Terima kasih kerana melayari Nature.com. Versi pelayar yang anda gunakan mempunyai sokongan CSS yang terhad. Untuk pengalaman terbaik, kami mengesyorkan agar anda menggunakan pelayar yang dikemas kini (atau melumpuhkan Mod Keserasian dalam Internet Explorer). Sementara itu, untuk memastikan sokongan berterusan, kami akan memaparkan laman web tanpa gaya dan JavaScript.
Biofilem merupakan komponen penting dalam perkembangan jangkitan kronik, terutamanya apabila melibatkan peranti perubatan. Masalah ini memberikan cabaran besar kepada komuniti perubatan, kerana antibiotik standard hanya boleh memusnahkan biofilem pada tahap yang sangat terhad. Pencegahan pembentukan biofilm telah membawa kepada pembangunan pelbagai kaedah salutan dan bahan baharu. Teknik ini bertujuan untuk menyalut permukaan dengan cara yang menghalang pembentukan biofilm. Aloi logam vitreus, terutamanya yang mengandungi logam kuprum dan titanium, telah menjadi salutan antimikrob yang ideal. Pada masa yang sama, penggunaan teknologi semburan sejuk telah meningkat kerana ia merupakan kaedah yang sesuai untuk memproses bahan sensitif suhu. Sebahagian daripada matlamat penyelidikan ini adalah untuk membangunkan kaca logam filem antibakteria baharu yang terdiri daripada ternari Cu-Zr-Ni menggunakan teknik pengaloian mekanikal. Serbuk sfera yang membentuk produk akhir digunakan sebagai bahan mentah untuk penyemburan sejuk permukaan keluli tahan karat pada suhu rendah. Substrat bersalut kaca logam dapat mengurangkan pembentukan biofilm dengan ketara sekurang-kurangnya 1 log berbanding keluli tahan karat.
Sepanjang sejarah manusia, mana-mana masyarakat telah dapat membangun dan mempromosikan pengenalan bahan baharu untuk memenuhi keperluan khususnya, menghasilkan peningkatan produktiviti dan kedudukan dalam ekonomi global1. Ia sentiasa dikaitkan dengan keupayaan manusia untuk mereka bentuk bahan dan peralatan pembuatan, serta mereka bentuk untuk mengeluarkan dan mencirikan bahan bagi mencapai kesihatan, pendidikan, industri, ekonomi, budaya dan bidang lain dari satu negara atau rantau ke negara lain. Kemajuan diukur tanpa mengira negara atau rantau2. Selama 60 tahun, saintis bahan telah menumpukan banyak masa kepada satu tugas utama: pencarian bahan baharu dan canggih. Penyelidikan terkini telah memberi tumpuan kepada peningkatan kualiti dan prestasi bahan sedia ada, serta mensintesis dan mencipta jenis bahan yang baharu sepenuhnya.
Penambahan unsur pengaloi, pengubahsuaian mikrostruktur bahan dan aplikasi kaedah rawatan terma, mekanikal atau termomekanikal telah membawa kepada peningkatan yang ketara dalam sifat mekanikal, kimia dan fizikal pelbagai bahan. Di samping itu, sebatian yang belum diketahui setakat ini telah berjaya disintesis. Usaha berterusan ini telah melahirkan keluarga baharu bahan inovatif yang secara kolektif dikenali sebagai Bahan Termaju2. Nanokristal, nanopartikel, nanotube, titik kuantum, kaca logam amorfus dimensi sifar, dan aloi entropi tinggi hanyalah beberapa contoh bahan termaju yang telah muncul di dunia sejak pertengahan abad yang lalu. Dalam pembuatan dan pembangunan aloi baharu dengan sifat yang dipertingkatkan, baik dalam produk akhir mahupun pada peringkat pertengahan pengeluarannya, masalah ketidakseimbangan sering ditambah. Hasil daripada pengenalan teknik pembuatan baharu yang membolehkan sisihan ketara daripada keseimbangan, satu kelas aloi metastabil baharu, yang dikenali sebagai kaca logam, telah ditemui.
Kerjanya di Caltech pada tahun 1960 telah merevolusikan konsep aloi logam apabila beliau mensintesis aloi berkaca Au-25 pada.% Si dengan memejalkan cecair dengan pantas pada hampir sejuta darjah sesaat.4 Penemuan Profesor Paul Duves bukan sahaja menandakan permulaan sejarah kaca logam (MS), tetapi juga membawa kepada anjakan paradigma dalam cara orang berfikir tentang aloi logam. Sejak penyelidikan perintis pertama dalam sintesis aloi MS, hampir semua kaca logam telah diperoleh sepenuhnya menggunakan salah satu kaedah berikut: (i) pemejalan cepat leburan atau wap, (ii) gangguan kekisi atom, (iii) tindak balas amorfisasi keadaan pepejal antara unsur logam tulen dan (iv) peralihan fasa pepejal fasa metastabil.
MG dibezakan oleh ketiadaan susunan atom jarak jauh yang berkaitan dengan kristal, yang merupakan ciri khas kristal. Dalam dunia moden, kemajuan besar telah dicapai dalam bidang kaca logam. Ini adalah bahan baharu dengan sifat menarik yang menarik bukan sahaja untuk fizik keadaan pepejal, tetapi juga untuk metalurgi, kimia permukaan, teknologi, biologi dan banyak lagi bidang lain. Jenis bahan baharu ini mempunyai sifat yang berbeza daripada logam keras, menjadikannya calon yang menarik untuk aplikasi teknologi dalam pelbagai bidang. Ia mempunyai beberapa sifat penting: (i) kemuluran mekanikal dan kekuatan alah yang tinggi, (ii) kebolehtelapan magnet yang tinggi, (iii) kekoersian yang rendah, (iv) rintangan kakisan yang luar biasa, (v) kebebasan suhu. Kekonduksian 6.7.
Pengaloian mekanikal (MA)1,8 merupakan kaedah yang agak baharu, pertama kali diperkenalkan pada tahun 19839 oleh Prof. KK Kok dan rakan-rakannya. Mereka menghasilkan serbuk Ni60Nb40 amorfus dengan mengisar campuran unsur tulen pada suhu ambien yang sangat hampir dengan suhu bilik. Biasanya, tindak balas MA dijalankan antara ikatan resapan serbuk bahan tindak balas dalam reaktor, biasanya diperbuat daripada keluli tahan karat, ke dalam kilang bebola. 10 (Rajah 1a, b). Sejak itu, kaedah tindak balas keadaan pepejal teraruh secara mekanikal ini telah digunakan untuk menyediakan serbuk aloi kaca amorfus/logam baharu menggunakan kilang bebola dan kilang rod bertenaga rendah (Rajah 1c) dan tinggi 11,12,13,14,15,16. Khususnya, kaedah ini telah digunakan untuk menyediakan sistem tak campur seperti Cu-Ta17 serta aloi takat lebur tinggi seperti sistem logam peralihan Al (TM, Zr, Hf, Nb dan Ta)18,19 dan Fe-W20. , yang tidak dapat diperoleh menggunakan kaedah memasak konvensional. Di samping itu, MA dianggap sebagai salah satu alat nanoteknologi yang paling berkuasa untuk pengeluaran skala perindustrian zarah serbuk nanokristalin dan nanokomposit oksida logam, karbida, nitrida, hidrida, nanotube karbon, nanoberlian, serta penstabilan luas menggunakan pendekatan atas ke bawah. 1 dan peringkat metastabil.
Skematik menunjukkan kaedah fabrikasi yang digunakan untuk menyediakan salutan kaca logam Cu50(Zr50-xNix)/SUS 304 dalam kajian ini. (a) Penyediaan serbuk aloi MC dengan pelbagai kepekatan Nix (x; 10, 20, 30, dan 40 at.%) menggunakan kaedah pengilangan bebola tenaga rendah. (a) Bahan permulaan dimuatkan ke dalam silinder alat bersama-sama bebola keluli alat dan (b) dimeteraikan dalam kotak sarung tangan yang diisi atmosfera He. (c) Model lutsinar bekas pengisaran yang menggambarkan pergerakan bebola semasa pengisaran. Produk serbuk akhir yang diperoleh selepas 50 jam digunakan untuk menyembur sejuk salutan substrat SUS 304 (d).
Apabila melibatkan permukaan bahan pukal (substrat), kejuruteraan permukaan melibatkan reka bentuk dan pengubahsuaian permukaan (substrat) untuk memberikan sifat fizikal, kimia dan teknikal tertentu yang tidak terdapat dalam bahan pukal asal. Antara sifat yang boleh diperbaiki secara berkesan melalui rawatan permukaan termasuk rintangan lelasan, pengoksidaan dan kakisan, pekali geseran, bioinert, sifat elektrik dan penebat haba, antara lainnya. Kualiti permukaan boleh diperbaiki melalui kaedah metalurgi, mekanikal atau kimia. Sebagai proses yang diketahui umum, salutan secara ringkasnya ditakrifkan sebagai satu atau lebih lapisan bahan yang digunakan secara buatan pada permukaan objek pukal (substrat) yang diperbuat daripada bahan lain. Oleh itu, salutan digunakan sebahagiannya untuk mencapai sifat teknikal atau hiasan yang diingini, serta untuk melindungi bahan daripada interaksi kimia dan fizikal yang dijangkakan dengan persekitaran23.
Pelbagai kaedah dan teknik boleh digunakan untuk menggunakan lapisan pelindung yang sesuai daripada beberapa mikrometer (di bawah 10-20 mikrometer) hingga lebih daripada 30 mikrometer atau beberapa milimeter ketebalannya. Secara amnya, proses salutan boleh dibahagikan kepada dua kategori: (i) kaedah salutan basah, termasuk penyaduran elektrik, penyaduran elektrik dan penggalvanan celup panas, dan (ii) kaedah salutan kering, termasuk pematerian, pengerasan, pemendapan wap fizikal (PVD). ), pemendapan wap kimia (CVD), teknik semburan haba dan yang lebih baru-baru ini teknik semburan sejuk 24 (Rajah 1d).
Biofilm ditakrifkan sebagai komuniti mikrob yang melekat secara tidak boleh dipulihkan pada permukaan dan dikelilingi oleh polimer ekstraselular (EPS) yang dihasilkan sendiri. Pembentukan biofilm yang matang secara dangkal boleh menyebabkan kerugian yang ketara dalam banyak industri, termasuk pemprosesan makanan, sistem air dan penjagaan kesihatan. Pada manusia, dengan pembentukan biofilm, lebih daripada 80% kes jangkitan mikrob (termasuk Enterobacteriaceae dan Staphylococci) sukar dirawat. Di samping itu, biofilm matang telah dilaporkan 1000 kali lebih tahan terhadap rawatan antibiotik berbanding sel bakteria planktonik, yang dianggap sebagai cabaran terapeutik utama. Dari segi sejarah, bahan salutan permukaan antimikrob yang berasal dari sebatian organik biasa telah digunakan. Walaupun bahan sedemikian sering mengandungi komponen toksik yang berpotensi berbahaya kepada manusia,25,26 ini dapat membantu mengelakkan penularan bakteria dan degradasi bahan.
Rintangan bakteria yang meluas terhadap rawatan antibiotik disebabkan oleh pembentukan biofilm telah membawa kepada keperluan untuk membangunkan permukaan bersalut membran antimikrob yang berkesan yang boleh digunakan dengan selamat27. Pembangunan permukaan anti-pelekat fizikal atau kimia yang mana sel bakteria tidak boleh mengikat dan membentuk biofilm disebabkan oleh lekatan adalah pendekatan pertama dalam proses ini27. Teknologi kedua adalah untuk membangunkan salutan yang menyampaikan bahan kimia antimikrob tepat di tempat yang diperlukan, dalam kuantiti yang sangat pekat dan disesuaikan. Ini dicapai melalui pembangunan bahan salutan unik seperti graphene/germanium28, berlian hitam29 dan salutan karbon seperti berlian yang didop ZnO30 yang tahan terhadap bakteria, teknologi yang memaksimumkan perkembangan ketoksikan dan rintangan akibat pembentukan biofilm. Di samping itu, salutan yang mengandungi bahan kimia germisidal yang memberikan perlindungan jangka panjang terhadap pencemaran bakteria semakin popular. Walaupun ketiga-tiga prosedur ini mampu memberikan aktiviti antimikrob pada permukaan bersalut, setiap satu mempunyai set batasannya sendiri yang harus dipertimbangkan semasa membangunkan strategi aplikasi.
Produk-produk yang kini berada di pasaran terhalang oleh kekurangan masa untuk menganalisis dan menguji salutan pelindung untuk bahan-bahan aktif secara biologi. Syarikat-syarikat mendakwa bahawa produk mereka akan menyediakan pengguna dengan aspek fungsi yang diingini, namun, ini telah menjadi penghalang kepada kejayaan produk yang kini berada di pasaran. Sebatian yang berasal daripada perak digunakan dalam kebanyakan antimikrob yang kini tersedia untuk pengguna. Produk ini direka bentuk untuk melindungi pengguna daripada pendedahan yang berpotensi berbahaya kepada mikroorganisma. Kesan antimikrob yang tertangguh dan ketoksikan sebatian perak yang berkaitan meningkatkan tekanan ke atas penyelidik untuk membangunkan alternatif yang kurang berbahaya36,37. Mencipta salutan antimikrob global yang berfungsi secara dalaman dan luaran masih menjadi cabaran. Ini datang dengan risiko kesihatan dan keselamatan yang berkaitan. Menemui agen antimikrob yang kurang berbahaya kepada manusia dan memikirkan cara untuk memasukkannya ke dalam substrat salutan dengan jangka hayat yang lebih lama adalah matlamat yang sangat dicari38. Bahan antimikrob dan antibiofilm terkini direka bentuk untuk membunuh bakteria pada jarak dekat sama ada melalui sentuhan langsung atau selepas pembebasan agen aktif. Mereka boleh melakukan ini dengan menghalang lekatan bakteria awal (termasuk mencegah pembentukan lapisan protein pada permukaan) atau dengan membunuh bakteria dengan mengganggu dinding sel.
Pada asasnya, salutan permukaan ialah proses penggunaan lapisan lain pada permukaan komponen untuk meningkatkan ciri-ciri permukaan. Tujuan salutan permukaan adalah untuk mengubah mikrostruktur dan/atau komposisi kawasan berhampiran permukaan komponen39. Kaedah salutan permukaan boleh dibahagikan kepada kaedah yang berbeza, yang diringkaskan dalam Rajah 2a. Salutan boleh dibahagikan kepada kategori terma, kimia, fizikal dan elektrokimia bergantung pada kaedah yang digunakan untuk mencipta salutan.
(a) Sisipan yang menunjukkan teknik fabrikasi permukaan utama, dan (b) kelebihan dan kekurangan terpilih bagi kaedah semburan sejuk.
Teknologi semburan sejuk mempunyai banyak persamaan dengan teknik semburan haba tradisional. Walau bagaimanapun, terdapat juga beberapa sifat asas utama yang menjadikan proses semburan sejuk dan bahan semburan sejuk sangat unik. Teknologi semburan sejuk masih di peringkat awal, tetapi ia mempunyai masa depan yang cerah. Dalam beberapa kes, sifat unik semburan sejuk menawarkan manfaat yang besar, mengatasi batasan teknik semburan haba konvensional. Ia mengatasi batasan ketara teknologi semburan haba tradisional, di mana serbuk mesti dicairkan untuk dimendapkan pada substrat. Jelas sekali, proses salutan tradisional ini tidak sesuai untuk bahan yang sangat sensitif suhu seperti nanokristal, nanopartikel, kaca amorfus dan logam40, 41, 42. Di samping itu, bahan salutan semburan haba sentiasa mempunyai tahap keliangan dan oksida yang tinggi. Teknologi semburan sejuk mempunyai banyak kelebihan ketara berbanding teknologi semburan haba, seperti (i) input haba minimum ke substrat, (ii) fleksibiliti dalam memilih salutan substrat, (iii) tiada transformasi fasa dan pertumbuhan butiran, (iv) kekuatan pelekat yang tinggi1.39 (Rajah 2b). Di samping itu, bahan salutan semburan sejuk mempunyai rintangan kakisan yang tinggi, kekuatan dan kekerasan yang tinggi, kekonduksian elektrik yang tinggi dan ketumpatan yang tinggi41. Walaupun terdapat kelebihan proses semburan sejuk, kaedah ini masih mempunyai beberapa kelemahan, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2b. Apabila menyalut serbuk seramik tulen seperti Al2O3, TiO2, ZrO2, WC, dan sebagainya, kaedah semburan sejuk tidak boleh digunakan. Sebaliknya, serbuk komposit seramik/logam boleh digunakan sebagai bahan mentah untuk salutan. Begitu juga dengan kaedah penyemburan haba yang lain. Permukaan dan bahagian dalam paip yang sukar disembur masih sukar untuk disembur.
Memandangkan kajian ini ditujukan kepada penggunaan serbuk vitreus logam sebagai bahan permulaan untuk salutan, adalah jelas bahawa penyemburan haba konvensional tidak boleh digunakan untuk tujuan ini. Ini disebabkan oleh fakta bahawa serbuk vitreus logam menghablur pada suhu tinggi1.
Kebanyakan instrumen yang digunakan dalam industri perubatan dan makanan diperbuat daripada aloi keluli tahan karat austenit (SUS316 dan SUS304) dengan kandungan kromium 12 hingga 20 wt.% untuk pengeluaran instrumen pembedahan. Secara amnya diterima bahawa penggunaan logam kromium sebagai elemen pengaloi dalam aloi keluli boleh meningkatkan rintangan kakisan aloi keluli standard dengan ketara. Aloi keluli tahan karat, walaupun mempunyai rintangan kakisan yang tinggi, tidak mempunyai sifat antimikrob yang ketara38,39. Ini berbeza dengan rintangan kakisannya yang tinggi. Selepas itu, adalah mungkin untuk meramalkan perkembangan jangkitan dan keradangan, yang terutamanya disebabkan oleh lekatan dan penjajahan bakteria pada permukaan biobahan keluli tahan karat. Kesukaran yang ketara mungkin timbul disebabkan oleh kesukaran yang ketara yang berkaitan dengan laluan lekatan bakteria dan pembentukan biofilm, yang boleh menyebabkan kesihatan yang buruk, yang boleh membawa kepada banyak akibat yang boleh menjejaskan kesihatan manusia secara langsung atau tidak langsung.
Kajian ini merupakan fasa pertama projek yang dibiayai oleh Yayasan Kuwait untuk Kemajuan Sains (KFAS), kontrak no. 2010-550401, untuk mengkaji kemungkinan menghasilkan serbuk ternari Cu-Zr-Ni berkaca logam menggunakan teknologi MA (jadual). 1) Untuk penghasilan filem/salutan perlindungan permukaan antibakteria SUS304. Fasa kedua projek ini, yang dijadualkan bermula pada Januari 2023, akan mengkaji secara terperinci ciri-ciri kakisan galvanik dan sifat mekanikal sistem tersebut. Ujian mikrobiologi terperinci untuk pelbagai jenis bakteria akan dijalankan.
Artikel ini membincangkan kesan kandungan aloi Zr terhadap keupayaan pembentukan kaca (GFA) berdasarkan ciri-ciri morfologi dan struktur. Di samping itu, sifat antibakteria komposit kaca logam bersalut serbuk/SUS304 juga dibincangkan. Di samping itu, kerja berterusan telah dijalankan untuk mengkaji kemungkinan transformasi struktur serbuk kaca logam berlaku semasa penyemburan sejuk di kawasan cecair supersejuk sistem kaca logam yang dibuat. Aloi kaca logam Cu50Zr30Ni20 dan Cu50Zr20Ni30 telah digunakan sebagai contoh perwakilan dalam kajian ini.
Bahagian ini membentangkan perubahan morfologi dalam serbuk unsur Cu, Zr dan Ni semasa pengilangan bebola bertenaga rendah. Dua sistem berbeza yang terdiri daripada Cu50Zr20Ni30 dan Cu50Zr40Ni10 akan digunakan sebagai contoh ilustrasi. Proses MA boleh dibahagikan kepada tiga peringkat berasingan, seperti yang dibuktikan oleh pencirian metalografi serbuk yang diperoleh dalam peringkat pengisaran (Rajah 3).
Ciri-ciri metalografi serbuk aloi mekanikal (MA) yang diperoleh selepas pelbagai peringkat pengisaran bebola. Imej mikroskopi elektron imbasan pancaran medan (FE-SEM) bagi serbuk MA dan Cu50Zr40Ni10 yang diperoleh selepas pengisaran bebola tenaga rendah selama 3, 12 dan 50 jam ditunjukkan dalam (a), (c) dan (e) untuk sistem Cu50Zr20Ni30, semasa berada pada MA yang sama. Imej sepadan bagi sistem Cu50Zr40Ni10 yang diambil selepas masa ditunjukkan dalam (b), (d), dan (f).
Semasa pengilangan bebola, tenaga kinetik berkesan yang boleh dipindahkan ke serbuk logam dipengaruhi oleh gabungan parameter, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1a. Ini termasuk perlanggaran antara bebola dan serbuk, mampatan ricih serbuk yang tersekat di antara atau antara media pengisaran, hentaman daripada bebola jatuh, ricih dan haus yang disebabkan oleh seretan serbuk antara jasad bergerak kilang bebola, dan gelombang kejutan yang melalui bebola jatuh yang merambat melalui kultur yang dimuatkan (Rajah 1a). Элементарные порошки Cu, Zr dan Ni были сильно деформированы из-за холодной сварки на ранней стадии МА (3 ч), лочозок крупных частиц порошка (> 1 мм в диаметре). Serbuk unsur Cu, Zr, dan Ni telah mengalami kecacatan yang teruk akibat kimpalan sejuk pada peringkat awal MA (3 jam), yang membawa kepada pembentukan zarah serbuk besar (diameter > 1 mm).Zarah-zarah komposit yang besar ini dicirikan oleh pembentukan lapisan tebal unsur pengaloi (Cu, Zr, Ni), seperti yang ditunjukkan dalam rajah 3a,b. Peningkatan masa MA kepada 12 jam (peringkat pertengahan) menyebabkan peningkatan tenaga kinetik kilang bebola, yang menyebabkan penguraian serbuk komposit menjadi serbuk yang lebih kecil (kurang daripada 200 μm), seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3c, bandar. Pada peringkat ini, daya ricih yang dikenakan menyebabkan pembentukan permukaan logam baharu dengan lapisan petunjuk Cu, Zr, Ni yang nipis, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3c,d. Hasil daripada pengisaran lapisan pada antara muka kepingan, tindak balas fasa pepejal berlaku dengan pembentukan fasa baharu.
Pada kemuncak proses MA (selepas 50 jam), metalografi kepingan hampir tidak dapat dilihat (Rajah 3e, f), dan metalografi cermin diperhatikan pada permukaan serbuk yang digilap. Ini bermakna proses MA telah selesai dan satu fasa tindak balas telah dicipta. Komposisi unsur bagi kawasan yang ditunjukkan dalam Rajah 3e (I, II, III), f, v, vi) telah ditentukan menggunakan mikroskop elektron pengimbasan pancaran medan (FE-SEM) dalam kombinasi dengan spektroskopi sinar-X serakan tenaga (EDS). (IV).
Dalam jadual. 2 kepekatan unsur pengaloi ditunjukkan sebagai peratusan daripada jumlah jisim setiap kawasan yang dipilih dalam rajah 3e, f. Membandingkan keputusan ini dengan komposisi nominal awal Cu50Zr20Ni30 dan Cu50Zr40Ni10 yang diberikan dalam Jadual 1 menunjukkan bahawa komposisi kedua-dua produk akhir ini sangat hampir dengan komposisi nominal. Di samping itu, nilai relatif komponen untuk kawasan yang disenaraikan dalam Rajah 3e, f tidak menunjukkan kemerosotan atau variasi yang ketara dalam komposisi setiap sampel dari satu kawasan ke kawasan yang lain. Ini dibuktikan oleh fakta bahawa tiada perubahan dalam komposisi dari satu kawasan ke kawasan yang lain. Ini menunjukkan penghasilan serbuk aloi seragam seperti yang ditunjukkan dalam Jadual 2.
Mikrograf FE-SEM bagi serbuk produk akhir Cu50(Zr50-xNix) diperoleh selepas 50 kali MA, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4a-d, di mana x ialah 10, 20, 30 dan 40 at.%, masing-masing. Selepas langkah pengisaran ini, serbuk akan mengagregat disebabkan oleh kesan van der Waals, yang membawa kepada pembentukan agregat besar yang terdiri daripada zarah ultrahalus dengan diameter 73 hingga 126 nm, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4.
Ciri-ciri morfologi serbuk Cu50(Zr50-xNix) yang diperoleh selepas MA 50 jam. Bagi sistem Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40, imej FE-SEM serbuk yang diperoleh selepas 50 MA ditunjukkan dalam (a), (b), (c), dan (d), masing-masing.
Sebelum memasukkan serbuk ke dalam pengumpan semburan sejuk, ia terlebih dahulu disonikasi dalam etanol gred analitik selama 15 minit dan kemudian dikeringkan pada suhu 150° C selama 2 jam. Langkah ini mesti diambil untuk berjaya memerangi aglomerasi, yang sering menyebabkan banyak masalah serius dalam proses salutan. Selepas proses MA selesai, kajian lanjut telah dijalankan untuk menyiasat homogeniti serbuk aloi. Pada rajah 5a–d, tunjukkan mikrograf FE-SEM dan imej EDS yang sepadan bagi unsur pengaloian Cu, Zr dan Ni bagi aloi Cu50Zr30Ni20 yang diambil selepas 50 jam masa M, masing-masing. Perlu diingatkan bahawa serbuk aloi yang diperoleh selepas langkah ini adalah homogen, kerana ia tidak menunjukkan sebarang turun naik komposisi melebihi aras sub-nanometer, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 5.
Morfologi dan taburan setempat unsur dalam serbuk MG Cu50Zr30Ni20 yang diperoleh selepas 50 MA melalui Spektroskopi Sinar-X FE-SEM/Energy Dispersive (EDS). (a) Pengimejan SEM dan EDS sinar-X bagi (b) Cu-Kα, (c) Zr-Lα, dan (d) Ni-Kα.
Corak pembelauan sinar-X bagi serbuk Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, dan Cu50Zr20Ni30 yang dialoi secara mekanikal yang diperoleh selepas MA 50 jam ditunjukkan dalam Rajah 6a–d, masing-masing. Selepas peringkat pengisaran ini, semua sampel dengan kepekatan Zr yang berbeza mempunyai struktur amorfus dengan corak resapan halo ciri yang ditunjukkan dalam Rajah 6.
Corak pembelauan sinar-X bagi serbuk Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c), dan Cu50Zr20Ni30 (d) selepas MA selama 50 jam. Corak resapan halo diperhatikan dalam semua sampel tanpa terkecuali, menunjukkan pembentukan fasa amorfus.
Mikroskopi elektron penghantaran pancaran medan resolusi tinggi (FE-HRTEM) telah digunakan untuk memerhati perubahan struktur dan memahami struktur tempatan serbuk yang terhasil daripada pengilangan bebola pada masa MA yang berbeza. Imej serbuk yang diperoleh melalui kaedah FE-HRTEM selepas peringkat awal (6 jam) dan pertengahan (18 jam) pengisaran serbuk Cu50Zr30Ni20 dan Cu50Zr40Ni10 ditunjukkan dalam Rajah 7a, masing-masing. Menurut imej medan terang (BFI) serbuk yang diperoleh selepas 6 jam MA, serbuk tersebut terdiri daripada butiran besar dengan sempadan yang jelas bagi unsur fcc-Cu, hcp-Zr, dan fcc-Ni, dan tiada tanda-tanda pembentukan fasa tindak balas, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 7a. Di samping itu, corak pembelauan kawasan terpilih berkorelasi (SADP) yang diambil dari kawasan tengah (a) mendedahkan corak pembelauan tajam (Rajah 7b) yang menunjukkan kehadiran kristal besar dan ketiadaan fasa reaktif.
Ciri-ciri struktur tempatan serbuk MA yang diperoleh selepas peringkat awal (6 jam) dan pertengahan (18 jam). (a) Mikroskopi elektron penghantaran pancaran medan resolusi tinggi (FE-HRTEM) dan (b) difraktogram kawasan terpilih (SADP) serbuk Cu50Zr30Ni20 selepas rawatan MA selama 6 jam. Imej FE-HRTEM bagi Cu50Zr40Ni10 yang diperoleh selepas MA 18 jam ditunjukkan dalam (c).
Seperti yang ditunjukkan dalam rajah 7c, peningkatan tempoh MA kepada 18 jam menyebabkan kecacatan kekisi yang serius digabungkan dengan ubah bentuk plastik. Pada peringkat pertengahan proses MA ini, pelbagai kecacatan muncul dalam serbuk, termasuk kerosakan susunan, kecacatan kekisi, dan kecacatan titik (Rajah 7). Kecacatan ini menyebabkan pemecahan butiran besar di sepanjang sempadan butiran menjadi subbutiran yang lebih kecil daripada saiz 20 nm (Rajah 7c).
Struktur setempat serbuk Cu50Z30Ni20 yang digiling selama 36 jam MA dicirikan oleh pembentukan nanograin ultrahalus yang terbenam dalam matriks nipis amorfus, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 8a. Analisis setempat EMF menunjukkan bahawa gugusan nano yang ditunjukkan dalam Rajah 8a dikaitkan dengan aloi serbuk Cu, Zr dan Ni yang tidak dirawat. Kandungan Cu dalam matriks berbeza-beza dari ~32 at.% (zon miskin) hingga ~74 at.% (zon kaya), yang menunjukkan pembentukan produk heterogen. Di samping itu, SADP yang sepadan bagi serbuk yang diperoleh selepas pengisaran dalam langkah ini menunjukkan cincin fasa amorfus resapan halo primer dan sekunder yang bertindih dengan titik tajam yang dikaitkan dengan unsur pengaloi yang tidak dirawat ini, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 8b.
Ciri-ciri struktur tempatan skala nano bagi serbuk Beyond 36 h-Cu50Zr30Ni20. (a) Imej medan terang (BFI) dan (b) SADP serbuk Cu50Zr30Ni20 yang sepadan yang diperoleh selepas pengisaran selama 36 jam MA.
Menjelang akhir proses MA (50 jam), serbuk Cu50(Zr50-xNix), X, 10, 20, 30, dan 40 at.%, tanpa terkecuali, mempunyai morfologi labirin fasa amorfus, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah. Pembelauan titik mahupun corak anulus yang tajam tidak dapat dikesan dalam SADS yang sepadan bagi setiap komposisi. Ini menunjukkan ketiadaan logam kristal yang tidak dirawat, tetapi sebaliknya pembentukan serbuk aloi amorfus. SADP berkorelasi ini yang menunjukkan corak resapan halo juga digunakan sebagai bukti untuk perkembangan fasa amorfus dalam bahan produk akhir.
Struktur setempat produk akhir sistem Cu50 MS (Zr50-xNix). FE-HRTEM dan corak pembelauan nanobeam berkorelasi (NBDP) bagi (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30, dan (d) Cu50Zr10Ni40 yang diperoleh selepas 50 jam MA.
Menggunakan kalorimetri pengimbasan pembezaan, kestabilan terma suhu peralihan kaca (Tg), kawasan cecair lampau sejuk (ΔTx) dan suhu penghabluran (Tx) telah dikaji bergantung pada kandungan Ni (x) dalam sistem amorf Cu50(Zr50-xNix). Sifat-sifat (DSC) dalam aliran gas He. Lengkung DSC bagi serbuk aloi amorf Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, dan Cu50Zr10Ni40 yang diperoleh selepas MA selama 50 jam masing-masing ditunjukkan dalam Rajah 10a, b, e. Manakala lengkung DSC bagi Cu50Zr20Ni30 amorf ditunjukkan secara berasingan dalam Rajah abad ke-10. Sementara itu, sampel Cu50Zr30Ni20 yang dipanaskan hingga ~700°C dalam DSC ditunjukkan dalam Rajah 10g.
Kestabilan terma serbuk Cu50(Zr50-xNix) MG yang diperoleh selepas MA selama 50 jam ditentukan oleh suhu peralihan kaca (Tg), suhu penghabluran (Tx) dan kawasan cecair supersejuk (ΔTx). Termogram serbuk kalorimeter pengimbasan pembezaan (DSC) bagi Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c), dan (e) serbuk aloi Cu50Zr10Ni40 MG selepas MA selama 50 jam. Corak pembelauan sinar-X (XRD) bagi sampel Cu50Zr30Ni20 yang dipanaskan kepada ~700°C dalam DSC ditunjukkan dalam (d).
Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 10, lengkung DSC untuk semua komposisi dengan kepekatan nikel yang berbeza (x) menunjukkan dua kes berbeza, satu endotermik dan satu lagi eksotermik. Peristiwa endotermik pertama sepadan dengan Tg, dan yang kedua dikaitkan dengan Tx. Luas rentang mendatar yang wujud di antara Tg dan Tx dipanggil luas cecair subsejuk (ΔTx = Tx – Tg). Keputusan menunjukkan bahawa Tg dan Tx bagi sampel Cu50Zr40Ni10 (Rajah 10a) yang diletakkan pada suhu 526°C dan 612°C mengalihkan kandungan (x) sehingga 20 pada % ke arah sisi suhu rendah 482°C dan 563°C. °C dengan peningkatan kandungan Ni (x), masing-masing, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 10b. Akibatnya, ΔTx Cu50Zr40Ni10 berkurangan daripada 86°C (Rajah 10a) kepada 81°C untuk Cu50Zr30Ni20 (Rajah 10b). Bagi aloi MC Cu50Zr40Ni10, penurunan nilai Tg, Tx, dan ΔTx kepada tahap 447°C, 526°C, dan 79°C juga diperhatikan (Rajah 10b). Ini menunjukkan bahawa peningkatan kandungan Ni membawa kepada penurunan kestabilan terma aloi MS. Sebaliknya, nilai Tg (507 °C) aloi MC Cu50Zr20Ni30 adalah lebih rendah daripada aloi MC Cu50Zr40Ni10; walau bagaimanapun, Txnya menunjukkan nilai yang setanding dengannya (612 °C). Oleh itu, ΔTx mempunyai nilai yang lebih tinggi (87°C) seperti yang ditunjukkan dalam rajah abad ke-10.
Sistem MC Cu50(Zr50-xNix), menggunakan aloi MC Cu50Zr20Ni30 sebagai contoh, menghablur melalui puncak eksotermik yang tajam ke dalam fasa kristal fcc-ZrCu5, ortorombik-Zr7Cu10, dan ortorombik-ZrNi (Rajah 10c). Peralihan fasa daripada amorfus kepada kristal ini telah disahkan oleh analisis pembelauan sinar-X sampel MG (Rajah 10d) yang dipanaskan hingga 700 °C dalam DSC.
Rajah 11 menunjukkan gambar yang diambil semasa proses semburan sejuk yang dijalankan dalam kerja semasa. Dalam kajian ini, zarah serbuk kaca logam yang disintesis selepas MA selama 50 jam (menggunakan Cu50Zr20Ni30 sebagai contoh) telah digunakan sebagai bahan mentah antibakteria, dan plat keluli tahan karat (SUS304) telah disalut dengan semburan sejuk. Kaedah semburan sejuk telah dipilih untuk salutan dalam siri teknologi semburan haba kerana ia merupakan kaedah yang paling cekap dalam siri teknologi semburan haba di mana ia boleh digunakan untuk bahan sensitif haba metastabil logam seperti serbuk amorfus dan nanokristalin. Tidak tertakluk kepada peralihan fasa. Ini adalah faktor utama dalam memilih kaedah ini. Proses pemendapan sejuk dijalankan menggunakan zarah halaju tinggi yang menukar tenaga kinetik zarah kepada ubah bentuk plastik, ubah bentuk dan haba apabila terkena substrat atau zarah yang telah dimendapkan sebelum ini.
Gambar lapangan menunjukkan prosedur semburan sejuk yang digunakan untuk lima penyediaan MG/SUS 304 berturut-turut pada suhu 550°C.
Tenaga kinetik zarah, serta momentum setiap zarah semasa pembentukan salutan, mesti ditukar kepada bentuk tenaga lain melalui mekanisme seperti ubah bentuk plastik (zarah primer dan interaksi antara zarah dalam matriks dan interaksi zarah), simpulan celahan pepejal, putaran antara zarah, ubah bentuk dan pemanasan mengehadkan 39. Di samping itu, jika tidak semua tenaga kinetik yang masuk ditukar kepada tenaga haba dan tenaga ubah bentuk, hasilnya akan menjadi perlanggaran elastik, yang bermaksud zarah hanya melantun selepas hentaman. Telah diperhatikan bahawa 90% daripada tenaga hentaman yang dikenakan pada bahan zarah/substrat ditukar kepada haba setempat 40. Di samping itu, apabila tegasan hentaman dikenakan, kadar terikan plastik yang tinggi dicapai di kawasan sentuhan zarah/substrat dalam masa yang sangat singkat 41,42.
Ubah bentuk plastik biasanya dianggap sebagai proses pelesapan tenaga, atau lebih tepatnya, sebagai sumber haba di kawasan antara muka. Walau bagaimanapun, peningkatan suhu di kawasan antara muka biasanya tidak mencukupi untuk berlakunya pencairan antara muka atau rangsangan ketara terhadap resapan bersama atom. Tiada penerbitan yang diketahui oleh penulis telah mengkaji kesan sifat-sifat serbuk vitreus logam ini terhadap lekatan dan pengendapan serbuk yang berlaku apabila menggunakan teknik semburan sejuk.
BFI serbuk aloi MG Cu50Zr20Ni30 boleh dilihat dalam Rajah 12a, yang telah dimendapkan pada substrat SUS 304 (Rajah 11, 12b). Seperti yang dapat dilihat daripada rajah tersebut, serbuk bersalut mengekalkan struktur amorfus asalnya kerana ia mempunyai struktur labirin yang halus tanpa sebarang ciri kristal atau kecacatan kekisi. Sebaliknya, imej tersebut menunjukkan kehadiran fasa asing, seperti yang dibuktikan oleh nanopartikel yang termasuk dalam matriks serbuk bersalut MG (Rajah 12a). Rajah 12c menunjukkan corak pembelauan nanobeam berindeks (NBDP) yang dikaitkan dengan kawasan I (Rajah 12a). Seperti yang ditunjukkan dalam rajah 12c, NBDP mempamerkan corak resapan halo yang lemah bagi struktur amorfus dan wujud bersama dengan bintik-bintik tajam yang sepadan dengan fasa Zr2Ni metastabil kubik besar kristal ditambah fasa CuO tetragonal. Pembentukan CuO boleh dijelaskan oleh pengoksidaan serbuk apabila bergerak dari muncung pistol penyembur ke SUS 304 di udara terbuka dalam aliran supersonik. Sebaliknya, devitrifikasi serbuk logam berkaca mengakibatkan pembentukan fasa kubik yang besar selepas rawatan semburan sejuk pada suhu 550°C selama 30 minit.
(a) Imej FE-HRTEM serbuk MG yang dimendapkan pada (b) substrat SUS 304 (sisipan Rajah). Indeks NBDP bagi simbol bulat yang ditunjukkan dalam (a) ditunjukkan dalam (c).
Untuk menguji mekanisme berpotensi ini bagi pembentukan nanopartikel Zr2Ni kubik yang besar, satu eksperimen bebas telah dijalankan. Dalam eksperimen ini, serbuk disembur dari pengabut pada suhu 550°C ke arah substrat SUS 304; walau bagaimanapun, untuk menentukan kesan penyepuhlindapan, serbuk telah dikeluarkan dari jalur SUS304 secepat mungkin (kira-kira 60 saat). Satu lagi siri eksperimen telah dijalankan di mana serbuk telah dikeluarkan dari substrat kira-kira 180 saat selepas aplikasi.
Rajah 13a,b menunjukkan imej medan gelap (DFI) Mikroskopi Elektron Penghantaran Imbasan (STEM) bagi dua bahan terpercik yang dimendapkan pada substrat SUS 304 masing-masing selama 60 saat dan 180 saat. Imej serbuk yang dimendapkan selama 60 saat kekurangan butiran morfologi, menunjukkan ketiadaan ciri (Rajah 13a). Ini juga disahkan oleh XRD, yang menunjukkan bahawa struktur keseluruhan serbuk ini adalah amorfus, seperti yang ditunjukkan oleh puncak pembelauan primer dan sekunder yang luas yang ditunjukkan dalam Rajah 14a. Ini menunjukkan ketiadaan mendakan metastabil/mesofasa, di mana serbuk mengekalkan struktur amorfus asalnya. Sebaliknya, serbuk yang dimendapkan pada suhu yang sama (550°C) tetapi ditinggalkan pada substrat selama 180 saat menunjukkan pemendapan butiran bersaiz nano, seperti yang ditunjukkan oleh anak panah dalam Rajah 13b.