Þakka þér fyrir að heimsækja Nature.com. Vafraútgáfan sem þú notar hefur takmarkaðan CSS-stuðning. Til að fá sem bestu upplifun mælum við með að þú notir uppfærðan vafra (eða slökkvir á samhæfingarstillingu í Internet Explorer). Á meðan, til að tryggja áframhaldandi stuðning, munum við birta síðuna án stíla og JavaScript.
Líffilmur eru mikilvægur þáttur í þróun langvinnra sýkinga, sérstaklega þegar kemur að lækningatækjum. Þetta vandamál er gríðarleg áskorun fyrir læknasamfélagið, þar sem hefðbundin sýklalyf geta aðeins eyðilagt líffilmur að mjög takmörkuðu leyti. Að koma í veg fyrir myndun líffilmu hefur leitt til þróunar ýmissa húðunaraðferða og nýrra efna. Þessar aðferðir miða að því að húða yfirborð á þann hátt að komið sé í veg fyrir myndun líffilmu. Glermálmblöndur, sérstaklega þær sem innihalda kopar og títanmálma, hafa orðið kjörin örverueyðandi húðun. Á sama tíma hefur notkun kaldúðunartækni aukist þar sem hún er hentug aðferð til að vinna úr hitanæmum efnum. Hluti af markmiði þessarar rannsóknar var að þróa nýja bakteríudrepandi filmu úr málmgleri sem samanstendur af þríhyrningi Cu-Zr-Ni með því að nota vélræna álfelgunartækni. Kúlulaga duftið sem myndar lokaafurðina er notað sem hráefni fyrir kaldúðun á yfirborðum ryðfríu stáli við lágt hitastig. Málmglerhúðuð undirlag tókst að draga verulega úr myndun líffilmu um að minnsta kosti 1 log samanborið við ryðfrítt stál.
Í gegnum mannkynssöguna hefur hvert samfélag getað þróað og stuðlað að innleiðingu nýrra efna til að uppfylla sérþarfir þess, sem hefur leitt til aukinnar framleiðni og stöðu í hnattvæddu hagkerfi1. Það hefur alltaf verið eignað hæfni mannsins til að hanna efni og framleiðslubúnað, sem og hönnun til að framleiða og greina efni til að ná heilsu, menntun, iðnaði, hagfræði, menningu og öðrum sviðum frá einu landi eða svæði til annars. Framfarir eru mældar óháð landi eða svæði2. Í 60 ár hafa efnisfræðingar varið miklum tíma í eitt aðalverkefni: leit að nýjum og háþróuðum efnum. Nýlegar rannsóknir hafa beinst að því að bæta gæði og afköst núverandi efna, sem og að mynda og finna upp alveg nýjar gerðir efna.
Viðbót málmblönduþátta, breyting á örbyggingu efnisins og notkun varma-, vélrænna eða varmafræðilegra meðhöndlunaraðferða hefur leitt til verulegra umbóta á vélrænum, efnafræðilegum og eðlisfræðilegum eiginleikum ýmissa efna. Þar að auki hefur verið tekist að mynda hingað til óþekkt efnasambönd. Þessar þrautseigju hafa leitt til nýrrar fjölskyldu nýstárlegra efna sem sameiginlega eru þekkt sem háþróuð efni2. Nanókristallar, nanóagnir, nanórör, skammtapunktar, núllvíddar, ókristallað málmgler og málmblöndur með mikilli óreiðu eru aðeins nokkur dæmi um háþróuð efni sem hafa komið fram í heiminum frá miðri síðustu öld. Við framleiðslu og þróun nýrra málmblöndu með bættum eiginleikum, bæði í lokaafurðinni og á millistigum framleiðslu hennar, bætist oft við vandamál ójafnvægis. Sem afleiðing af innleiðingu nýrra framleiðslutækni sem leyfa veruleg frávik frá jafnvægi hefur alveg nýr flokkur stöðugra málmblöndu, þekkt sem málmgler, verið uppgötvaður.
Verk hans við Caltech árið 1960 gjörbylti hugmyndafræði málmblöndu þegar hann myndaði Au-25 at.% Si glerkenndar málmblöndur með því að storkna vökva hratt við næstum milljón gráður á sekúndu.4 Uppgötvun prófessors Pauls Duves markaði ekki aðeins upphaf sögu málmglerja (MS) heldur leiddi einnig til byltingar í því hvernig fólk hugsar um málmblöndur. Frá fyrstu brautryðjendarannsóknum í myndun MS-málmblöndu hafa næstum öll málmgler verið fengin að fullu með einni af eftirfarandi aðferðum: (i) hraðri storknun bráðins eða gufunnar, (ii) óreglu í atómgrindinni, (iii) föstfasaafmyndunarviðbrögð milli hreinna málmþátta og (iv) fastfasabreytingar í stöðugum fasa.
Glermálmar (MGs) einkennast af því að þeir hafa enga langdræga atómröð sem tengist kristöllum, sem er einkennandi fyrir þá. Í nútímaheiminum hafa miklar framfarir orðið á sviði málmglers. Þetta eru ný efni með áhugaverða eiginleika sem eru áhugaverðir ekki aðeins fyrir fastefnafræði heldur einnig fyrir málmvinnslu, yfirborðsefnafræði, tækni, líffræði og mörg önnur svið. Þessi nýja tegund efnis hefur eiginleika sem eru ólíkir hörðum málmum, sem gerir það að áhugaverðum frambjóðanda fyrir tæknilega notkun á ýmsum sviðum. Þau hafa nokkra mikilvæga eiginleika: (i) mikla vélræna teygjanleika og sveigjanleika, (ii) mikla segulgegndræpi, (iii) litla þvingun, (iv) óvenjulega tæringarþol, (v) hitaóháðni. Leiðni 6.7.
Vélræn álfelgjun (MA)1,8 er tiltölulega ný aðferð, fyrst kynnt árið 19839 af prófessor KK Kok og samstarfsmönnum hans. Þeir framleiddu ókristallað Ni60Nb40 duft með því að mala blöndu af hreinum frumefnum við stofuhita mjög nálægt stofuhita. Venjulega er MA viðbrögðin framkvæmd á milli dreifingarbindingar hvarfefnadufts í hvarfefni, venjulega úr ryðfríu stáli, í kúlukvörn. 10 (Mynd 1a, b). Síðan þá hefur þessi vélrænt framkallaða fastfasa viðbragðsaðferð verið notuð til að búa til nýtt ókristallað/málmkennt glerblönduduft með því að nota lágorkukúlukvörn (Mynd 1c) og háorkukúlukvörn og stangakvörn11,12,13,14,15,16. Sérstaklega hefur þessi aðferð verið notuð til að búa til óblandanleg kerfi eins og Cu-Ta17 sem og málmblöndur með háu bræðslumarki eins og Al-umbreytingarmálmum (TM, Zr, Hf, Nb og Ta)18,19 og Fe-W20 kerfum, sem ekki er hægt að fá með hefðbundnum eldunaraðferðum. Að auki er MA talið eitt öflugasta nanótæknitækið fyrir iðnaðarframleiðslu á nanókristallaðri og nanósamsettri duftögnum úr málmoxíðum, karbíðum, nítríðum, hýdríðum, kolefnisnanórörum og nanódemöntum, sem og víðtækri stöðugleika með því að nota aðferðina að ofan frá. 1 og umbreytanleg stig.
Skýringarmynd sem sýnir framleiðsluaðferðina sem notuð var til að búa til Cu50(Zr50-xNix)/SUS 304 málmglerhúðun í þessari rannsókn. (a) Undirbúningur á MC málmblöndudufti með mismunandi styrk af Ni x (x; 10, 20, 30 og 40 at.%) með því að nota lágorkukúlufræsingu. (a) Upphafsefnið er sett í verkfærastrokka ásamt stálkúlum úr verkfærum og (b) innsiglað í hanskahólfi fylltum með He-lofthúð. (c) Gagnsætt líkan af kvörnunarílátinu sem sýnir hreyfingu kúlunnar við kvörnun. Lokaafurðin af duftinu sem fékkst eftir 50 klukkustundir var notuð til að úða SUS 304 undirlagið með köldu úðaáferð (d).
Þegar kemur að yfirborði lausaefnis (undirlags) felur yfirborðsverkfræði í sér hönnun og breytingu á yfirborðum (undirlags) til að veita ákveðna eðlisfræðilega, efnafræðilega og tæknilega eiginleika sem eru ekki til staðar í upprunalega lausaefninu. Sumir af þeim eiginleikum sem hægt er að bæta á áhrifaríkan hátt með yfirborðsmeðferð eru meðal annars núning-, oxunar- og tæringarþol, núningstuðull, líftregða, rafmagnseiginleikar og varmaeinangrun, svo eitthvað sé nefnt. Yfirborðsgæði er hægt að bæta með málmvinnslu-, vélrænum eða efnafræðilegum aðferðum. Sem vel þekkt ferli er húðun einfaldlega skilgreind sem eitt eða fleiri lög af efni sem eru sett gervi á yfirborð lausaefnis (undirlags) úr öðru efni. Þannig eru húðanir notaðar að hluta til til að ná fram tilætluðum tæknilegum eða skreytingareiginleikum, sem og til að vernda efni gegn væntanlegum efna- og eðlisfræðilegum víxlverkunum við umhverfið23.
Hægt er að nota fjölbreyttar aðferðir og tækni til að bera á viðeigandi verndarlög, allt frá nokkrum míkrómetrum (undir 10-20 míkrómetrum) upp í meira en 30 míkrómetra eða jafnvel nokkra millimetra að þykkt. Almennt má skipta húðunarferlum í tvo flokka: (i) blautar húðunaraðferðir, þar á meðal rafhúðun, rafhúðun og heitdýfingargalvaniseringu, og (ii) þurrar húðunaraðferðir, þar á meðal lóðun, harðsáferð, efnisleg gufuútfelling (PVD), efnafræðileg gufuútfelling (CVD), hitaúðunaraðferðir og nýlega kaldúunaraðferðir 24 (Mynd 1d).
Líffilmur eru skilgreindar sem örverusamfélög sem eru óafturkræft fest við yfirborð og umkringd sjálfframleiddum utanfrumufjölliðum (EPS). Myndun yfirborðsþroskuðrar líffilmu getur leitt til verulegs taps í mörgum atvinnugreinum, þar á meðal matvælavinnslu, vatnsveitu og heilbrigðisþjónustu. Í mönnum, með myndun líffilmu, eru meira en 80% tilfella örverusýkinga (þar á meðal Enterobacteriaceae og Staphylococci) erfið viðurkennd. Að auki hefur verið greint frá því að þroskaðar líffilmur séu 1000 sinnum ónæmari fyrir sýklalyfjameðferð samanborið við svifbakteríufrumur, sem er talið vera mikil meðferðaráskorun. Sögulega séð hafa örverueyðandi yfirborðshúðunarefni sem eru unnin úr algengum lífrænum efnasamböndum verið notuð. Þó að slík efni innihaldi oft eitruð efni sem geta verið skaðleg mönnum,25,26 getur þetta hjálpað til við að forðast bakteríusmit og niðurbrot efnisins.
Útbreidd bakteríuónæmi gegn sýklalyfjameðferð vegna myndunar líffilmu hefur leitt til þess að þörf er á að þróa áhrifaríkt yfirborð sem húðast með örverueyðandi efni og er hægt að bera á á öruggan hátt27. Þróun á yfirborði sem hefur áhrif á eðlisfræðilega eða efnafræðilega viðloðunarvörn og þar sem bakteríufrumur geta ekki bundist og myndað líffilmu vegna viðloðunar er fyrsta aðferðin í þessu ferli27. Önnur tæknin er að þróa húðun sem skilar örverueyðandi efnum nákvæmlega þar sem þeirra er þörf, í mjög einbeittu og sérsniðnu magni. Þetta er náð með þróun einstakra húðunarefna eins og grafíns/germaníum28, svarts demants29 og ZnO30-bættu demantlíku kolefnishúðun sem er ónæm fyrir bakteríum, tækni sem hámarkar þróun eituráhrifa og ónæmis vegna myndunar líffilmu. Að auki eru húðun sem inniheldur sýkladrepandi efni sem veita langtímavörn gegn bakteríumengun að verða sífellt vinsælli. Þó að allar þrjár aðferðirnar geti beitt örverueyðandi virkni á húðaðar fleti, hefur hver þeirra sínar eigin takmarkanir sem ætti að hafa í huga við þróun notkunarstefnu.
Vörurnar sem nú eru á markaðnum eru hamlaðar af skorti á tíma til að greina og prófa hlífðarhúðun fyrir líffræðilega virk innihaldsefni. Fyrirtæki halda því fram að vörur þeirra muni veita notendum þá virkni sem óskað er eftir, en þetta hefur orðið hindrun fyrir velgengni þeirra vara sem nú eru á markaðnum. Efnasambönd unnin úr silfri eru notuð í langflestum sýklalyfjum sem neytendur hafa nú aðgang að. Þessar vörur eru hannaðar til að vernda notendur gegn hugsanlega skaðlegri útsetningu fyrir örverum. Seinkað örverueyðandi áhrif og tengd eituráhrif silfursambanda auka þrýsting á vísindamenn til að þróa minna skaðlegan valkost36,37. Að skapa alþjóðlegt örverueyðandi húðunarefni sem virkar bæði að innan og utan er enn áskorun. Þetta hefur í för með sér heilsu- og öryggisáhættu. Að uppgötva örverueyðandi efni sem er minna skaðlegt mönnum og finna út hvernig á að fella það inn í húðunarundirlag með lengri geymsluþol er mjög eftirsótt markmið38. Nýjustu örverueyðandi og sýklalyfjafilmuefnin eru hönnuð til að drepa bakteríur í návígi, annað hvort með beinni snertingu eða eftir að virka efnið losnar. Þeir geta gert þetta með því að hindra upphaflega viðloðun baktería (þar á meðal að koma í veg fyrir myndun próteinlags á yfirborðinu) eða með því að drepa bakteríur með því að trufla frumuvegginn.
Í meginatriðum er yfirborðshúðun ferlið við að bera annað lag á yfirborð íhlutar til að bæta yfirborðseiginleika hans. Tilgangur yfirborðshúðunar er að breyta örbyggingu og/eða samsetningu nærliggjandi svæðis íhlutar39. Yfirborðshúðunaraðferðir má skipta í mismunandi aðferðir, sem eru teknar saman á mynd 2a. Húðun má skipta í varma-, efna-, eðlis- og rafefnafræðilega flokka eftir því hvaða aðferð er notuð til að búa til húðunina.
(a) Innskot sem sýnir helstu aðferðir við yfirborðsframleiðslu og (b) valda kosti og galla kaldúaaðferðarinnar.
Kaldúðunartækni á margt sameiginlegt með hefðbundnum hitaúðunaraðferðum. Hins vegar eru einnig nokkrir lykilatriði sem gera kaldúðunarferlið og kaldúðunarefni sérstaklega einstök. Kaldúðunartækni er enn á frumstigi en á bjarta framtíð. Í sumum tilfellum bjóða einstakir eiginleikar kaldúðunar upp á mikla kosti og yfirstíga takmarkanir hefðbundinna hitaúðunaraðferða. Hún yfirstígur verulegar takmarkanir hefðbundinnar hitaúðunartækni, þar sem duftið verður að bræða til að það verði sett á undirlag. Augljóslega hentar þessi hefðbundna húðunaraðferð ekki fyrir mjög hitanæm efni eins og nanókristalla, nanóagnir, ókristölluð og málmgljáandi efni40, 41, 42. Að auki hafa hitaúðunarefni alltaf mikið gegndræpi og oxíð. Kaldúðunartækni hefur marga verulega kosti umfram hitaúðunartækni, svo sem (i) lágmarks hitainntak á undirlagið, (ii) sveigjanleika við val á undirlagshúð, (iii) engin fasabreyting og kornvöxtur, (iv) mikill viðloðunarstyrkur1 .39 (Mynd 2b). Að auki hafa kaldúðunarefni mikla tæringarþol, mikinn styrk og hörku, mikla rafleiðni og mikla eðlisþyngd41. Þrátt fyrir kosti kaldúðunarferlisins hefur þessi aðferð samt sem áður nokkra galla, eins og sést á mynd 2b. Þegar hreint keramikduft eins og Al2O3, TiO2, ZrO2, WC o.s.frv. er húðað er ekki hægt að nota kaldúðunaraðferðina. Hins vegar er hægt að nota keramik/málm samsett duft sem hráefni fyrir húðun. Hið sama gildir um aðrar hitaúðunaraðferðir. Erfiðar fletir og innri hlutar pípa eru enn erfiðar í úðun.
Þar sem þessi vinna beinist að notkun á glerkenndum málmduftum sem upphafsefni fyrir húðun, er ljóst að hefðbundin hitaúðun er ekki möguleg í þessu skyni. Þetta er vegna þess að glerkennd málmduft kristallast við hátt hitastig.
Flest tæki sem notuð eru í læknisfræði og matvælaiðnaði eru úr austenískum ryðfríu stálblöndum (SUS316 og SUS304) með króminnihaldi upp á 12 til 20% þyngdarhlutfall til framleiðslu á skurðlækningatólum. Það er almennt viðurkennt að notkun krómmálms sem álfelguefnis í stálblöndum geti bætt tæringarþol hefðbundinna stálblöndum verulega. Ryðfrí stálblöndum, þrátt fyrir mikla tæringarþol, hefur ekki marktæka örverueyðandi eiginleika38,39. Þetta stangast á við mikla tæringarþol þeirra. Eftir það er hægt að spá fyrir um þróun sýkinga og bólgu, sem aðallega stafar af bakteríusamloðun og nýlenduvæðingu á yfirborði lífefna úr ryðfríu stáli. Verulegir erfiðleikar geta komið upp vegna verulegra erfiðleika sem tengjast bakteríusamloðun og myndunarferlum líffilmu, sem getur leitt til heilsubrests, sem getur haft margar afleiðingar sem geta beint eða óbeint haft áhrif á heilsu manna.
Þessi rannsókn er fyrsti áfangi verkefnis sem fjármagnað er af Kúveitsjóðnum til framdráttar vísinda (KFAS), samningsnúmer 2010-550401, til að kanna hagkvæmni þess að framleiða málmkennd, glerkennd Cu-Zr-Ni þríþætt duft með MA tækni (tafla). 1) Til framleiðslu á SUS304 bakteríudrepandi yfirborðsverndarfilmu/húð. Annar áfangi verkefnisins, sem hefst í janúar 2023, mun rannsaka ítarlega eiginleika galvanískrar tæringar og vélræna eiginleika kerfisins. Ítarlegar örverufræðilegar prófanir á ýmsum gerðum baktería verða gerðar.
Þessi grein fjallar um áhrif Zr-málmblöndu á myndunarhæfni gler (GFA) út frá formfræðilegum og byggingarlegum eiginleikum. Að auki var einnig fjallað um bakteríudrepandi eiginleika duftlakkaðs málmglers/SUS304 samsetts efnis. Að auki hefur verið unnið að því að rannsaka möguleikann á byggingarbreytingum á málmglerdufti við kaldúðun í ofurkældu vökvasvæði framleiddra málmglerkerfa. Cu50Zr30Ni20 og Cu50Zr20Ni30 málmglerblöndur voru notaðar sem dæmi í þessari rannsókn.
Í þessum kafla eru kynntar breytingar á formgerð dufts úr frumefnum Cu, Zr og Ni við lágorkukúlukvörn. Tvö mismunandi kerfi, sem samanstanda af Cu50Zr20Ni30 og Cu50Zr40Ni10, verða notuð sem dæmi. MA-ferlið má skipta í þrjú aðskilin stig, eins og sést á málmfræðilegri greiningu duftsins sem fæst í kvörnunarstiginu (Mynd 3).
Málmfræðilegir eiginleikar dufts úr vélrænum málmblöndum (MA) sem fengust eftir kúlukvörnun á ýmsum stigum. Myndir af MA og Cu50Zr40Ni10 dufti, sem fengust eftir lágorkukúlukvörnun í 3, 12 og 50 klukkustundir, eru sýndar í (a), (c) og (e) fyrir Cu50Zr20Ni30 kerfið, á sama MA. Samsvarandi myndir af Cu50Zr40Ni10 kerfinu, teknar eftir tíma, eru sýndar í (b), (d) og (f).
Við kúlukvörn er virk hreyfiorka sem hægt er að flytja í málmduftið háð samsetningu breytna, eins og sýnt er á mynd 1a. Þetta felur í sér árekstra milli kúlna og dufts, skerþjöppun dufts sem festist á milli eða á milli kvörnunarmiðla, högg frá fallandi kúlum, sker og slit af völdum duftmótstöðu milli hreyfanlegra hluta kúlukvörnarinnar og höggbylgju sem fer í gegnum fallandi kúlur og berst í gegnum hlaðna ræktun (mynd 1a). Элементарные порошки Cu, Zr и Ni были сильно деформированы из-за холодной сварки на ранней стадии МА (3 пч), образованию крупных частиц порошка (> 1 мм в диаметре). Frumefnisduftið úr Cu, Zr og Ni aflögaðist mikið vegna kaldsuðu á fyrstu stigum MA (3 klst.), sem leiddi til myndunar stórra duftagna (> 1 mm í þvermál).Þessar stóru samsettu agnir einkennast af myndun þykkra laga af álfelgum (Cu, Zr, Ni), eins og sést á mynd 3a, b. Aukning á MA-tíma í 12 klst. (millistig) leiddi til aukinnar hreyfiorku kúlukvörnarinnar, sem leiddi til niðurbrots samsetta duftsins í minni duft (minna en 200 μm), eins og sést á mynd 3c. Á þessu stigi leiðir beitt skerkraftur til myndunar nýs málmyfirborðs með þunnum Cu, Zr, Ni-hliðlögum, eins og sést á mynd 3c, d. Sem afleiðing af mölun laganna á snertifleti flagnanna eiga sér stað fastfasaviðbrögð með myndun nýrra fasa.
Við hápunkt MA-ferlisins (eftir 50 klst.) var flögumálmgreining varla sjáanleg (mynd 3e, f) og spegilmálmgreining sást á slípuðu yfirborði duftsins. Þetta þýðir að MA-ferlinu var lokið og eitt hvarfstig var búið til. Frumefnasamsetning svæðanna sem sýnd eru á mynd 3e (I, II, III), f, v, vi) var ákvörðuð með rafeindasmásjá með rafeindasmásjá með geislunartækni (FE-SEM) í samsetningu við orkudreifandi röntgenspektroskopíu (EDS). (IV).
Í töflu 2 er frumefnaþéttni álfelgjanna sýnd sem hlutfall af heildarmassa hvers svæðis sem valið er á mynd 3e og f. Samanburður á þessum niðurstöðum við upphaflegar nafnsamsetningar Cu50Zr20Ni30 og Cu50Zr40Ni10 sem gefnar eru upp í töflu 1 sýnir að samsetningar þessara tveggja lokaafurða eru mjög nálægt nafnsamsetningunni. Þar að auki benda hlutfallsleg gildi efnisþáttanna fyrir svæðin sem talin eru upp á mynd 3e og f ekki til verulegrar hnignunar eða breytinga á samsetningu hvers sýnis frá einu svæði til annars. Þetta sést af þeirri staðreynd að engin breyting er á samsetningu frá einu svæði til annars. Þetta bendir til framleiðslu á einsleitu álfelgdufti eins og sýnt er í töflu 2.
FE-SEM smásjármyndir af lokaafurðinni Cu50(Zr50-xNix) dufti voru fengnar eftir 50 MA sinnum, eins og sýnt er á mynd 4a-d, þar sem x er 10, 20, 30 og 40 at.%, talið í sömu röð. Eftir þetta malunarskref safnast duftið saman vegna van der Waals áhrifa, sem leiðir til myndunar stórra agna sem samanstanda af örfínum ögnum með þvermál 73 til 126 nm, eins og sýnt er á mynd 4.
Formfræðilegir eiginleikar Cu50(Zr50-xNix) dufts sem fengust eftir 50 klukkustunda notkun í mælingu. Fyrir Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40 kerfin eru FE-SEM myndir af duftinu sem fengust eftir 50 mælingar í mælingum (a), (b), (c) og (d), talið í sömu röð.
Áður en duftið var sett í kaldúðafóðrara voru það fyrst hljóðbeitt í etanóli af greiningargráðu í 15 mínútur og síðan þurrkað við 150°C í 2 klukkustundir. Þetta skref verður að taka til að berjast gegn kekkjun, sem veldur oft mörgum alvarlegum vandamálum í húðunarferlinu. Eftir að MA ferlinu var lokið voru frekari rannsóknir gerðar til að kanna einsleitni málmblönduduftsins. Á mynd 5a-d eru FE-SEM smásjármyndir og samsvarandi EDS myndir af Cu, Zr og Ni málmblönduþáttunum í Cu50Zr30Ni20 málmblöndunni teknar eftir 50 klst. tíma M, talið í sömu röð. Það skal tekið fram að málmblönduduftið sem fæst eftir þetta skref er einsleitt, þar sem það sýnir engar sveiflur í samsetningu umfram subnanómetra stig, eins og sýnt er á mynd 5.
Formgerð og staðbundin dreifing frumefna í MG Cu50Zr30Ni20 dufti sem fæst eftir 50 MA með FE-SEM/orkudreifandi röntgenlitrófsgreiningu (EDS). (a) SEM og röntgen EDS myndgreining á (b) Cu-Kα, (c) Zr-Lα og (d) Ni-Kα.
Röntgengeislunarmynstur vélrænt blandaðra Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30 og Cu50Zr20Ni30 dufts sem fengust eftir 50 klukkustunda maukun eru sýnd á myndum 6a-d, talið í sömu röð. Eftir þetta malunarstig höfðu öll sýni með mismunandi Zr-styrkleika ókristölluð byggingar með einkennandi dreifingarmynstri með geislun eins og sýnt er á mynd 6.
Röntgengeislunarmynstur Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c) og Cu50Zr20Ni30 (d) dufts eftir MA í 50 klst. Geislunarhringlaga dreifingarmynstur sást í öllum sýnum án undantekninga, sem bendir til myndunar ókristölluðs fasa.
Rafeindasmásjá með mikilli upplausn í geislunarrafeindum (FE-HRTEM) var notuð til að fylgjast með byggingarbreytingum og skilja staðbundna uppbyggingu dufts sem myndast við kúlukvörn á mismunandi MA-tímum. Myndir af dufti sem fengust með FE-HRTEM aðferðinni eftir fyrstu (6 klst.) og millistig (18 klst.) kvörnunar á Cu50Zr30Ni20 og Cu50Zr40Ni10 dufti eru sýndar á mynd 7a, talið í sömu röð. Samkvæmt björtu myndinni (BFI) af duftinu sem fékkst eftir 6 klst. MA samanstendur duftið af stórum kornum með skýrt skilgreindum mörkum fcc-Cu, hcp-Zr og fcc-Ni frumefnanna, og engin merki eru um myndun hvarffasa, eins og sýnt er á mynd 7a. Að auki sýndi fylgnisvæðisbrotsmynstur (SADP), tekið úr miðsvæðinu (a), skarpt brottsmynstur (mynd 7b) sem bendir til nærveru stórra kristalla og fjarveru hvarffasa.
Staðbundin byggingareinkenni MA duftsins sem fengust eftir fyrstu (6 klst.) og millistig (18 klst.). (a) Rafeindasmásjá með mikilli upplausn (FE-HRTEM) og (b) samsvarandi svæðisdiffraktogram (SADP) af Cu50Zr30Ni20 dufti eftir MA meðferð í 6 klst. FE-HRTEM myndin af Cu50Zr40Ni10 sem fékkst eftir 18 klst. MA meðferð er sýnd í (c).
Eins og sést á mynd 7c, leiddi aukning á lengd MA í 18 klst. til alvarlegra grindargalla ásamt plastaflögun. Á þessu millistigi MA ferlisins koma fram ýmsar gallar í duftinu, þar á meðal staflunargallar, grindargalla og punktgallar (mynd 7). Þessir gallar valda sundrun stórra korna meðfram kornamörkum í undirkorn sem eru minni en 20 nm að stærð (mynd 7c).
Staðbundin uppbygging Cu50Z30Ni20 duftsins sem malað var í 36 klst. MA einkennist af myndun örfínna nanókorna sem eru felld inn í þunnt, ókristallað efnisgrunnefni, eins og sýnt er á mynd 8a. Staðbundin greining á rafsegulsviðsstraumnum sýndi að nanóklasarnir sem sýndir eru á mynd 8a tengjast ómeðhöndluðum Cu, Zr og Ni duftmálmblöndum. Cu-innihaldið í grunnefninu var frá ~32 at.% (fátækt svæði) til ~74 at.% (ríkt svæði), sem bendir til myndunar ólíkgerðra afurða. Að auki sýna samsvarandi SADP-prótein duftsins sem fengust eftir malun í þessu skrefi frum- og aukahringi með halódreifingu sem skarast við hvössa punkta sem tengjast þessum ómeðhöndluðu málmblönduþáttum, eins og sýnt er á mynd 8b.
Staðbundnir byggingareiginleikar Beyond 36 h-Cu50Zr30Ni20 dufts á nanóskala. (a) Björt mynd (BFI) og samsvarandi (b) SADP af Cu50Zr30Ni20 dufti sem fékkst eftir malun í 36 klst. MA.
Undir lok MA ferlisins (50 klst.) hafa Cu50(Zr50-xNix), X, 10, 20, 30 og 40 at.% duft, án undantekninga, völundarhúslaga formgerð ókristallaðs fasa, eins og sést á mynd. . Hvorki punktdreifing né skarp hringlaga mynstur greindust í samsvarandi SADS fyrir hverja samsetningu. Þetta bendir til fjarveru ómeðhöndlaðs kristallaðs málms, heldur myndunar ókristallaðs málmblöndudufts. Þessir tengdu SADP-ar sem sýna dreifingarmynstur með haló voru einnig notaðir sem sönnunargögn fyrir þróun ókristallaðra fasa í lokaafurðinni.
Staðbundin uppbygging lokaafurðar Cu50 MS kerfisins (Zr50-xNix). FE-HRTEM og tengd nanobeisladreifingarmynstur (NBDP) fyrir (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 og (d) Cu50Zr10Ni40 sem fengust eftir 50 klst. af MA.
Með því að nota mismunadreifingarskönnunarhitamælingu var varmastöðugleiki glerumskiptahitastigsins (Tg), ofurkælda vökvasvæðisins (ΔTx) og kristöllunarhitastigsins (Tx) rannsakaður eftir því hvaða Ni (x) innihaldi var í Cu50(Zr50-xNix) ókristölluðu kerfinu. (DSC) eiginleikar í He gasflæðinu. DSC ferlarnir fyrir duft af Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20 og Cu50Zr10Ni40 ókristölluðum málmblöndum sem fengust eftir MA í 50 klst. eru sýndir á myndum 10a, b og e, talið í sömu röð. DSC ferillinn fyrir ókristölluð Cu50Zr20Ni30 er sýndur sérstaklega á mynd 10. öld. Á sama tíma er Cu50Zr30Ni20 sýni, sem hitað var í ~700°C í DSC, sýnt á mynd 10g.
Hitastöðugleiki Cu50(Zr50-xNix) MG dufts sem fæst eftir MA í 50 klukkustundir er ákvarðaður af glerhitastigi (Tg), kristöllunarhitastigi (Tx) og ofurkældu vökvasvæði (ΔTx). Hitamælingar á mismunadreifiskannandi hitamæli (DSC) dufti úr Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c) og (e) Cu50Zr10Ni40 MG málmblöndudufti eftir MA í 50 klukkustundir. Röntgengeislunarmynstur (XRD) af Cu50Zr30Ni20 sýni sem hefur verið hitað í ~700°C í DSC er sýnt í (d).
Eins og sést á mynd 10 benda DSC-kúrfurnar fyrir allar efnasamsetningar með mismunandi nikkelstyrk (x) til tveggja mismunandi tilvika, annars vegar hitaða og hins vegar útverma. Fyrri hitaða atburðurinn samsvarar Tg og hinn síðari Tx. Lárétta sviðsbilið sem er á milli Tg og Tx kallast undirkælt vökvasvæði (ΔTx = Tx – Tg). Niðurstöðurnar sýna að Tg og Tx í Cu50Zr40Ni10 sýninu (mynd 10a) sem var sett við 526°C og 612°C færa innihaldið (x) upp í 20% í átt að lághitasvæðinu 482°C og 563°C, með hækkandi Ni-innihaldi (x), talið í sömu röð, eins og sést á mynd 10b. Þar af leiðandi lækkar ΔTx Cu50Zr40Ni10 úr 86°С (mynd 10a) í 81°С fyrir Cu50Zr30Ni20 (mynd 10b). Fyrir MC Cu50Zr40Ni10 málmblönduna sást einnig lækkun á gildum Tg, Tx og ΔTx niður í 447°C, 526°C og 79°C (Mynd 10b). Þetta bendir til þess að aukning á Ni-innihaldi leiði til lækkunar á hitastöðugleika MS málmblöndunnar. Þvert á móti er gildi Tg (507°C) MC Cu50Zr20Ni30 málmblöndunnar lægra en gildi MC Cu50Zr40Ni10 málmblöndunnar; engu að síður sýnir Tx gildi þess sambærilegt við það (612°C). Þess vegna hefur ΔTx hærra gildi (87°C) eins og sýnt er á mynd 10. öld.
Cu50(Zr50-xNix) MC kerfið, þar sem Cu50Zr20Ni30 MC málmblandan er notuð sem dæmi, kristallar í gegnum skarpan útvermdan tind í fcc-ZrCu5, rétthyrndan-Zr7Cu10 og rétthyrndan-ZrNi kristallafasa (Mynd 10c). Þessi fasabreyting frá ókristölluðu í kristallað fasa var staðfest með röntgengeislunargreiningu á MG sýninu (Mynd 10d) sem var hitað í 700°C í DSC.
Á mynd 11 eru ljósmyndir teknar meðan á kaldúðunarferlinu stóð í núverandi verki. Í þessari rannsókn voru glerkenndar málmduftsagnir, sem búnar voru til eftir MA í 50 klukkustundir (með Cu50Zr20Ni30 sem dæmi), notaðar sem bakteríudrepandi hráefni og ryðfrí stálplata (SUS304) var köldúðuð. Kaldúunaraðferðin var valin til húðunar í varmaúðunartækninni þar sem hún er skilvirkasta aðferðin í varmaúðunartækninni þar sem hún er notuð fyrir málmkennd, hitanæm efni eins og ókristölluð og nanókristallað duft. Ekki háð fasabreytingum. Þetta er aðalþátturinn í vali á þessari aðferð. Kaldúunarferlið er framkvæmt með því að nota háhraða agnir sem breyta hreyfiorku agnanna í plastaflögun, aflögun og hita við árekstur við undirlagið eða agnir sem áður hafa verið lagðar út.
Ljósmyndir teknar á vettvangi sýna kaldúðunaraðferðina sem notuð var við fimm undirbúningar af MG/SUS 304 í röð við 550°C.
Hreyfiorka agnanna, sem og skriðþungi hverrar agnar við myndun húðarinnar, verður að breyta í aðrar orkuform með ferlum eins og plastaflögun (víxlverkun frumagna og agna í grunnefninu og víxlverkun agna), millihnútum föstra efna, snúningi milli agna, aflögun og takmörkunarhita 39. Að auki, ef ekki öll innkomandi hreyfiorka er breytt í varmaorku og aflögunarorku, verður niðurstaðan teygjanleg árekstur, sem þýðir að agnirnar skoppa einfaldlega af eftir árekstur. Það hefur komið fram að 90% af árekstursorkunni sem beitt er á agnina/undirlagsefnið breytist í staðbundinn hita 40. Að auki, þegar árekstursálag er beitt, næst mikill plastálagshraði í snertisvæði agnarinnar/undirlagsins á mjög skömmum tíma 41,42.
Plastaflögun er yfirleitt talin vera orkudreifing, eða öllu heldur varmagjafi á millifletissvæðinu. Hins vegar er hækkun hitastigs á millifletissvæðinu yfirleitt ekki nægjanleg til að bráðnun á millifletissvæðinu eða veruleg örvun á gagnkvæmri dreifingu atóma eigi sér stað. Engin rit sem höfundunum er kunnugt um hafa rannsakað áhrif eiginleika þessara málmkenndu glerkenndu dufts á viðloðun og set duftsins sem á sér stað þegar kaldúaaðferðir eru notaðar.
BFI MG Cu50Zr20Ni30 málmblönduduftsins má sjá á mynd 12a, sem var sett á SUS 304 undirlagið (mynd 11, 12b). Eins og sjá má á myndinni halda húðuðu duftin upprunalegri ókristallaðri uppbyggingu sinni þar sem þau hafa viðkvæma völundarhúsbyggingu án kristallaeinkenna eða grindargalla. Hins vegar gefur myndin til kynna tilvist framandi fasa, eins og sést af nanóögnunum sem eru í MG-húðaða duftgrunnefninu (mynd 12a). Mynd 12c sýnir vísitölubundið nanobeylsubrotsmynstur (NBDP) tengt svæði I (mynd 12a). Eins og sést á mynd 12c sýnir NBDP veikt haló-dreifingarmynstur með ókristalla uppbyggingu og er til staðar samhliða hvössum blettum sem samsvara kristallaðri stórri teningslaga stöðugri Zr2Ni fasa ásamt fjórhyrndum CuO fasa. Myndun CuO má skýra með oxun duftsins þegar það fer úr stút úðabyssunnar yfir í SUS 304 í opnu lofti í ofurhljóðstraumi. Hins vegar leiddi afglerjun á glerkenndu málmdufti til myndunar stórra teningsfasa eftir kalda úðameðferð við 550°C í 30 mínútur.
(a) FE-HRTEM mynd af MG dufti sem sett var á (b) SUS 304 undirlag (mynd innfelld). NBDP vísitalan fyrir hringlaga táknið sem sýnt er í (a) er sýnd í (c).
Til að prófa þennan mögulega verkunarmáta fyrir myndun stórra rúmmetra Zr2Ni nanóagna var framkvæmd óháð tilraun. Í þessari tilraun var dufti úðað úr úðara við 550°C í átt að SUS 304 undirlaginu; til að ákvarða glæðingaráhrifin voru duftin fjarlægð af SUS304 ræmunni eins fljótt og auðið er (um 60 sekúndur). Önnur röð tilrauna var framkvæmd þar sem duftið var fjarlægt af undirlaginu um það bil 180 sekúndum eftir að það var borið á.
Myndir 13a og 13b sýna myndir af tveimur spútruðum efnum sem settar voru á SUS 304 undirlag í 60 sekúndur og 180 sekúndur, talið í sömu röð. Myndin af duftinu sem sett var á í 60 sekúndur skortir formfræðilegar upplýsingar, sem sýnir að það er einkennalaust (mynd 13a). Þetta var einnig staðfest með XRD, sem sýndi að heildarbygging duftsins var ókristallað, eins og sést af breiðum frum- og aukabrotpunktum sem sýndir eru á mynd 14a. Þetta bendir til fjarveru ummyndunar-/mesofasaútfellinga, þar sem duftið heldur upprunalegri ókristalla uppbyggingu sinni. Aftur á móti sýndi duftið sem sett var á við sama hitastig (550°C) en var látið vera á undirlaginu í 180 sekúndur útfellingu nanóstórra agna, eins og örvarnar á mynd 13b sýna.