Terima kasih telah mengunjungi Nature.com. Versi browser yang Anda gunakan memiliki dukungan CSS yang terbatas. Untuk pengalaman terbaik, kami sarankan Anda menggunakan browser yang diperbarui (atau nonaktifkan Mode Kompatibilitas di Internet Explorer). Sementara itu, untuk memastikan dukungan yang berkelanjutan, kami akan menampilkan situs tanpa gaya dan JavaScript.
Biofilm merupakan komponen penting dalam perkembangan infeksi kronis, terutama yang berkaitan dengan peralatan medis. Masalah ini menghadirkan tantangan besar bagi komunitas medis, karena antibiotik standar hanya dapat menghancurkan biofilm hingga tingkat yang sangat terbatas. Pencegahan pembentukan biofilm telah menghasilkan pengembangan berbagai metode pelapisan dan material baru. Teknik-teknik ini bertujuan untuk melapisi permukaan dengan cara yang mencegah pembentukan biofilm. Paduan logam vitreous, terutama yang mengandung logam tembaga dan titanium, telah menjadi pelapis antimikroba yang ideal. Pada saat yang sama, penggunaan teknologi semprotan dingin telah meningkat karena merupakan metode yang sesuai untuk memproses material yang sensitif terhadap suhu. Bagian dari tujuan penelitian ini adalah untuk mengembangkan kaca metalik film antibakteri baru yang terdiri dari Cu-Zr-Ni terner menggunakan teknik paduan mekanis. Bubuk bulat yang membentuk produk akhir digunakan sebagai bahan baku untuk penyemprotan dingin permukaan baja tahan karat pada suhu rendah. Substrat berlapis kaca logam mampu secara signifikan mengurangi pembentukan biofilm setidaknya 1 log dibandingkan dengan baja tahan karat.
Sepanjang sejarah manusia, masyarakat mana pun telah mampu mengembangkan dan mempromosikan pengenalan material baru untuk memenuhi persyaratan spesifiknya, yang menghasilkan peningkatan produktivitas dan peringkat dalam ekonomi global1. Hal ini selalu dikaitkan dengan kemampuan manusia untuk merancang material dan peralatan manufaktur, serta desain untuk memproduksi dan mengkarakterisasi material untuk mencapai kesehatan, pendidikan, industri, ekonomi, budaya, dan bidang lain dari satu negara atau wilayah ke negara atau wilayah lain. Kemajuan diukur tanpa memandang negara atau wilayah2. Selama 60 tahun, ilmuwan material telah mengabdikan banyak waktu untuk satu tugas utama: pencarian material baru dan canggih. Penelitian terkini difokuskan pada peningkatan kualitas dan kinerja material yang ada, serta sintesis dan penemuan jenis material yang sama sekali baru.
Penambahan unsur paduan, modifikasi struktur mikro material, dan penerapan metode perlakuan termal, mekanis, atau termomekanis telah menghasilkan peningkatan signifikan pada sifat mekanis, kimia, dan fisik berbagai material. Selain itu, senyawa yang sebelumnya tidak diketahui telah berhasil disintesis. Upaya terus-menerus ini telah menghasilkan keluarga baru material inovatif yang secara kolektif dikenal sebagai Material Canggih2. Nanokristal, nanopartikel, nanotube, titik kuantum, kaca metalik amorf berdimensi nol, dan paduan entropi tinggi hanyalah beberapa contoh material canggih yang telah muncul di dunia sejak pertengahan abad lalu. Dalam pembuatan dan pengembangan paduan baru dengan sifat yang ditingkatkan, baik dalam produk akhir maupun dalam tahap antara produksinya, masalah ketidakseimbangan sering kali muncul. Sebagai hasil dari pengenalan teknik manufaktur baru yang memungkinkan penyimpangan signifikan dari keseimbangan, kelas baru paduan metastabil, yang dikenal sebagai kaca metalik, telah ditemukan.
Karyanya di Caltech pada tahun 1960 merevolusi konsep paduan logam ketika ia mensintesis paduan kaca Au-25 at.% Si dengan memadatkan cairan secara cepat pada hampir satu juta derajat per detik.4 Penemuan Profesor Paul Duves tidak hanya menandai dimulainya sejarah gelas logam (MS), tetapi juga menyebabkan pergeseran paradigma dalam cara orang berpikir tentang paduan logam. Sejak penelitian perintis pertama dalam sintesis paduan MS, hampir semua gelas logam telah sepenuhnya diperoleh dengan menggunakan salah satu metode berikut: (i) pemadatan cepat lelehan atau uap, (ii) gangguan kisi atom, (iii) reaksi amorfisasi keadaan padat antara unsur logam murni dan (iv) transisi fase padat dari fase metastabil.
MG dibedakan dengan tidak adanya tatanan atom jarak jauh yang terkait dengan kristal, yang merupakan karakteristik penentu kristal. Di dunia modern, kemajuan besar telah dibuat di bidang kaca metalik. Ini adalah bahan baru dengan sifat menarik yang menarik tidak hanya untuk fisika keadaan padat, tetapi juga untuk metalurgi, kimia permukaan, teknologi, biologi, dan banyak bidang lainnya. Jenis bahan baru ini memiliki sifat yang berbeda dari logam keras, menjadikannya kandidat yang menarik untuk aplikasi teknologi di berbagai bidang. Mereka memiliki beberapa sifat penting: (i) keuletan mekanis dan kekuatan luluh yang tinggi, (ii) permeabilitas magnetik yang tinggi, (iii) koersivitas rendah, (iv) ketahanan korosi yang tidak biasa, (v) independensi suhu. Konduktivitas 6.7.
Paduan mekanis (MA)1,8 adalah metode yang relatif baru, pertama kali diperkenalkan pada tahun 19839 oleh Prof. KK Kok dan rekan-rekannya. Mereka memproduksi bubuk Ni60Nb40 amorf dengan menggiling campuran unsur-unsur murni pada suhu sekitar yang sangat mendekati suhu kamar. Biasanya, reaksi MA dilakukan antara ikatan difusi bubuk reaktan dalam reaktor, biasanya terbuat dari baja tahan karat, ke dalam ball mill. 10 (Gbr. 1a, b). Sejak saat itu, metode reaksi keadaan padat yang diinduksi secara mekanis ini telah digunakan untuk menyiapkan bubuk paduan kaca amorf/metalik baru menggunakan ball mill dan rod mill berenergi rendah (Gbr. 1c) dan tinggi11,12,13,14,15,16. Secara khusus, metode ini telah digunakan untuk menyiapkan sistem yang tidak dapat bercampur seperti Cu-Ta17 serta paduan titik leleh tinggi seperti sistem logam transisi Al (TM, Zr, Hf, Nb dan Ta)18,19 dan Fe-W20. , yang tidak dapat diperoleh dengan metode memasak konvensional. Selain itu, MA dianggap sebagai salah satu alat nanoteknologi paling ampuh untuk produksi partikel bubuk nanokristalin dan nanokomposit skala industri dari oksida logam, karbida, nitrida, hidrida, karbon nanotube, nanodiamond, serta stabilisasi luas menggunakan pendekatan top-down. 1 dan tahap metastabil.
Skema yang menunjukkan metode fabrikasi yang digunakan untuk menyiapkan lapisan kaca metalik Cu50(Zr50-xNix)/SUS 304 dalam penelitian ini. (a) Persiapan serbuk paduan MC dengan berbagai konsentrasi Ni x (x; 10, 20, 30, dan 40 at.%) menggunakan metode penggilingan bola berenergi rendah. (a) Material awal dimuat ke dalam silinder perkakas bersama dengan bola baja perkakas dan (b) disegel dalam kotak sarung tangan berisi atmosfer He. (c) Model transparan bejana penggilingan yang menggambarkan pergerakan bola selama penggilingan. Produk serbuk akhir yang diperoleh setelah 50 jam digunakan untuk melapisi substrat SUS 304 dengan semprotan dingin (d).
Dalam hal permukaan material curah (substrat), rekayasa permukaan melibatkan desain dan modifikasi permukaan (substrat) untuk menyediakan sifat fisik, kimia, dan teknis tertentu yang tidak ada dalam material curah asli. Beberapa sifat yang dapat ditingkatkan secara efektif melalui perawatan permukaan meliputi ketahanan terhadap abrasi, oksidasi dan korosi, koefisien gesekan, bioinertness, sifat listrik dan isolasi termal, dan masih banyak lagi. Kualitas permukaan dapat ditingkatkan dengan metode metalurgi, mekanik atau kimia. Sebagai proses yang sudah dikenal luas, pelapisan didefinisikan secara sederhana sebagai satu atau lebih lapisan material yang diaplikasikan secara artifisial ke permukaan objek curah (substrat) yang terbuat dari material lain. Dengan demikian, pelapisan digunakan sebagian untuk mencapai sifat teknis atau dekoratif yang diinginkan, serta untuk melindungi material dari interaksi kimia dan fisik yang diharapkan dengan lingkungan23.
Berbagai metode dan teknik dapat digunakan untuk menerapkan lapisan pelindung yang sesuai dari beberapa mikrometer (di bawah 10-20 mikrometer) hingga lebih dari 30 mikrometer atau bahkan beberapa milimeter tebalnya. Secara umum, proses pelapisan dapat dibagi menjadi dua kategori: (i) metode pelapisan basah, termasuk pelapisan listrik, pelapisan elektro, dan galvanisasi celup panas, dan (ii) metode pelapisan kering, termasuk penyolderan, pelapisan keras, pengendapan uap fisik (PVD), pengendapan uap kimia (CVD), teknik penyemprotan termal, dan yang lebih baru adalah teknik penyemprotan dingin 24 (Gambar 1d).
Biofilm didefinisikan sebagai komunitas mikroba yang melekat secara ireversibel pada permukaan dan dikelilingi oleh polimer ekstraseluler (EPS) yang diproduksi sendiri. Pembentukan biofilm yang matang secara superfisial dapat menyebabkan kerugian yang signifikan dalam banyak industri, termasuk pengolahan makanan, sistem air, dan perawatan kesehatan. Pada manusia, dengan pembentukan biofilm, lebih dari 80% kasus infeksi mikroba (termasuk Enterobacteriaceae dan Staphylococci) sulit diobati. Selain itu, biofilm yang matang dilaporkan 1000 kali lebih resistan terhadap pengobatan antibiotik dibandingkan dengan sel bakteri planktonik, yang dianggap sebagai tantangan terapeutik utama. Secara historis, bahan pelapis permukaan antimikroba yang berasal dari senyawa organik umum telah digunakan. Meskipun bahan tersebut sering mengandung komponen toksik yang berpotensi berbahaya bagi manusia,25,26 hal ini dapat membantu menghindari penularan bakteri dan degradasi material.
Resistensi bakteri yang meluas terhadap pengobatan antibiotik karena pembentukan biofilm telah menyebabkan perlunya mengembangkan permukaan berlapis membran antimikroba yang efektif yang dapat diaplikasikan dengan aman27. Pengembangan permukaan anti-perekat fisik atau kimia yang tidak dapat mengikat sel bakteri dan membentuk biofilm karena adhesi adalah pendekatan pertama dalam proses ini27. Teknologi kedua adalah mengembangkan pelapis yang memberikan bahan kimia antimikroba tepat di tempat yang dibutuhkan, dalam jumlah yang sangat terkonsentrasi dan disesuaikan. Hal ini dicapai melalui pengembangan bahan pelapis unik seperti grafena/germanium28, berlian hitam29 dan lapisan karbon seperti berlian yang didoping ZnO30 yang tahan terhadap bakteri, sebuah teknologi yang memaksimalkan pengembangan toksisitas dan resistensi karena pembentukan biofilm. Selain itu, pelapis yang mengandung bahan kimia pembasmi kuman yang memberikan perlindungan jangka panjang terhadap kontaminasi bakteri menjadi semakin populer. Sementara ketiga prosedur tersebut mampu memberikan aktivitas antimikroba pada permukaan yang dilapisi, masing-masing memiliki serangkaian keterbatasannya sendiri yang harus dipertimbangkan saat mengembangkan strategi aplikasi.
Produk yang beredar di pasaran saat ini terhambat oleh kurangnya waktu untuk menganalisis dan menguji lapisan pelindung untuk bahan aktif biologis. Perusahaan mengklaim bahwa produk mereka akan memberikan aspek fungsional yang diinginkan pengguna, namun, hal ini telah menjadi kendala bagi keberhasilan produk yang beredar di pasaran saat ini. Senyawa yang berasal dari perak digunakan dalam sebagian besar antimikroba yang saat ini tersedia bagi konsumen. Produk-produk ini dirancang untuk melindungi pengguna dari paparan mikroorganisme yang berpotensi membahayakan. Efek antimikroba yang tertunda dan toksisitas senyawa perak yang terkait meningkatkan tekanan pada para peneliti untuk mengembangkan alternatif yang kurang berbahaya36,37. Menciptakan lapisan antimikroba global yang bekerja di dalam dan luar tetap menjadi tantangan. Hal ini disertai dengan risiko kesehatan dan keselamatan terkait. Menemukan agen antimikroba yang kurang berbahaya bagi manusia dan mencari tahu cara memasukkannya ke dalam substrat pelapis dengan masa simpan yang lebih lama adalah tujuan yang sangat dicari38. Bahan antimikroba dan antibiofilm terbaru dirancang untuk membunuh bakteri dari jarak dekat baik melalui kontak langsung atau setelah pelepasan agen aktif. Mereka dapat melakukan ini dengan menghambat adhesi bakteri awal (termasuk mencegah pembentukan lapisan protein pada permukaan) atau dengan membunuh bakteri dengan mengganggu dinding sel.
Pada dasarnya, pelapisan permukaan adalah proses penerapan lapisan lain pada permukaan suatu komponen untuk meningkatkan karakteristik permukaan. Tujuan pelapisan permukaan adalah untuk mengubah struktur mikro dan/atau komposisi daerah dekat permukaan suatu komponen39. Metode pelapisan permukaan dapat dibagi menjadi beberapa metode, yang dirangkum dalam Gambar 2a. Pelapisan dapat dibagi menjadi kategori termal, kimia, fisika, dan elektrokimia tergantung pada metode yang digunakan untuk membuat pelapisan.
(a) Sisipan yang menunjukkan teknik pembuatan permukaan utama, dan (b) keuntungan dan kerugian terpilih dari metode penyemprotan dingin.
Teknologi semprotan dingin memiliki banyak kesamaan dengan teknik semprotan termal tradisional. Akan tetapi, ada juga beberapa sifat dasar utama yang menjadikan proses semprotan dingin dan material semprotan dingin sangat unik. Teknologi semprotan dingin masih dalam tahap awal, tetapi memiliki masa depan yang cerah. Dalam beberapa kasus, sifat unik penyemprotan dingin menawarkan manfaat besar, mengatasi keterbatasan teknik penyemprotan termal konvensional. Teknologi ini mengatasi keterbatasan signifikan teknologi semprotan termal tradisional, di mana bubuk harus dicairkan untuk diendapkan pada substrat. Jelas, proses pelapisan tradisional ini tidak cocok untuk material yang sangat sensitif terhadap suhu seperti nanokristal, nanopartikel, kaca amorf dan metalik40, 41, 42. Selain itu, material pelapis semprotan termal selalu memiliki tingkat porositas dan oksida yang tinggi. Teknologi semprotan dingin memiliki banyak keunggulan signifikan dibandingkan teknologi semprotan termal, seperti (i) masukan panas minimal ke substrat, (ii) fleksibilitas dalam memilih pelapis substrat, (iii) tidak ada transformasi fase dan pertumbuhan butiran, (iv) daya rekat tinggi1,39 (Gbr. 2b). Selain itu, bahan pelapis semprotan dingin memiliki ketahanan korosi yang tinggi, kekuatan dan kekerasan yang tinggi, konduktivitas listrik yang tinggi, dan kepadatan yang tinggi41. Meskipun proses semprotan dingin memiliki kelebihan, metode ini masih memiliki beberapa kekurangan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2b. Saat melapisi bubuk keramik murni seperti Al2O3, TiO2, ZrO2, WC, dll., metode semprotan dingin tidak dapat digunakan. Di sisi lain, bubuk komposit keramik/logam dapat digunakan sebagai bahan baku pelapis. Hal yang sama berlaku untuk metode penyemprotan termal lainnya. Permukaan yang sulit dan bagian dalam pipa masih sulit disemprot.
Mengingat bahwa penelitian ini ditujukan untuk penggunaan serbuk vitreous metalik sebagai bahan awal pelapis, jelas bahwa penyemprotan termal konvensional tidak dapat digunakan untuk tujuan ini. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa serbuk vitreous metalik mengkristal pada suhu tinggi1.
Sebagian besar instrumen yang digunakan dalam industri medis dan makanan terbuat dari paduan baja tahan karat austenitik (SUS316 dan SUS304) dengan kandungan kromium 12 hingga 20 wt.% untuk produksi instrumen bedah. Secara umum diterima bahwa penggunaan logam kromium sebagai elemen paduan dalam paduan baja dapat secara signifikan meningkatkan ketahanan korosi paduan baja standar. Paduan baja tahan karat, meskipun memiliki ketahanan korosi yang tinggi, tidak memiliki sifat antimikroba yang signifikan38,39. Ini kontras dengan ketahanan korosinya yang tinggi. Setelah itu, adalah mungkin untuk memprediksi perkembangan infeksi dan peradangan, yang terutama disebabkan oleh adhesi dan kolonisasi bakteri pada permukaan biomaterial baja tahan karat. Kesulitan yang signifikan dapat muncul karena kesulitan signifikan yang terkait dengan jalur adhesi bakteri dan pembentukan biofilm, yang dapat menyebabkan kesehatan yang buruk, yang dapat memiliki banyak konsekuensi yang dapat secara langsung atau tidak langsung mempengaruhi kesehatan manusia.
Studi ini merupakan tahap pertama dari proyek yang didanai oleh Kuwait Foundation for the Advancement of Science (KFAS), kontrak no. 2010-550401, untuk menyelidiki kelayakan produksi serbuk terner Cu-Zr-Ni metalik menggunakan teknologi MA (tabel). 1) Untuk produksi lapisan/film pelindung permukaan antibakteri SUS304. Tahap kedua proyek, yang akan dimulai pada Januari 2023, akan mempelajari secara rinci karakteristik korosi galvanik dan sifat mekanis sistem. Uji mikrobiologi terperinci untuk berbagai jenis bakteri akan dilakukan.
Artikel ini membahas pengaruh kandungan paduan Zr terhadap kemampuan pembentukan kaca (GFA) berdasarkan karakteristik morfologi dan struktur. Selain itu, sifat antibakteri dari komposit kaca logam/SUS304 berlapis serbuk juga dibahas. Selain itu, penelitian yang sedang berlangsung telah dilakukan untuk menyelidiki kemungkinan terjadinya transformasi struktur serbuk kaca metalik selama penyemprotan dingin di wilayah cairan superdingin dari sistem kaca metalik yang difabrikasi. Paduan kaca metalik Cu50Zr30Ni20 dan Cu50Zr20Ni30 digunakan sebagai contoh representatif dalam penelitian ini.
Bagian ini menyajikan perubahan morfologi pada serbuk unsur Cu, Zr, dan Ni selama penggilingan bola berenergi rendah. Dua sistem berbeda yang terdiri dari Cu50Zr20Ni30 dan Cu50Zr40Ni10 akan digunakan sebagai contoh ilustrasi. Proses MA dapat dibagi menjadi tiga tahap terpisah, sebagaimana dibuktikan oleh karakterisasi metalografi serbuk yang diperoleh pada tahap penggilingan (Gbr. 3).
Karakteristik metalografi serbuk paduan mekanis (MA) diperoleh setelah berbagai tahap penggilingan bola. Gambar mikroskop elektron pemindaian emisi medan (FE-SEM) serbuk MA dan Cu50Zr40Ni10 yang diperoleh setelah penggilingan bola energi rendah selama 3, 12, dan 50 jam ditunjukkan dalam (a), (c), dan (e) untuk sistem Cu50Zr20Ni30, sementara pada MA yang sama. Gambar yang sesuai dari sistem Cu50Zr40Ni10 yang diambil setelah waktu tersebut ditunjukkan dalam (b), (d), dan (f).
Selama penggilingan bola, energi kinetik efektif yang dapat ditransfer ke serbuk logam dipengaruhi oleh kombinasi parameter, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1a. Ini termasuk benturan antara bola dan serbuk, kompresi geser serbuk yang tersangkut di antara atau di antara media penggiling, benturan dari bola yang jatuh, geser dan keausan yang disebabkan oleh tarikan serbuk di antara badan penggiling bola yang bergerak, dan gelombang kejut yang melewati bola yang jatuh yang merambat melalui kultur yang dimuat (Gambar 1a). Elemen-elemen Cu, Zr, dan Ni dapat digunakan untuk menentukan jumlah yang diperlukan untuk МА (3 ч), что привело к образованию крупных частиц порошка (> 1 mm dalam sehari). Serbuk unsur Cu, Zr, dan Ni mengalami deformasi parah akibat pengelasan dingin pada tahap awal MA (3 jam), yang menyebabkan terbentuknya partikel serbuk besar (> 1 mm diameter).Partikel komposit besar ini dicirikan oleh pembentukan lapisan tebal elemen paduan (Cu, Zr, Ni), seperti yang ditunjukkan pada gambar 3a,b. Peningkatan waktu MA menjadi 12 jam (tahap antara) menyebabkan peningkatan energi kinetik ball mill, yang menyebabkan dekomposisi bubuk komposit menjadi bubuk yang lebih kecil (kurang dari 200 μm), seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3c, kota. Pada tahap ini, gaya geser yang diberikan menyebabkan pembentukan permukaan logam baru dengan lapisan tipis Cu, Zr, Ni, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3c, d. Sebagai hasil dari penggilingan lapisan pada antarmuka serpihan, reaksi fase padat terjadi dengan pembentukan fase baru.
Pada klimaks proses MA (setelah 50 jam), metalografi serpihan hampir tidak terlihat (Gbr. 3e, f), dan metalografi cermin diamati pada permukaan serbuk yang dipoles. Ini berarti bahwa proses MA telah selesai dan satu fase reaksi telah dibuat. Komposisi unsur dari daerah yang ditunjukkan pada Gbr. 3e (I, II, III), f, v, vi) ditentukan menggunakan mikroskop elektron pemindaian emisi medan (FE-SEM) yang dikombinasikan dengan spektroskopi sinar-X dispersif energi (EDS). (IV).
Pada tabel. 2 konsentrasi unsur paduan ditunjukkan sebagai persentase dari total massa setiap daerah yang dipilih pada gambar 3e, f. Membandingkan hasil ini dengan komposisi nominal awal Cu50Zr20Ni30 dan Cu50Zr40Ni10 yang diberikan pada Tabel 1 menunjukkan bahwa komposisi dari kedua produk akhir ini sangat dekat dengan komposisi nominal. Selain itu, nilai relatif dari komponen untuk daerah yang tercantum pada Gambar 3e, f tidak menunjukkan kerusakan atau variasi yang signifikan dalam komposisi setiap sampel dari satu daerah ke daerah lain. Hal ini dibuktikan dengan fakta bahwa tidak ada perubahan komposisi dari satu daerah ke daerah lain. Hal ini menunjukkan produksi serbuk paduan yang seragam seperti yang ditunjukkan pada Tabel 2.
Mikrograf FE-SEM dari bubuk produk akhir Cu50(Zr50-xNix) diperoleh setelah 50 kali MA, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4a-d, di mana x masing-masing adalah 10, 20, 30 dan 40 at.% Setelah langkah penggilingan ini, bubuk tersebut teragregasi karena efek van der Waals, yang mengarah pada pembentukan agregat besar yang terdiri dari partikel sangat halus dengan diameter 73 hingga 126 nm, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.
Karakteristik morfologi serbuk Cu50(Zr50-xNix) yang diperoleh setelah 50 jam MA. Untuk sistem Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40, gambar FE-SEM serbuk yang diperoleh setelah 50 jam MA ditunjukkan masing-masing dalam (a), (b), (c), dan (d).
Sebelum memasukkan serbuk ke dalam cold spray feeder, serbuk tersebut terlebih dahulu disonikasi dalam etanol kelas analitis selama 15 menit dan kemudian dikeringkan pada suhu 150° C selama 2 jam. Langkah ini harus dilakukan untuk berhasil mengatasi penggumpalan, yang sering kali menyebabkan banyak masalah serius dalam proses pelapisan. Setelah proses MA selesai, penelitian lebih lanjut dilakukan untuk menyelidiki homogenitas serbuk paduan. Pada gambar 5a–d, ditunjukkan mikrograf FE-SEM dan gambar EDS yang sesuai dari elemen paduan Cu, Zr, dan Ni dari paduan Cu50Zr30Ni20 yang diambil setelah waktu 50 jam M, masing-masing. Perlu dicatat bahwa serbuk paduan yang diperoleh setelah langkah ini bersifat homogen, karena tidak menunjukkan fluktuasi komposisi apa pun di luar level sub-nanometer, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.
Morfologi dan distribusi lokal unsur-unsur dalam bubuk MG Cu50Zr30Ni20 diperoleh setelah 50 MA dengan FE-SEM/Spektroskopi Sinar-X Dispersi Energi (EDS). (a) Pencitraan SEM dan EDS sinar-X dari (b) Cu-Kα, (c) Zr-Lα, dan (d) Ni-Kα.
Pola difraksi sinar-X dari serbuk paduan mekanis Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, dan Cu50Zr20Ni30 yang diperoleh setelah MA 50 jam ditunjukkan masing-masing pada Gambar 6a–d. Setelah tahap penggilingan ini, semua sampel dengan konsentrasi Zr yang berbeda memiliki struktur amorf dengan pola difusi halo khas yang ditunjukkan pada Gambar 6.
Pola difraksi sinar-X serbuk Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c), dan Cu50Zr20Ni30 (d) setelah MA selama 50 jam. Pola halo-difusi diamati pada semua sampel tanpa kecuali, yang menunjukkan terbentuknya fase amorf.
Mikroskop elektron transmisi emisi medan resolusi tinggi (FE-HRTEM) digunakan untuk mengamati perubahan struktural dan memahami struktur lokal serbuk yang dihasilkan dari penggilingan bola pada waktu MA yang berbeda. Gambar serbuk yang diperoleh dengan metode FE-HRTEM setelah tahap awal (6 jam) dan tahap antara (18 jam) penggilingan serbuk Cu50Zr30Ni20 dan Cu50Zr40Ni10 ditunjukkan pada Gambar 7a, masing-masing. Menurut gambar medan terang (BFI) serbuk yang diperoleh setelah 6 jam MA, serbuk terdiri dari butiran besar dengan batas yang jelas dari unsur-unsur fcc-Cu, hcp-Zr, dan fcc-Ni, dan tidak ada tanda-tanda pembentukan fase reaksi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7a. Selain itu, pola difraksi area terpilih berkorelasi (SADP) yang diambil dari daerah tengah (a) mengungkapkan pola difraksi yang tajam (Gambar 7b) yang menunjukkan adanya kristalit besar dan tidak adanya fase reaktif.
Karakteristik struktural lokal serbuk MA diperoleh setelah tahap awal (6 jam) dan tahap antara (18 jam). (a) Mikroskop elektron transmisi emisi medan resolusi tinggi (FE-HRTEM) dan (b) difraktogram area terpilih (SADP) serbuk Cu50Zr30Ni20 yang sesuai setelah perlakuan MA selama 6 jam. Gambar FE-HRTEM Cu50Zr40Ni10 yang diperoleh setelah MA selama 18 jam ditunjukkan pada (c).
Seperti yang ditunjukkan pada gambar 7c, peningkatan durasi MA hingga 18 jam menyebabkan cacat kisi yang serius yang dikombinasikan dengan deformasi plastik. Pada tahap peralihan proses MA ini, berbagai cacat muncul pada serbuk, termasuk kesalahan penumpukan, cacat kisi, dan cacat titik (Gambar 7). Cacat ini menyebabkan fragmentasi butiran besar di sepanjang batas butiran menjadi subbutiran yang berukuran lebih kecil dari 20 nm (Gambar 7c).
Struktur lokal bubuk Cu50Z30Ni20 yang digiling selama 36 jam MA dicirikan oleh pembentukan butiran nano ultrafine yang tertanam dalam matriks tipis amorf, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8a. Analisis lokal EMF menunjukkan bahwa nanocluster yang ditunjukkan pada Gambar 8a dikaitkan dengan paduan bubuk Cu, Zr dan Ni yang tidak diolah. Kandungan Cu dalam matriks bervariasi dari ~32 at.% (zona miskin) hingga ~74 at.% (zona kaya), yang menunjukkan pembentukan produk heterogen. Selain itu, SADP yang sesuai dari bubuk yang diperoleh setelah penggilingan pada langkah ini menunjukkan cincin fase amorf halo-difusi primer dan sekunder yang tumpang tindih dengan titik-titik tajam yang dikaitkan dengan elemen paduan yang tidak diolah ini, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8b.
Fitur struktur lokal skala nano dari bubuk Beyond 36 h-Cu50Zr30Ni20. (a) Citra medan terang (BFI) dan (b) SADP bubuk Cu50Zr30Ni20 yang diperoleh setelah penggilingan selama 36 jam MA.
Menjelang akhir proses MA (50 jam), serbuk Cu50(Zr50-xNix), X, 10, 20, 30, dan 40 at.%, tanpa kecuali, memiliki morfologi fase amorf yang berliku-liku, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. Baik difraksi titik maupun pola annular tajam tidak dapat dideteksi dalam SADS yang sesuai dari setiap komposisi. Hal ini menunjukkan tidak adanya logam kristal yang tidak diolah, melainkan pembentukan serbuk paduan amorf. SADP berkorelasi ini yang menunjukkan pola difusi halo juga digunakan sebagai bukti perkembangan fase amorf dalam bahan produk akhir.
Struktur lokal produk akhir sistem Cu50 MS (Zr50-xNix). FE-HRTEM dan pola difraksi nanobeam berkorelasi (NBDP) dari (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30, dan (d) Cu50Zr10Ni40 diperoleh setelah 50 jam MA.
Dengan menggunakan kalorimetri pemindaian diferensial, stabilitas termal suhu transisi gelas (Tg), daerah cairan superdingin (ΔTx) dan suhu kristalisasi (Tx) dipelajari tergantung pada kandungan Ni (x) dalam sistem amorf Cu50(Zr50-xNix). (DSC) properti dalam aliran gas He. Kurva DSC serbuk paduan amorf Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, dan Cu50Zr10Ni40 yang diperoleh setelah MA selama 50 jam ditunjukkan pada Gambar 10a, b, e, berturut-turut. Sementara kurva DSC Cu50Zr20Ni30 amorf ditunjukkan secara terpisah pada Gambar 10 abad ke-10 Sementara itu, sampel Cu50Zr30Ni20 yang dipanaskan hingga ~700°C dalam DSC ditunjukkan pada Gambar 10g.
Stabilitas termal serbuk MG Cu50(Zr50-xNix) yang diperoleh setelah MA selama 50 jam ditentukan oleh suhu transisi gelas (Tg), suhu kristalisasi (Tx) dan daerah cairan superdingin (ΔTx). Termogram serbuk kalorimeter pemindaian diferensial (DSC) dari Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c), dan (e) serbuk paduan MG Cu50Zr10Ni40 setelah MA selama 50 jam. Pola difraksi sinar-X (XRD) dari sampel Cu50Zr30Ni20 yang dipanaskan hingga ~700°C dalam DSC ditunjukkan pada (d).
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 10, kurva DSC untuk semua komposisi dengan konsentrasi nikel yang berbeda (x) menunjukkan dua kasus yang berbeda, satu endotermik dan yang lainnya eksotermik. Peristiwa endotermik pertama berhubungan dengan Tg, dan yang kedua dikaitkan dengan Tx. Area bentang horizontal yang ada di antara Tg dan Tx disebut area cairan subdingin (ΔTx = Tx – Tg). Hasilnya menunjukkan bahwa Tg dan Tx dari sampel Cu50Zr40Ni10 (Gbr. 10a) yang ditempatkan pada suhu 526°C dan 612°C menggeser kandungan (x) hingga 20 at % ke arah sisi suhu rendah 482°C dan 563°C. °C dengan peningkatan kandungan Ni (x), masing-masing, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 10b. Akibatnya, ΔTx Cu50Zr40Ni10 menurun dari 86°С (Gbr. 10a) menjadi 81°С untuk Cu50Zr30Ni20 (Gbr. 10b). Untuk paduan MC Cu50Zr40Ni10, penurunan nilai Tg, Tx, dan ΔTx ke level 447°С, 526°С, dan 79°С juga diamati (Gbr. 10b). Hal ini menunjukkan bahwa peningkatan kandungan Ni menyebabkan penurunan stabilitas termal paduan MS. Sebaliknya, nilai Tg (507 °C) dari paduan MC Cu50Zr20Ni30 lebih rendah daripada paduan MC Cu50Zr40Ni10; meskipun demikian, Tx-nya menunjukkan nilai yang sebanding dengannya (612 °C). Oleh karena itu, ΔTx memiliki nilai yang lebih tinggi (87°C) seperti yang ditunjukkan pada gambar abad ke-10.
Sistem Cu50(Zr50-xNix) MC, menggunakan paduan Cu50Zr20Ni30 MC sebagai contoh, mengkristal melalui puncak eksotermik tajam menjadi fase kristal fcc-ZrCu5, ortorombik-Zr7Cu10, dan ortorombik-ZrNi (Gbr. 10c). Transisi fase dari amorf ke kristal ini dikonfirmasi oleh analisis difraksi sinar-X dari sampel MG (Gbr. 10d) yang dipanaskan hingga 700 °C dalam DSC.
Pada gambar 11 menunjukkan foto-foto yang diambil selama proses penyemprotan dingin yang dilakukan dalam pekerjaan saat ini. Dalam penelitian ini, partikel bubuk logam seperti kaca yang disintesis setelah MA selama 50 jam (menggunakan Cu50Zr20Ni30 sebagai contoh) digunakan sebagai bahan baku antibakteri, dan pelat baja tahan karat (SUS304) dilapisi dengan semprotan dingin. Metode semprotan dingin dipilih untuk pelapisan dalam rangkaian teknologi semprotan termal karena merupakan metode yang paling efisien dalam rangkaian teknologi semprotan termal yang dapat digunakan untuk bahan peka panas metastabil logam seperti bubuk amorf dan nanokristalin. Tidak mengalami transisi fase. Ini adalah faktor utama dalam memilih metode ini. Proses pengendapan dingin dilakukan dengan menggunakan partikel berkecepatan tinggi yang mengubah energi kinetik partikel menjadi deformasi plastik, deformasi, dan panas saat tumbukan dengan substrat atau partikel yang diendapkan sebelumnya.
Foto lapangan menunjukkan prosedur penyemprotan dingin yang digunakan untuk lima persiapan berturut-turut MG/SUS 304 pada suhu 550°C.
Energi kinetik partikel, serta momentum setiap partikel selama pembentukan lapisan, harus diubah menjadi bentuk energi lain melalui mekanisme seperti deformasi plastik (partikel primer dan interaksi antarpartikel dalam matriks dan interaksi partikel), simpul interstisial padatan, rotasi antara partikel, deformasi dan pemanasan terbatas 39. Selain itu, jika tidak semua energi kinetik yang masuk diubah menjadi energi termal dan energi deformasi, hasilnya akan menjadi tumbukan elastis, yang berarti bahwa partikel hanya memantul setelah tumbukan. Telah dicatat bahwa 90% dari energi tumbukan yang diterapkan pada bahan partikel/substrat diubah menjadi panas lokal 40 . Selain itu, ketika tegangan tumbukan diterapkan, laju regangan plastik yang tinggi dicapai di wilayah kontak partikel/substrat dalam waktu yang sangat singkat41,42.
Deformasi plastik biasanya dianggap sebagai proses disipasi energi, atau lebih tepatnya, sebagai sumber panas di daerah antarmuka. Namun, peningkatan suhu di daerah antarmuka biasanya tidak cukup untuk terjadinya pelelehan antarmuka atau stimulasi signifikan difusi atom secara timbal balik. Tidak ada publikasi yang diketahui oleh penulis yang menyelidiki pengaruh sifat-sifat serbuk vitreous metalik ini terhadap adhesi serbuk dan pengendapan yang terjadi saat menggunakan teknik semprotan dingin.
BFI dari bubuk paduan MG Cu50Zr20Ni30 dapat dilihat pada Gambar 12a, yang diendapkan pada substrat SUS 304 (Gambar 11, 12b). Seperti dapat dilihat dari gambar, bubuk yang dilapisi mempertahankan struktur amorf aslinya karena memiliki struktur labirin yang halus tanpa fitur kristal atau cacat kisi. Di sisi lain, gambar menunjukkan adanya fase asing, sebagaimana dibuktikan oleh nanopartikel yang termasuk dalam matriks bubuk berlapis MG (Gambar 12a). Gambar 12c menunjukkan pola difraksi nanobeam terindeks (NBDP) yang terkait dengan wilayah I (Gambar 12a). Seperti yang ditunjukkan pada gambar 12c, NBDP menunjukkan pola halo-difusi yang lemah dari struktur amorf dan hidup berdampingan dengan bintik-bintik tajam yang sesuai dengan fase Zr2Ni metastabil kubik besar kristal ditambah fase CuO tetragonal. Pembentukan CuO dapat dijelaskan oleh oksidasi bubuk saat bergerak dari nosel pistol semprot ke SUS 304 di udara terbuka dalam aliran supersonik. Di sisi lain, devitrifikasi bubuk logam seperti kaca menghasilkan pembentukan fase kubik besar setelah perlakuan semprotan dingin pada suhu 550°C selama 30 menit.
(a) Gambar FE-HRTEM serbuk MG yang diendapkan pada (b) substrat SUS 304 (Gambar sisipan). Indeks NBDP dari simbol bulat yang ditunjukkan pada (a) ditunjukkan pada (c).
Untuk menguji mekanisme potensial ini untuk pembentukan nanopartikel Zr2Ni kubik besar, percobaan independen dilakukan. Dalam percobaan ini, serbuk disemprotkan dari alat penyemprot pada suhu 550°C ke arah substrat SUS 304; namun, untuk menentukan efek pemanasan, serbuk dikeluarkan dari strip SUS304 secepat mungkin (sekitar 60 detik). Rangkaian percobaan lain dilakukan di mana serbuk dikeluarkan dari substrat sekitar 180 detik setelah aplikasi.
Gambar 13a,b menunjukkan gambar medan gelap (DFI) Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) dari dua material sputter yang diendapkan pada substrat SUS 304 selama 60 detik dan 180 detik. Gambar bubuk yang diendapkan selama 60 detik tidak memiliki detail morfologi, yang menunjukkan tidak adanya fitur (Gbr. 13a). Hal ini juga dikonfirmasi oleh XRD, yang menunjukkan bahwa keseluruhan struktur bubuk ini bersifat amorf, seperti yang ditunjukkan oleh puncak difraksi primer dan sekunder yang lebar yang ditunjukkan pada Gambar 14a. Hal ini menunjukkan tidak adanya presipitat metastabil/mesofase, di mana bubuk mempertahankan struktur amorf aslinya. Sebaliknya, bubuk yang diendapkan pada suhu yang sama (550°C) tetapi dibiarkan pada substrat selama 180 detik menunjukkan pengendapan butiran berukuran nano, seperti yang ditunjukkan oleh anak panah pada Gambar 13b.