sjen dat de nanoklusters werjûn yn Figs. 8a assosjeare binne mei ûnbehannele Cu-, Zr- en Ni-poeierlegeringen. De ynhâld fan Cu yn 'e matrix fariearre fan ~32 at.% (earme sône) oant ~74 at.% (rike sône), wat de foarming fan heterogene produkten oanjout. Derneist litte de oerienkommende SADP's fan 'e poeders dy't krigen binne nei it meallen yn dizze stap primêre en sekundêre halo-diffúzje-amorfe faazingen sjen dy't oerlappe mei skerpe punten dy't ferbûn binne mei dizze ûnbehannele legeringseleminten, lykas te sjen is yn Fig. 8b.
Nanoskaal lokale strukturele skaaimerken fan Beyond 36 h-Cu50Zr30Ni20 poeier. (a) Helderfjildôfbylding (BFI) en oerienkommende (b) SADP fan Cu50Zr30Ni20 poeier krigen nei it malen foar 36 oeren MA.
Tsjin 'e ein fan it MA-proses (50 oeren) hawwe Cu50(Zr50-xNix), X, 10, 20, 30, en 40 at.% poeders, sûnder útsûndering, in labyrintyske morfology fan 'e amorfe faze, lykas te sjen is yn Fig. . Noch puntdiffraksje noch skerpe ringfoarmige patroanen koene wurde ûntdutsen yn 'e oerienkommende SADS fan elke gearstalling. Dit jout de ôfwêzigens fan ûnbehannele kristallijn metaal oan, mar earder de foarming fan in amorf legearingspoeier. Dizze korrelearre SADP's dy't halodiffúzjepatroanen sjen litte, waarden ek brûkt as bewiis foar de ûntwikkeling fan amorfe fazen yn it definitive produktmateriaal.
Lokale struktuer fan it einprodukt fan it Cu50 MS-systeem (Zr50-xNix). FE-HRTEM en korrelearre nanobeam-diffraksjepatroanen (NBDP) fan (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30, en (d) Cu50Zr10Ni40 krigen nei 50 oeren MA.
Mei help fan differinsjaal scanning kalorimetry waard de termyske stabiliteit fan 'e glêsoergongstemperatuer (Tg), it superkuolle floeibere gebiet (ΔTx) en de kristallisaasjetemperatuer (Tx) bestudearre ôfhinklik fan it gehalte oan Ni (x) yn it amorfe systeem Cu50(Zr50-xNix). (DSC) eigenskippen yn 'e He-gasstream. De DSC-krommen fan poeders fan amorfe legeringen Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, en Cu50Zr10Ni40 krigen nei MA foar 50 oeren wurde werjûn yn Figs. 10a, b, e, respektivelik. Wylst de DSC-kromme fan amorfe Cu50Zr20Ni30 apart werjûn wurdt yn Fig. 10e iuw. Underwilens wurdt in Cu50Zr30Ni20-monster ferwaarme oant ~700 °C yn DSC werjûn yn Fig. 10g.
De termyske stabiliteit fan Cu50(Zr50-xNix) MG-poeders dy't krigen binne nei MA foar 50 oeren wurdt bepaald troch de glêsoergongstemperatuer (Tg), kristallisaasjetemperatuer (Tx) en superkuolle floeistofregio (ΔTx). Termogrammen fan differinsjaal scanning calorimeter (DSC)-poeders fan Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c), en (e) Cu50Zr10Ni40 MG-legearingpoeders nei MA foar 50 oeren. In (d) wurdt in röntgendiffraksjepatroan (XRD) fan in Cu50Zr30Ni20-monster ferwaarme oant ~700 °C yn DSC werjûn.
Lykas te sjen is yn figuer 10, jouwe de DSC-krommen foar alle gearstallingen mei ferskillende nikkelkonsintraasjes (x) twa ferskillende gefallen oan, ien endoterm en de oare eksoterm. De earste endotermyske barren komt oerien mei Tg, en de twadde is assosjeare mei Tx. It horizontale spangebiet dat bestiet tusken Tg en Tx wurdt it ûnderkuolle floeistofgebiet neamd (ΔTx = Tx – Tg). De resultaten litte sjen dat de Tg en Tx fan it Cu50Zr40Ni10-monster (Fig. 10a) pleatst by 526 °C en 612 °C it gehalte (x) oant 20% ferskowe nei de lege temperatuerkant fan 482 °C en 563 °C. °C mei tanimmend Ni-gehalte (x), respektivelik, lykas te sjen is yn figuer 10b. Dêrtroch nimt ΔTx Cu50Zr40Ni10 ôf fan 86 °С (Fig. 10a) nei 81 °С foar Cu50Zr30Ni20 (Fig. 10b). Foar de MC Cu50Zr40Ni10-legering waard ek in ôfname waarnommen yn 'e wearden fan Tg, Tx en ΔTx nei de nivo's fan 447°C, 526°C en 79°C (Fig. 10b). Dit jout oan dat in tanimming fan it Ni-ynhâld liedt ta in ôfname fan 'e termyske stabiliteit fan 'e MS-legering. Krektoarsom, de wearde fan Tg (507 °C) fan 'e MC Cu50Zr20Ni30-legering is leger as dy fan 'e MC Cu50Zr40Ni10-legering; nettsjinsteande dat toant syn Tx in wearde dy't fergelykber is mei dy (612 °C). Dêrom hat ΔTx in hegere wearde (87 °C) lykas te sjen is yn fig. 10e iuw.
It Cu50(Zr50-xNix) MC-systeem, mei de Cu50Zr20Ni30 MC-legearing as foarbyld, kristallisearret troch in skerpe eksotermyske pyk yn fcc-ZrCu5, orthorhombyske-Zr7Cu10, en orthorhombyske-ZrNi kristalline fazen (Fig. 10c). Dizze faze-oergong fan amorf nei kristallijn waard befêstige troch röntgendiffraksje-analyze fan it MG-monster (Fig. 10d) dat ferwaarme waard ta 700 °C yn DSC.
Op fig. 11 binne foto's te sjen dy't makke binne tidens it kâlde spuitproses dat útfierd is yn it hjoeddeiske wurk. Yn dizze stúdzje waarden metaalglêsachtige poeierdieltsjes dy't synthetisearre wiene nei MA foar 50 oeren (mei Cu50Zr20Ni30 as foarbyld) brûkt as in antibakteriële grûnstof, en in roestfrij stielen plaat (SUS304) waard kâldspuitcoat. De kâldspuitmetoade waard keazen foar coating yn 'e searje termyske spuittechnology, om't it de effisjintste metoade is yn 'e searje termyske spuittechnology, wêr't it brûkt wurde kin foar metallyske metastabile waarmtegefoelige materialen lykas amorfe en nanokristallijne poeders. Net ûnderwurpen oan faze-oergongen. Dit is de wichtichste faktor by it kiezen fan dizze metoade. It kâlde ôfsettingsproses wurdt útfierd mei hege-snelheidsdieltsjes dy't de kinetyske enerzjy fan 'e dieltsjes omsette yn plastyske deformaasje, deformaasje en waarmte by ynfloed mei it substraat of earder ôfsette dieltsjes.
Fjildfoto's litte de kâlde spuitproseduere sjen dy't brûkt wurdt foar fiif opienfolgjende tariedings fan MG/SUS 304 by 550 °C.
De kinetische enerzjy fan 'e dieltsjes, lykas it momentum fan elk dieltsje tidens de foarming fan 'e coating, moat omset wurde yn oare foarmen fan enerzjy fia meganismen lykas plestike deformaasje (primêre dieltsjes en ynterdieltsje-ynteraksjes yn 'e matrix en ynteraksjes fan dieltsjes), ynterstitiële knopen fan fêste stoffen, rotaasje tusken dieltsjes, deformaasje en beheinde ferwaarming 39. Derneist, as net alle ynkommende kinetische enerzjy omset wurdt yn termyske enerzjy en deformaasje-enerzjy, sil it resultaat in elastyske botsing wêze, wat betsjut dat de dieltsjes gewoan ôfkeatse nei de ynfloed. It is opmurken dat 90% fan 'e ynfloedsenerzjy dy't tapast wurdt op it dieltsje/substraatmateriaal omset wurdt yn lokale waarmte 40. Derneist, as ynfloedspanning tapast wurdt, wurde hege plestike spanningsraten berikt yn it dieltsje/substraat-kontaktgebiet yn in heul koarte tiid 41,42.
Plastyske deformaasje wurdt meastentiids beskôge as in proses fan enerzjyferspilling, of leaver, as in waarmteboarne yn it tuskenflakgebiet. De tanimming fan temperatuer yn it tuskenflakgebiet is lykwols meastentiids net genôch foar it foarkommen fan tuskenflaksmelting of wichtige stimulearring fan 'e ûnderlinge diffúzje fan atomen. Gjin publikaasje dy't de auteurs bekend is, hat it effekt ûndersocht fan 'e eigenskippen fan dizze metallyske glêspoeders op poederadhesion en delslach dy't foarkomme by it brûken fan kâlde spuittechniken.
De BFI fan it MG Cu50Zr20Ni30-legearingpoeier is te sjen yn Fig. 12a, dat ôfset is op it SUS 304-substraat (Fig. 11, 12b). Lykas te sjen is yn 'e figuer, behâlde de bedekte poeiers har oarspronklike amorfe struktuer, om't se in delikate labyrintstruktuer hawwe sûnder kristallijne skaaimerken of roosterdefekten. Oan 'e oare kant jout de ôfbylding de oanwêzigens oan fan in frjemde faze, lykas bliken docht út 'e nanopartikels dy't opnommen binne yn 'e MG-bedekte poeiermatrix (Fig. 12a). Figuer 12c lit it yndeksearre nanobeam-diffraksjepatroan (NBDP) sjen dat assosjeare is mei regio I (Figuer 12a). Lykas te sjen is yn fig. 12c, toant NBDP in swak halo-diffúzjepatroan fan amorfe struktuer en bestiet tegearre mei skerpe plakken dy't oerienkomme mei in kristallijne grutte kubyske metastabile Zr2Ni-faze plus in tetragonale CuO-faze. De foarming fan CuO kin ferklearre wurde troch de oksidaasje fan it poeier by it ferpleatsen fan 'e nozzle fan it spuitpistoal nei SUS 304 yn 'e iepen loft yn in supersonyske stream. Oan 'e oare kant resultearre devitrifikaasje fan metaalglêzige poeiers yn 'e foarming fan grutte kubike fazen nei kâldspuitbehanneling by 550 °C foar 30 minuten.
(a) FE-HRTEM-ôfbylding fan MG-poeier ôfset op (b) SUS 304-substraat (ôfbyldingsynset). De NBDP-yndeks fan it rûne symboal werjûn yn (a) wurdt werjûn yn (c).
Om dit potinsjele meganisme foar de foarming fan grutte kubike Zr2Ni-nanopartikels te testen, waard in ûnôfhinklik eksperimint útfierd. Yn dit eksperimint waarden poeders fanút in verstuiver by 550 °C yn 'e rjochting fan it SUS 304-substraat spuite; om it gloeieffekt te bepalen, waarden de poeders lykwols sa gau mooglik fan 'e SUS304-strip fuorthelle (sawat 60 s). In oare searje eksperiminten waard útfierd wêrby't it poeier sawat 180 sekonden nei it oanbringen fan it substraat fuorthelle waard.
Figueren 13a, b litte scanning transmission electron microscopy (STEM) tsjusterfjild (DFI) ôfbyldings sjen fan twa sputterde materialen dy't ôfset binne op SUS 304 substraten foar respektivelik 60 s en 180 s. De poeierôfbylding dy't 60 sekonden ôfset is, mist morfologyske details, wat de gebrek oan skaaimerken sjen lit (Fig. 13a). Dit waard ek befêstige troch XRD, dy't oantoande dat de algemiene struktuer fan dizze poeders amorf wie, lykas oanjûn troch de brede primêre en sekundêre diffraksjepiken werjûn yn Fig. 14a. Dit jout de ôfwêzigens fan metastabiele/mesofase-presipitaten oan, wêryn't de poeier syn oarspronklike amorfe struktuer behâldt. Yn tsjinstelling, liet de poeier dy't by deselde temperatuer (550 °C) ôfset waard, mar 180 s op it substraat litten waard, de ôfsetting sjen fan nanogrutte kerrels, lykas werjûn troch de pylken yn Fig. 13b.