Merci fir Äre Besuch op Nature.com. D'Browserversioun, déi Dir benotzt, huet limitéiert CSS-Ënnerstëtzung. Fir déi bescht Erfahrung empfeelen mir Iech, en aktualiséierte Browser ze benotzen (oder de Kompatibilitéitsmodus am Internet Explorer auszeschalten). An der Zwëschenzäit, fir weider Ënnerstëtzung ze garantéieren, wäerte mir d'Websäit ouni Stiler a JavaScript duerstellen.
Biofilmer sinn eng wichteg Komponent bei der Entwécklung vu chroneschen Infektiounen, besonnesch wann et ëm medizinesch Apparater geet. Dëst Problem stellt eng grouss Erausfuerderung fir d'Medizinwelt duer, well Standardantibiotike Biofilmer nëmme bis zu engem ganz limitéierten Ausmooss zerstéiere kënnen. D'Verhënnerung vun der Biofilmbildung huet zu der Entwécklung vu verschiddene Beschichtungsmethoden a neie Materialien gefouert. Dës Technike zielen drop of, Uewerflächen op eng Manéier ze beschichten, déi d'Biofilmbildung verhënnert. Glaslegierungen, besonnesch déi, déi Koffer- a Titanmetaller enthalen, sinn zu ideal antimikrobiellen Beschichtungen ginn. Gläichzäiteg ass d'Benotzung vun der Kaltsprëtztechnologie eropgaang, well et eng gëeegent Method fir d'Veraarbechtung vun temperaturempfindleche Materialien ass. En Deel vum Zil vun dëser Fuerschung war et, eng nei antibakteriell Metallglasfilm z'entwéckelen, déi aus Cu-Zr-Ni ternär besteet, andeems se mechanesch Legierungstechniken benotzt hunn. De sphäresche Pulver, deen dat Endprodukt ausmécht, gëtt als Rohmaterial fir d'Kaltsprëtzen vun Edelstahloberflächen bei niddregen Temperaturen benotzt. Metallglasbeschichtete Substrate konnten d'Biofilmbildung ëm op d'mannst 1 Log am Verglach mat Edelstahl däitlech reduzéieren.
Am Laf vun der mënschlecher Geschicht konnt all Gesellschaft d'Aféierung vun neie Materialien entwéckelen a fërderen, fir hir spezifesch Ufuerderungen ze erfëllen, wat zu enger erhéichter Produktivitéit a Ranglëscht an enger globaliséierter Wirtschaft gefouert huet1. Et gouf ëmmer der mënschlecher Fäegkeet zougeschriwwen, Materialien an Produktiounsausrüstung ze designen, souwéi Designen fir Materialien ze fabrizéieren an ze charakteriséieren, fir Gesondheet, Bildung, Industrie, Wirtschaft, Kultur an aner Beräicher vun engem Land oder enger Regioun an dat anert z'erreechen. Fortschrëtter ginn onofhängeg vum Land oder der Regioun gemooss2. Zënter 60 Joer hunn d'Materialwëssenschaftler vill Zäit enger Haaptaufgab gewidmet: d'Sich no neien an fortgeschrattene Materialien. Déi rezent Fuerschung huet sech op d'Verbesserung vun der Qualitéit a Leeschtung vun existente Materialien konzentréiert, souwéi op d'Synthese an d'Erfindung vu komplett neien Zorte vu Materialien.
D'Zousätzlech vun Legierungselementer, d'Modifikatioun vun der Mikrostruktur vum Material an d'Uwendung vun thermeschen, mechaneschen oder thermomechaneschen Behandlungsmethoden hunn zu enger bedeitender Verbesserung vun de mechaneschen, chemeschen a physikalesche Eegeschafte vu verschiddene Materialien gefouert. Zousätzlech goufen bis elo onbekannt Verbindungen erfollegräich synthetiséiert. Dës persistent Efforte hunn zu enger neier Famill vun innovativen Materialien gefouert, déi kollektiv als Advanced Materials2 bekannt sinn. Nanokristaller, Nanopartikelen, Nanoröhrchen, Quantepunkten, nulldimensional, amorph metallesch Glaser a Legierungen mat héijer Entropie sinn nëmmen e puer Beispiller vu fortgeschrattene Materialien, déi zënter Mëtt vum leschte Joerhonnert op der Welt opgetruede sinn. Bei der Fabrikatioun an der Entwécklung vun neie Legierungen mat verbesserte Eegeschaften, souwuel am Endprodukt wéi och an den Zwëschenstadien vun senger Produktioun, kënnt dacks de Problem vum Ongläichgewiicht derbäi. Als Resultat vun der Aféierung vun neien Fabrikatiounstechniken, déi bedeitend Ofwäichunge vum Gläichgewiicht erlaben, gouf eng ganz nei Klass vu metastabilen Legierungen, bekannt als metallesch Glaser, entdeckt.
Seng Aarbecht um Caltech am Joer 1960 huet de Konzept vu Metalllegierungen revolutionéiert, wéi hien Au-25 at.% Si glasartig Legierungen synthetiséiert huet, andeems hien Flëssegkeeten séier mat bal enger Millioun Grad pro Sekonn fest gemaach huet.4 D'Entdeckung vum Professer Paul Duves huet net nëmmen den Ufank vun der Geschicht vu Metallglas (MS) markéiert, mä och zu engem Paradigmewiessel an der Denkweis vu Metalllegierungen gefouert. Zënter der éischter Pionéierfuerschung an der Synthese vun MS-Legierungen, goufen bal all metallesch Glas komplett mat enger vun de folgende Methoden gewonnen: (i) séier Festung vun der Schmelz oder dem Damp, (ii) atomar Gitterstéierung, (iii) Festkierper-Amorphiséierungsreaktiounen tëscht pure metalleschen Elementer an (iv) Festphaseniwwergäng vu metastabilen Phasen.
MGs ënnerscheede sech duerch d'Feele vun enger laangfristeger atomarer Uerdnung, déi mat Kristaller assoziéiert ass, wat eng definéierend Charakteristik vu Kristaller ass. An der moderner Welt gouf grouss Fortschrëtter am Beräich vum metallesche Glas gemaach. Dëst sinn nei Materialien mat interessanten Eegeschaften, déi net nëmme fir d'Festkierperphysik interessant sinn, mä och fir d'Metallurgie, d'Uewerflächenchemie, d'Technologie, d'Biologie a vill aner Beräicher. Dës nei Materialart huet Eegeschaften, déi sech vun haarde Metaller ënnerscheeden, wat et zu engem interessante Kandidat fir technologesch Uwendungen an enger Villfalt vu Beräicher mécht. Si hunn e puer wichteg Eegeschaften: (i) héich mechanesch Duktilitéit a Streckgrenz, (ii) héich magnetesch Permeabilitéit, (iii) niddreg Koerzitivitéit, (iv) ongewéinlech Korrosiounsbeständegkeet, (v) Temperaturonofhängegkeet. Konduktivitéit 6.7.
Mechanesch Legierung (MA)1,8 ass eng relativ nei Method, déi fir d'éischt am Joer 19839 vum Prof. KK Kok a senge Kollegen agefouert gouf. Si hunn amorph Ni60Nb40-Pulver produzéiert andeems se eng Mëschung aus puren Elementer bei Raumtemperatur ganz no bei Raumtemperatur gemuel hunn. Typesch gëtt d'MA-Reaktioun tëscht Diffusiounsbindung vu Reaktantpulver an engem Reaktor, normalerweis aus Edelstol, an eng Kugelmill duerchgefouert.10 (Fig. 1a, b). Zënterhier gouf dës mechanesch induzéiert Festkierperreaktiounsmethod benotzt fir nei amorph/metallesch Glaslegierungspulver mat Hëllef vu Kugelmillen mat niddreger (Fig. 1c) an héijer Energie a Stäbmillen11,12,13,14,15,16 ze preparéieren. Besonnesch gouf dës Method benotzt fir net mëschbar Systemer wéi Cu-Ta17 souwéi Legierungen mat héijem Schmelzpunkt wéi Al-Iwwergangsmetall (TM, Zr, Hf, Nb an Ta)18,19 a Fe-W20-Systemer ze preparéieren, déi net mat konventionelle Kachmethoden kritt kënne ginn. Zousätzlech gëllt MA als ee vun de mächtegsten nanotechnologeschen Instrumenter fir d'Produktioun an industrieller Skala vun nanokristalline a Nanokomposit-Pulverpartikelen aus Metalloxiden, Carbiden, Nitriden, Hydriden, Kuelestoffnanoröhrchen, Nanodiamanten, souwéi fir eng breet Stabiliséierung mat engem Top-Down-Usaz. 1 a metastabill Stadien.
Schema vun der Fabrikatiounsmethod, déi benotzt gouf fir d'Cu50(Zr50-xNix)/SUS 304 metallesch Glasbeschichtung an dëser Studie ze preparéieren. (a) Virbereedung vun MC-Legierungspulver mat verschiddene Konzentratioune vun Ni x (x; 10, 20, 30, an 40 at.%) mat Hëllef vun der Low-Energy-Kugelfräsmethod. (a) D'Ausgangsmaterial gëtt zesumme mat Werkzeugstahlkugelen an en Toolzylinder gelueden an (b) an enger mat He-Atmosphär gefëllter Handschuhkëscht versiegelt. (c) Transparent Modell vum Schleifbehälter, dat d'Bewegung vun der Kugel beim Schleifen illustréiert. Dat fäerdegt Pulverprodukt, dat no 50 Stonnen kritt gouf, gouf benotzt fir de SUS 304-Substrat mat Kaltsprühbeschichtung ze beschichten (d).
Wann et ëm Uewerfläche vu Groussmaterialien (Substrater) geet, ëmfaasst d'Uewerflächentechnik den Design an d'Modifikatioun vun Uewerflächen (Substrater), fir bestëmmte physikalesch, chemesch an technesch Eegeschaften ze bidden, déi net am urspréngleche Groussmaterial präsent sinn. E puer vun den Eegeschaften, déi effektiv duerch Uewerflächenbehandlung verbessert kënne ginn, sinn ënner anerem Abrasiouns-, Oxidatiouns- a Korrosiounsbeständegkeet, Reibungskoeffizient, Bioinertitéit, elektresch Eegeschaften an thermesch Isolatioun. D'Uewerflächenqualitéit kann duerch metallurgesch, mechanesch oder chemesch Methoden verbessert ginn. Als bekannte Prozess ass Beschichtung einfach definéiert als eng oder méi Schichten aus Material, déi künstlech op d'Uewerfläch vun engem Groussmaterial (Substrat) opgedroe ginn, deen aus engem anere Material hiergestallt ass. Dofir gi Beschichtungen deelweis benotzt, fir gewënschte technesch oder dekorativ Eegeschaften z'erreechen, souwéi fir Materialien virun erwaarten chemeschen a physikaleschen Interaktioune mat der Ëmwelt ze schützen.
Eng Vielfalt vu Methoden an Technike kënne benotzt ginn, fir gëeegent Schutzschichten vun e puer Mikrometer (ënner 10-20 Mikrometer) bis zu méi wéi 30 Mikrometer oder souguer e puer Millimeter Déckt opzedroen. Am Allgemengen kënnen Beschichtungsprozesser an zwou Kategorien agedeelt ginn: (i) Naassbeschichtungsmethoden, dorënner Galvaniséierung, Elektroplatéierung a waarmt Verzinken, an (ii) Dréchebeschichtungsmethoden, dorënner Läten, Hardfacing, physikalesch Dampfoflagerung (PVD), chemesch Dampfoflagerung (CVD), thermesch Sprëtztechniken a méi rezent Kaltsprëtztechniken 24 (Figur 1d).
Biofilmer ginn als mikrobiell Gemeinschaften definéiert, déi irreversibel un Uewerflächen ugebonne sinn a vun selwer produzéierten extrazelluläre Polymeren (EPS) ëmginn sinn. D'Bildung vun engem uewerflächlech reife Biofilm kann zu bedeitende Verloschter a ville Branchen féieren, dorënner d'Liewensmëttelveraarbechtung, d'Waassersystemer an d'Gesondheetswiesen. Beim Mënsch sinn duerch d'Bildung vu Biofilmer méi wéi 80% vun de Fäll vu mikrobiellen Infektiounen (dorënner Enterobacteriaceae a Staphylokokken) schwéier ze behandelen. Zousätzlech gouf bericht, datt reif Biofilmer 1000 Mol méi resistent géint Antibiotikabehandlung sinn am Verglach mat planktonesche Bakterienzellen, wat als eng grouss therapeutesch Erausfuerderung ugesi gëtt. Historesch goufen antimikrobiell Uewerflächenbeschichtungsmaterialien benotzt, déi aus übleche organesche Verbindungen ofgeleet sinn. Och wann esou Materialien dacks gëfteg Komponenten enthalen, déi fir de Mënsch potenziell schiedlech sinn,25,26 kann dëst hëllefen, bakteriell Iwwerdroung an Materialdegradatioun ze vermeiden.
Déi wäit verbreet bakteriell Resistenz géint Antibiotikabehandlung wéinst der Biofilmbildung huet zu der Noutwennegkeet gefouert, eng effektiv antimikrobiell Membranbeschichtungsfläch z'entwéckelen, déi sécher applizéiert ka ginn27. D'Entwécklung vun enger physescher oder chemescher antihaftender Uewerfläch, un där Bakterienzellen sech net kënne bannen a Biofilmer bilden wéinst Adhäsioun, ass den éischten Usaz an dësem Prozess27. Déi zweet Technologie ass d'Entwécklung vu Beschichtungen, déi antimikrobiell Chemikalien genau do liwweren, wou se gebraucht ginn, a staark konzentréierten an ugepassten Quantitéiten. Dëst gëtt duerch d'Entwécklung vun eenzegaartege Beschichtungsmaterialien wéi Graphen/Germanium28, schwaarzen Diamant29 a mat ZnO30 dotierten diamantähnleche Kuelestoffbeschichtungen erreecht, déi resistent géint Bakterien sinn, eng Technologie, déi d'Entwécklung vun Toxizitéit a Resistenz wéinst der Biofilmbildung maximéiert. Zousätzlech gi Beschichtungen, déi keimtödlech Chemikalien enthalen, déi laangfristege Schutz géint bakteriell Kontaminatioun bidden, ëmmer méi populär. Wärend all dräi Prozedure fäeg sinn, antimikrobiell Aktivitéit op beschichtete Flächen auszeüben, huet all hir eege Limitatiounen, déi bei der Entwécklung vun enger Applikatiounsstrategie berécksiichtegt solle ginn.
D'Produkter, déi de Moment um Maart sinn, gi behënnert duerch de Manktem u Zäit fir Schutzbeschichtunge fir biologesch aktiv Zutaten ze analyséieren an ze testen. D'Firmen behaapten, datt hir Produkter de Benotzer déi gewënschte funktionell Aspekter ubidden, awer dëst ass en Hindernis fir den Erfolleg vun de Produkter, déi de Moment um Maart sinn. Verbindungen, déi aus Sëlwer ofgeleet sinn, ginn an der grousser Majoritéit vun den Antimikrobiellen benotzt, déi de Konsumenten de Moment verfügbar sinn. Dës Produkter sinn entwéckelt fir d'Benotzer virun potenziell schiedlecher Belaaschtung duerch Mikroorganismen ze schützen. Den verzögerte antimikrobiellen Effekt an déi domat verbonne Toxizitéit vu Sëlwerverbindungen erhéijen den Drock op d'Fuerscher fir eng manner schiedlech Alternativ z'entwéckelen36,37. Eng global antimikrobiell Beschichtung ze kreéieren, déi vun bannen a baussen funktionéiert, bleift eng Erausfuerderung. Dëst bréngt domat verbonne Gesondheets- a Sécherheetsrisiken. En antimikrobiellt Mëttel z'entdecken, dat manner schiedlech fir de Mënsch ass, a wéi een et a Beschichtungssubstrater mat enger méi laanger Haltbarkeet integréiere kann, ass e vill gesicht Zil38. Déi neist antimikrobiell a antibiofilm Materialien sinn entwéckelt fir Bakterien op kuerzer Distanz ëmzebréngen, entweder duerch direkten Kontakt oder no der Fräisetzung vum aktiven Agent. Si kënnen dat maachen, andeems se déi initial bakteriell Adhäsioun hemmen (inklusiv d'Bildung vun enger Proteinschicht op der Uewerfläch verhënnert) oder andeems se Bakterien ëmbréngen, andeems se d'Zellmauer stéieren.
Am Fong ass eng Uewerflächenbeschichtung de Prozess fir eng weider Schicht op d'Uewerfläch vun engem Baudeel opzedroen, fir d'Uewerflächeneegeschafte ze verbesseren. Den Zweck vun enger Uewerflächenbeschichtung ass et, d'Mikrostruktur an/oder d'Zesummesetzung vum Uewerflächennoberäich vun engem Baudeel ze änneren39. Uewerflächenbeschichtungsmethoden kënnen a verschidde Methoden opgedeelt ginn, déi an der Fig. 2a zesummegefaasst sinn. Beschichtunge kënnen an thermesch, chemesch, physikalesch an elektrochemesch Kategorien opgedeelt ginn, ofhängeg vun der Method, déi benotzt gëtt fir d'Beschichtung ze kreéieren.
(a) Eng Insert déi déi wichtegst Uewerflächenherstellungstechniken weist, an (b) ausgewielte Vir- an Nodeeler vun der Kaltsprëtzmethod.
D'Kaltsprëtztechnologie huet vill gemeinsam mat traditionellen Thermosprëtztechniken. Wéi och ëmmer, et ginn och e puer wichteg fundamental Eegeschaften, déi de Kaltsprëtzprozess a Kaltsprëtzmaterialien besonnesch eenzegaarteg maachen. D'Kaltsprëtztechnologie ass nach an de Kannerschong, awer si huet eng grouss Zukunft. A verschiddene Fäll bidden déi eenzegaarteg Eegeschafte vum Kaltsprëtzen grouss Virdeeler, andeems se d'Limiten vun konventionelle Thermosprëtztechniken iwwerwannen. Si iwwerwënnt déi bedeitend Limitatiounen vun der traditioneller Thermosprëtztechnologie, bei där de Pulver geschmolz muss ginn, fir op engem Substrat ofgesat ze ginn. Natierlech ass dësen traditionellen Beschichtungsprozess net gëeegent fir ganz temperaturempfindlech Materialien wéi Nanokristaller, Nanopartikelen, amorph a metallesch Glaser40, 41, 42. Zousätzlech hunn Thermosprëtzbeschichtungsmaterialien ëmmer eng héich Porositéit an Oxiden. D'Kaltsprëtztechnologie huet vill bedeitend Virdeeler géintiwwer der Thermosprëtztechnologie, wéi (i) minimale Wärmezufuhr an de Substrat, (ii) Flexibilitéit bei der Wiel vun der Substratbeschichtung, (iii) keng Phasentransformatioun a keng Kärenwuesstum, (iv) héich Haftstäerkt1,39 (Fig. 2b). Zousätzlech hunn Kaltsprëtzbeschichtungsmaterialien eng héich Korrosiounsbeständegkeet, héich Festigkeit an Häert, eng héich elektresch Leetfäegkeet an eng héich Dicht41. Trotz de Virdeeler vum Kaltsprëtzprozess huet dës Method ëmmer nach e puer Nodeeler, wéi an der Figur 2b gewisen. Beim Beschichtung vu rengen Keramikpulver wéi Al2O3, TiO2, ZrO2, WC, etc. kann d'Kaltsprëtzmethod net benotzt ginn. Op der anerer Säit kënnen Keramik/Metall-Kompositpulver als Rohmaterial fir Beschichtungen benotzt ginn. Datselwecht gëllt fir aner thermesch Sprëtzmethoden. Schwiereg Uewerflächen an Innere vu Päifen sinn ëmmer nach schwéier ze sprëtzen.
Well sech déi aktuell Aarbecht op d'Benotzung vu metallesche Glaspulver als Ausgangsmaterial fir Beschichtunge konzentréiert, ass et kloer, datt konventionellt Wärmesprëtzen net dofir ka benotzt ginn. Dëst läit dorun, datt metallesch Glaspulver bei héijen Temperaturen kristalliséieren1.
Déi meescht Instrumenter, déi an der Medizin- a Liewensmëttelindustrie benotzt ginn, gi mat austeniteschem Edelstahllegierung (SUS316 an SUS304) mat engem Chromgehalt vun 12 bis 20 Gew.-% fir d'Produktioun vu chirurgeschen Instrumenter hiergestallt. Et ass allgemeng ugeholl, datt d'Benotzung vu Chrommetall als Legierungselement a Stollegierungen d'Korrosiounsbeständegkeet vu Standard-Stollegierungen däitlech verbessere kann. Edelstahllegierungen hunn, trotz hirer héijer Korrosiounsbeständegkeet, keng bedeitend antimikrobiell Eegeschaften38,39. Dëst steet am Géigesaz zu hirer héijer Korrosiounsbeständegkeet. Duerno ass et méiglech, d'Entwécklung vun Infektiounen an Entzündungen virauszesoen, déi haaptsächlech op bakteriell Adhäsioun a Koloniséierung op der Uewerfläch vun Edelstahl-Biomaterialien zréckzeféieren sinn. Bedeitend Schwieregkeete kënnen entstoen wéinst de bedeitende Schwieregkeeten, déi mat bakterieller Adhäsioun a Biofilmbildungsweeër verbonne sinn, wat zu enger schlechter Gesondheet féiere kann, wat vill Konsequenze kann hunn, déi direkt oder indirekt d'mënschlech Gesondheet beaflosse kënnen.
Dës Studie ass déi éischt Phas vun engem Projet, dee vun der Kuwait Foundation for the Advancement of Science (KFAS), Kontrakt Nr. 2010-550401, finanzéiert gëtt, fir d'Machbarkeet vun der Produktioun vun metalleschen, glasartigen Cu-Zr-Ni ternäre Pulver mat Hëllef vun der MA-Technologie z'ënnersichen (Tabell). 1) Fir d'Produktioun vun enger antibakterieller Uewerflächenschutzfolie/Beschichtung aus SUS304. Déi zweet Phas vum Projet, déi am Januar 2023 ufänke soll, wäert d'Charakteristike vun der galvanescher Korrosioun an déi mechanesch Eegeschafte vum System am Detail ënnersichen. Detailéiert mikrobiologesch Tester fir verschidden Aarte vu Bakterien ginn duerchgefouert.
Dësen Artikel beschäftegt sech mat den Effekter vum Zr-Legierungsgehalt op d'Glasbildungsfäegkeet (GFA) baséiert op morphologeschen a strukturellen Charakteristiken. Zousätzlech goufen och déi antibakteriell Eegeschafte vum pulverbeschichtete Metallglas/SUS304-Komposit diskutéiert. Zousätzlech gouf lafend Aarbecht duerchgefouert fir d'Méiglechkeet vun enger struktureller Transformatioun vu metallesche Glaspulver beim Kaltsprëtzen am ënnerkillte Flëssegkeetsberäich vu fabrizéierte metallesche Glassystemer z'ënnersichen. Cu50Zr30Ni20- a Cu50Zr20Ni30-Metallglaslegierungen goufen als representativ Beispiller an dëser Studie benotzt.
Dës Sektioun presentéiert déi morphologesch Verännerungen a Pulver aus elementarem Cu, Zr an Ni beim Nidderenergie-Kugelfräsen. Zwee verschidde Systemer, déi aus Cu50Zr20Ni30 a Cu50Zr40Ni10 bestinn, ginn als illustrativ Beispiller benotzt. Den MA-Prozess kann an dräi separat Etappen opgedeelt ginn, wéi d'metallographesch Charakteriséierung vum Pulver, deen an der Schleifphase kritt gëtt, beweist (Fig. 3).
Metallographesch Charakteristike vu Pulver aus mechanesche Legierungen (MA), déi no verschiddene Stadien vum Kugelschleifen kritt goufen. Feldemissiounsrasterelektronemikroskopie (FE-SEM) Biller vun MA a Cu50Zr40Ni10 Pulver, déi no engem Nidderenergie-Kugelfräsen fir 3, 12 an 50 Stonnen kritt goufen, sinn an (a), (c) an (e) fir de Cu50Zr20Ni30 System gewisen, wärend um selwechten MA. Déi entspriechend Biller vum Cu50Zr40Ni10 System, déi no enger Zäit opgeholl goufen, sinn an (b), (d) an (f) gewisen.
Beim Kugelmühlen gëtt déi effektiv kinetesch Energie, déi op de Metallpulver iwwerdroe ka ginn, vun enger Kombinatioun vu Parameteren beaflosst, wéi an der Fig. 1a gewisen. Dëst ëmfaasst Kollisiounen tëscht Kugelen a Pulver, Scherkompressioun vu Pulver, dat tëscht oder tëscht Schleifmedien hänke bliwwen ass, Impakter vu falende Kugelen, Scherung a Verschleiung, déi duerch de Pulverwidderstand tëscht de bewegende Kierper vun enger Kugelmühl verursaacht ginn, an eng Schockwell, déi duerch falend Kugelen geet an sech duerch eng gelueden Kultur ausbreet (Fig. 1a). Элементарные порошки Cu, Zr a Ni были сильно деформированы из-за холодной сварки на ранней стадии МА (3 п), образованию крупных частиц порошка (> 1 mm в диаметре). Déi elementar Cu-, Zr- a Ni-Pulver goufen duerch Kaltschweißen an engem fréie Stadium vun der MA (3 Stonnen) staark deforméiert, wat zu der Bildung vu grousse Pulverpartikelen (> 1 mm am Duerchmiesser) gefouert huet.Dës grouss Kompositpartikelen zeichnen sech duerch d'Bildung vun décke Schichten vun Legierungselementer (Cu, Zr, Ni) aus, wéi an der Fig. 3a,b gewisen. Eng Erhéijung vun der MA-Zäit op 12 Stonnen (Zwëschenstadium) huet zu enger Erhéijung vun der kineetescher Energie vun der Kugelmill gefouert, wat zu der Zersetzung vum Kompositpulver a méi kleng Pulver (manner wéi 200 μm) gefouert huet, wéi an der Fig. 3c gewisen. An dëser Phas féiert déi ugewandte Scherkraaft zu der Bildung vun enger neier Metalluewerfläch mat dënne Cu-, Zr-, Ni-Highlight-Schichten, wéi an der Fig. 3c,d gewisen. Als Resultat vum Schleifen vun de Schichten op der Grenzfläch vun de Flacken trieden Festphasreaktiounen op mat der Bildung vun neie Phasen.
Um Héichpunkt vum MA-Prozess (no 50 Stonnen) war d'Flackemetallographie kaum bemierkbar (Fig. 3e, f), an d'Spigelmetallographie gouf op der poléierter Uewerfläch vum Pulver observéiert. Dëst bedeit, datt den MA-Prozess ofgeschloss war an eng eenzeg Reaktiounsphase geschaf gouf. D'elementar Zesummesetzung vun de Regiounen, déi an de Fig. 3e (I, II, III), f, v, vi) uginn sinn, gouf mat Hëllef vun der Feldemissiounsrasterelektronemikroskopie (FE-SEM) a Kombinatioun mat energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS) bestëmmt. (IV).
An der Tabell 2 sinn d'elementar Konzentratioune vun de Legierungselementer als Prozentsaz vun der Gesamtmass vun all Regioun, déi an der Fig. 3e, f ausgewielt gouf, ugewisen. De Verglach vun dëse Resultater mat den initialen nominellen Zesummesetzunge vu Cu50Zr20Ni30 a Cu50Zr40Ni10, déi an der Tabell 1 uginn sinn, weist, datt d'Zesummesetzunge vun dësen zwou Endprodukter ganz no un den nominellen Zesummesetzunge leien. Zousätzlech weisen déi relativ Wäerter vun de Komponenten fir d'Regiounen, déi an der Fig. 3e,f opgezielt sinn, keng bedeitend Verschlechterung oder Variatioun an der Zesummesetzung vun all Prouf vun enger Regioun an déi aner. Dëst gëtt duerch d'Tatsaach bewisen, datt et keng Ännerung vun der Zesummesetzung vun enger Regioun an déi aner gëtt. Dëst weist op d'Produktioun vun eenheetleche Legierungspulver hin, wéi an der Tabell 2 gewisen.
FE-SEM-Mikroskopie vum Cu50(Zr50-xNix)-Endproduktpulver goufen no 50 MA-Zäiten kritt, wéi an der Fig. 4a-d gewisen, wou x 10, 20, 30 respektiv 40 at.% ass. No dësem Schleifschratt aggregéiert sech de Pulver wéinst dem van der Waals-Effekt, wat zu der Bildung vu groussen Aggregaten féiert, déi aus ultrafeinen Partikelen mat engem Duerchmiesser vu 73 bis 126 nm bestinn, wéi an der Figur 4 gewisen.
Morphologesch Charakteristike vu Cu50(Zr50-xNix)-Pulveren, déi no 50 Stonne MA kritt goufen. Fir d'Cu50Zr40Ni10-, Cu50Zr30Ni20-, Cu50Zr20Ni30-, Cu50Zr10Ni40-Systemer sinn d'FE-SEM-Biller vu Pulveren, déi no 50 MA kritt goufen, an (a), (b), (c) respektiv (d) gewisen.
Ier d'Pulver an de Kale-Sprëtz-Fudder gelueden goufen, goufe se fir d'éischt 15 Minutten an Ethanol vun analytescher Qualitéit sonikéiert an duerno 2 Stonnen bei 150°C gedréchent. Dëse Schrëtt muss gemaach ginn, fir d'Agglomeratioun erfollegräich ze bekämpfen, déi dacks vill eescht Problemer am Beschichtungsprozess verursaacht. Nom Ofschloss vum MA-Prozess goufen weider Studien duerchgefouert, fir d'Homogenitéit vun de Legierungspulver z'ënnersichen. An der Fig. 5a-d sinn FE-SEM-Mikrofotoen an entspriechend EDS-Biller vun de Cu-, Zr- an Ni-Legierungselementer vun der Cu50Zr30Ni20-Legierung ze gesinn, déi no 50 Stonnen Zäit M opgeholl goufen. Et sollt een drop hiweisen, datt d'Legierungspulver, déi no dësem Schrëtt kritt ginn, homogen sinn, well se keng Zesummesetzungsschwankungen iwwer dem Subnanometerniveau eraus weisen, wéi an der Figur 5 gewisen.
Morphologie a lokal Verdeelung vun Elementer am MG Cu50Zr30Ni20-Pulver, dat no 50 MA duerch FE-SEM/Energiedispersiouns-Röntgenspektroskopie (EDS) kritt gouf. (a) SEM- an Röntgen-EDS-Bildgebung vun (b) Cu-Kα, (c) Zr-Lα an (d) Ni-Kα.
D'Röntgendiffraktiounsmuster vu mechanesch legéierte Cu50Zr40Ni10-, Cu50Zr30Ni20-, Cu50Zr20Ni30- a Cu50Zr20Ni30-Pulver, déi no 50 Stonnen MA kritt goufen, sinn an de Fig. 6a-d gewisen. No dëser Schleifphas haten all Proben mat verschiddene Zr-Konzentratiounen amorph Strukturen mat charakteristeschen Halodiffusiounsmuster, déi an der Fig. 6 gewisen sinn.
Röntgendiffraktiounsmuster vu Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c) a Cu50Zr20Ni30 (d) Pulver no MA fir 50 Stonnen. En Halodiffusiounsmuster gouf an alle Proben ouni Ausnam observéiert, wat op d'Bildung vun enger amorpher Phas hiweist.
Héichopléisend Feldemissiouns-Transmissiounselektronemikroskopie (FE-HRTEM) gouf benotzt fir strukturell Ännerungen ze observéieren an déi lokal Struktur vu Pulver ze verstoen, déi duerch Kugelfräsen zu verschiddene MA-Zäiten entstane sinn. Biller vu Pulver, déi mat der FE-HRTEM Method no den fréien (6 Stonnen) an den intermediären (18 Stonnen) Stadien vum Malen vu Cu50Zr30Ni20- a Cu50Zr40Ni10-Pulver kritt goufen, sinn an de Fig. 7a gewisen. Laut dem Hellfeldbild (BFI) vum Pulver, dat no 6 Stonnen MA kritt gouf, besteet de Pulver aus grousse Kären mat kloer definéierte Grenzen vun den fcc-Cu-, hcp-Zr- an fcc-Ni-Elementer, an et gëtt keng Zeeche vun der Bildung vun enger Reaktiounsphas, wéi an der Fig. 7a gewisen. Zousätzlech huet e korreléiert ausgewielte Flächendiffraktiounsmuster (SADP), dat aus der mëttlerer Regioun (a) geholl gouf, e schaarft Diffraktiounsmuster gewisen (Fig. 7b), wat op d'Präsenz vu grousse Kristalliten an d'Feele vun enger reaktiver Phas hiweist.
Lokal strukturell Charakteristike vum MA-Pulver, dat no de fréien (6 Stonnen) an den intermediären (18 Stonnen) Stadien kritt gouf. (a) Héichopléisend Feldemissiouns-Transmissiounselektronemikroskopie (FE-HRTEM) an (b) entspriechend ausgewielte Flächendiffraktogramm (SADP) vum Cu50Zr30Ni20-Pulver no MA-Behandlung fir 6 Stonnen. D'FE-HRTEM-Bild vum Cu50Zr40Ni10, dat no 18 Stonnen MA kritt gouf, gëtt an (c) gewisen.
Wéi an der Fig. 7c gewisen, huet eng Erhéijung vun der Dauer vum MA op 18 Stonnen zu eeschte Gitterdefekter a Kombinatioun mat plastescher Deformatioun gefouert. An dëser Zwëschenstadium vum MA-Prozess trieden verschidden Defekter am Pulver op, dorënner Stapelfehler, Gitterdefekter a Punktdefekter (Fig. 7). Dës Defekter verursaachen d'Fragmentéierung vu grousse Kären laanscht d'Käregrenzen a Subkären, déi méi kleng wéi 20 nm sinn (Fig. 7c).
Déi lokal Struktur vum Cu50Z30Ni20-Pulver, dat 36 Stonnen MA gemuel gouf, ass charakteriséiert duerch d'Bildung vun ultrafeinen Nanokären, déi an enger amorpher dënner Matrix agebett sinn, wéi an der Fig. 8a gewisen. Eng lokal Analyse vun der EMF huet gewisen, datt d'Nanocluster, déi an de Fig. 8a gewisen sinn, mat onbehandelte Cu-, Zr- a Ni-Pulverlegierungen assoziéiert sinn. Den Cu-Gehalt an der Matrix variéiert vun ~32 at.% (aarm Zon) bis ~74 at.% (räich Zon), wat op d'Bildung vun heterogenen Produkter hiweist. Zousätzlech weisen déi entspriechend SADPs vun de Pulver, déi nom Mielen an dësem Schrëtt kritt goufen, primär an sekundär Halodiffusiounsamorph Phasenréng, déi sech mat schaarfe Punkten iwwerlappen, déi mat dësen onbehandelte Legierungselementer assoziéiert sinn, wéi an der Fig. 8b gewisen.
Lokal strukturell Charakteristike vum Beyond 36 h-Cu50Zr30Ni20-Pulver op Nanoskala. (a) Hellfeldbild (BFI) an entspriechend (b) SADP vum Cu50Zr30Ni20-Pulver, dat nom Mielprozess fir 36 Stonnen MA kritt gouf.
Géint Enn vum MA-Prozess (50 Stonnen) hunn d'Cu50(Zr50-xNix), X, 10, 20, 30, an 40 at.% Pulver, ouni Ausnam, eng labyrinthesch Morphologie vun der amorpher Phas, wéi an der Fig. gewisen. Weder Punktdiffraktioun nach schaarf ringfërmeg Muster konnten an den entspriechende SADS vun all Zesummesetzung nogewise ginn. Dëst weist op d'Feele vun onbehandeltem kristallinem Metall hin, mä éischter op d'Bildung vun engem amorphe Legierungspulver. Dës korreléiert SADPs, déi Halodiffusiounsmuster weisen, goufen och als Beweis fir d'Entwécklung vun amorphe Phasen am fäerdege Produktmaterial benotzt.
Lokal Struktur vum Endprodukt vum Cu50 MS System (Zr50-xNix). FE-HRTEM a korreléiert Nanobeam-Diffraktiounsmuster (NBDP) vun (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30, an (d) Cu50Zr10Ni40, déi no 50 Stonnen MA kritt goufen.
Mat Hëllef vun der Differenzial-Scanning-Kalorimetrie gouf d'thermesch Stabilitéit vun der Glasübergangstemperatur (Tg), der ënnerkillter Flëssegkeetsregioun (ΔTx) an der Kristallisatiounstemperatur (Tx) ofhängeg vum Ni (x)-Gehalt am amorphe System Cu50(Zr50-xNix) ënnersicht. (DSC) Eegeschafte am He-Gasstroum. D'DSC-Kurve vu Pulver aus amorphen Legierungen Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20 a Cu50Zr10Ni40, déi no enger MA fir 50 Stonnen kritt goufen, sinn an de Fig. 10a, b, e jeeweileg gewisen. Wärend d'DSC-Kurve vum amorphe Cu50Zr20Ni30 separat an der Fig. 10. Joerhonnert gewisen ass. Mëttlerweil gëtt eng Cu50Zr30Ni20 Prouf, déi op ~700°C an DSC erhëtzt gouf, an der Fig. 10g gewisen.
D'thermesch Stabilitéit vu Cu50(Zr50-xNix) MG-Pulver, déi no enger MA-Dauer vun 50 Stonnen kritt ginn, gëtt duerch d'Glasiwwergangstemperatur (Tg), d'Kristallisatiounstemperatur (Tx) an d'ënnerkillt Flëssegkeetsregioun (ΔTx) bestëmmt. Thermogrammer vun Differentialscanningkalorimeter (DSC)-Pulver aus Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c) an (e) Cu50Zr10Ni40 MG-Legierungspulver no enger MA-Dauer vun 50 Stonnen. En Röntgendiffraktiounsmuster (XRD) vun enger Cu50Zr30Ni20-Prouf, déi op ~700°C an DSC erhëtzt gouf, gëtt an (d) gewisen.
Wéi an der Figur 10 gewisen, weisen d'DSC-Kurven fir all Zesummesetzunge mat verschiddene Nickelkonzentratiounen (x) zwou verschidde Fäll, een endotherm an deen aneren exotherm. Den éischten endothermen Event entsprécht Tg, an deen zweeten ass mat Tx assoziéiert. Déi horizontal Spannfläch, déi tëscht Tg an Tx existéiert, gëtt als ënnergekillte Flëssegkeetsfläch bezeechent (ΔTx = Tx – Tg). D'Resultater weisen, datt den Tg an den Tx vun der Cu50Zr40Ni10 Prouf (Fig. 10a), déi bei 526°C an 612°C placéiert gouf, den Inhalt (x) ëm 20% a Richtung vun der Déiftemperaturseite vun 482°C an 563°C verréckelen, mat zouhuelendem Ni-Gehalt (x), wéi an der Figur 10b gewisen. Dofir fällt ΔTx Cu50Zr40Ni10 vun 86°С (Fig. 10a) op 81°С fir Cu50Zr30Ni20 (Fig. 10b). Fir d'MC Cu50Zr40Ni10-Legierung gouf och eng Ofsenkung vun de Wäerter vun Tg, Tx an ΔTx op d'Niveaue vu 447°C, 526°C an 79°C observéiert (Fig. 10b). Dëst weist drop hin, datt eng Erhéijung vum Ni-Gehalt zu enger Ofsenkung vun der thermescher Stabilitéit vun der MS-Legierung féiert. Am Géigendeel ass de Wäert vun Tg (507 °C) vun der MC Cu50Zr20Ni30-Legierung méi niddreg wéi dee vun der MC Cu50Zr40Ni10-Legierung; trotzdem weist säin Tx e vergläichbare Wäert mat deem (612 °C). Dofir huet ΔTx e méi héije Wäert (87°C), wéi an der Fig. 10. Joerhonnert gewisen.
De Cu50(Zr50-xNix) MC-System, mat der Cu50Zr20Ni30 MC-Legierung als Beispill, kristalliséiert duerch e schaarfen exotherme Peak an kristallin Phasen aus fcc-ZrCu5, orthorhombesch-Zr7Cu10 an orthorhombesch-ZrNi (Fig. 10c). Dësen Iwwergang vun amorph zu kristallin gouf duerch Röntgendiffraktiounsanalyse vun der MG-Prouf bestätegt (Fig. 10d), déi op 700 °C an DSC erhëtzt gouf.
Fig. 11 weist Fotoen, déi wärend dem Kaltsprëtzprozess an der aktueller Aarbecht gemaach goufen. An dëser Studie goufen metallesch glasarteg Pulverpartikelen, déi no MA fir 50 Stonnen synthetiséiert goufen (mat Cu50Zr20Ni30 als Beispill), als antibakteriellt Rohmaterial benotzt, an eng Edelstahlplack (SUS304) gouf kalsprëtzbeschichtet. D'Kaltsprëtzmethod gouf fir d'Beschichtung an der Thermosprëtztechnologie-Serie gewielt, well et déi effizientst Method an der Thermosprëtztechnologie-Serie ass, wou se fir metallesch metastabill, hëtzeempfindlech Materialien, wéi amorph a nanokristallin Pulver, benotzt ka ginn. Net ënnerworf Phaseniwwergäng. Dëst ass den Haaptfaktor bei der Wiel vun dëser Method. De Kaltoflagerungsprozess gëtt mat Héichgeschwindegkeetspartikelen duerchgefouert, déi d'kinetesch Energie vun de Partikelen a plastesch Deformatioun, Deformatioun an Hëtzt beim Impakt mam Substrat oder virdru ofgesate Partikelen ëmwandelen.
Feldfotoe weisen d'Kaltsprëtzprozedur, déi fir fënnef hannereneen Virbereedunge vun MG/SUS 304 bei 550°C benotzt gouf.
Déi kinetesch Energie vun de Partikelen, souwéi den Impuls vun all Partikel während der Bildung vun der Beschichtung, mussen duerch Mechanismen wéi plastesch Deformatioun (Primärpartikelen an Interaktiounen tëscht Partikelen an der Matrix an Interaktioune vu Partikelen), interstitiell Kniet vu Feststoffer, Rotatioun tëscht Partikelen, Deformatioun a limitéierend Heizung 39 an aner Energieformen ëmgewandelt ginn. Zousätzlech, wann net déi ganz akommende kinetesch Energie an thermesch Energie an Deformatiounsenergie ëmgewandelt gëtt, wäert d'Resultat eng elastesch Kollisioun sinn, dat heescht, datt d'Partikelen no dem Impakt einfach ofprallen. Et gouf festgestallt, datt 90% vun der Impaktenergie, déi op d'Partikel/Substratmaterial ugewannt gëtt, a lokal Hëtzt ëmgewandelt gëtt 40. Zousätzlech, wann Impaktspannung ugewannt gëtt, ginn héich plastesch Dehnungsraten an der Partikel/Substrat-Kontaktregioun an enger ganz kuerzer Zäit erreecht 41,42.
Plastesch Deformatioun gëtt normalerweis als e Prozess vun Energieverloscht oder éischter als Hëtztquell am Grenzflächenberäich ugesinn. Wéi och ëmmer, ass den Temperaturanstieg am Grenzflächenberäich normalerweis net genuch fir d'Optriede vun enger Grenzflächenschmëlzung oder eng bedeitend Stimulatioun vun der géigesäiteger Diffusioun vun Atomer. Keng Publikatioun, déi den Auteuren kennt, huet den Effekt vun den Eegeschafte vun dëse metallesche Glaspulver op d'Pulverhaftung an d'Setze vun der Pulver bei der Uwendung vu Kaltsprëtztechniken ënnersicht.
D'BFI vum MG Cu50Zr20Ni30 Legierungspulver kann an der Fig. 12a gesi ginn, deen op dem SUS 304 Substrat ofgesat gouf (Fig. 11, 12b). Wéi aus der Figur ze gesinn ass, behalen déi beschichtete Pulver hir ursprénglech amorph Struktur, well se eng delikat Labyrinthstruktur ouni kristallin Eegeschafte oder Gitterdefekter hunn. Op der anerer Säit weist d'Bild d'Präsenz vun enger Friemphas, wéi duerch d'Nanopartikelen an der MG-beschichteter Pulvermatrix bewisen ass (Fig. 12a). Figur 12c weist dat indexéiert Nanobeam-Diffraktiounsmuster (NBDP), dat mat der Regioun I assoziéiert ass (Figur 12a). Wéi an der Fig. 12c gewisen, weist den NBDP e schwaacht Halodiffusiounsmuster vun amorpher Struktur op a koexistéiert mat schaarfe Flecken, déi enger kristalliner grousser kubescher metastabiller Zr2Ni-Phas plus enger tetragonaler CuO-Phas entspriechen. D'Bildung vu CuO kann duerch d'Oxidatioun vum Pulver erkläert ginn, wann et vun der Düs vun der Sprëtzpistoul an d'SUS 304 an der fräier Loft an engem iwwerschallende Stroum beweegt gëtt. Op der anerer Säit huet d'Entvitrifikatioun vu metalleschem Glaspulver no enger Kaltsprëtzbehandlung bei 550°C fir 30 Minutten zur Bildung vu grousse kubesche Phasen gefouert.
(a) FE-HRTEM-Bild vun MG-Pulver, dat op (b) SUS 304-Substrat ofgesat gouf (Figureinsatz). Den NBDP-Index vum ronne Symbol, deen an (a) gewisen ass, gëtt an (c) gewisen.
Fir dëse potenziellen Mechanismus fir d'Bildung vu groussen kubeschen Zr2Ni-Nanopartikelen ze testen, gouf en onofhängegt Experiment duerchgefouert. An dësem Experiment goufen d'Pulveren aus engem Zerstäuber bei 550°C a Richtung vum SUS 304-Substrat gesprëtzt; fir den Glüheffekt ze bestëmmen, goufen d'Pulveren awer sou séier wéi méiglech (ongeféier 60 s) vum SUS304-Sträifen ewechgeholl. Eng aner Serie vun Experimenter gouf duerchgefouert, bei deenen de Pulver ongeféier 180 Sekonnen no der Applikatioun vum Substrat ewechgeholl gouf.
D'Figuren 13a, b weisen Rastertransmissiounselektronenmikroskopie (STEM) Däischterfeld (DFI) Biller vun zwou gesputterte Materialien, déi fir 60 Sekonnen respektiv 180 Sekonnen op SUS 304 Substrater ofgesat goufen. D'Pulverbild, dat fir 60 Sekonnen ofgesat gouf, feelt u morphologeschen Detailer a weist eng fehlend Struktur (Fig. 13a). Dëst gouf och duerch XRD bestätegt, wat gewisen huet, datt d'Gesamtstruktur vun dëse Pulver amorph war, wéi duerch déi breet primär an sekundär Diffraktiounspëtzen an der Figur 14a ugedeit gëtt. Dëst weist d'Feele vu metastabilen/Mesophase-Nidderschléi, an deenen de Pulver seng ursprénglech amorph Struktur behält. Am Géigesaz dozou huet de Pulver, deen bei der selwechter Temperatur (550 °C) ofgesat gouf, awer fir 180 Sekonnen um Substrat bliwwen ass, d'Oflagerung vun nanogrousse Kären gewisen, wéi duerch d'Pfeiler an der Fig. 13b gewisen.