Hatur nuhun parantos nganjang ka Nature.com. Versi browser anu anjeun anggo gaduh dukungan CSS anu terbatas. Pikeun pangalaman anu pangsaéna, kami nyarankeun anjeun nganggo browser anu diénggalan (atanapi mareuman Modeu Kompatibilitas dina Internet Explorer). Samentawis waktos, pikeun mastikeun dukungan anu terus-terusan, kami bakal ngarender situs tanpa gaya sareng JavaScript.
Biofilm mangrupikeun komponén penting dina kamekaran inféksi kronis, khususna dina alat-alat médis. Masalah ieu nampilkeun tantangan anu ageung pikeun komunitas médis, sabab antibiotik standar ngan ukur tiasa ngancurkeun biofilm dina tingkat anu terbatas pisan. Pencegahan formasi biofilm parantos nyababkeun pamekaran rupa-rupa metode palapis sareng bahan énggal. Téhnik ieu bertujuan pikeun ngalapis permukaan ku cara anu nyegah formasi biofilm. Aloi logam vitreous, khususna anu ngandung logam tambaga sareng titanium, parantos janten palapis antimikroba anu idéal. Dina waktos anu sami, panggunaan téknologi semprot tiis parantos ningkat sabab mangrupikeun metode anu cocog pikeun ngolah bahan anu sénsitip kana suhu. Sabagian tina tujuan panilitian ieu nyaéta pikeun ngembangkeun gelas logam pilem antibakteri énggal anu diwangun ku terner Cu-Zr-Ni nganggo téknik paduan mékanis. Bubuk buleud anu ngawangun produk ahir dianggo salaku bahan baku pikeun nyemprot tiis permukaan stainless steel dina suhu anu handap. Substrat anu dilapis kaca logam tiasa ngirangan sacara signifikan formasi biofilm sahenteuna 1 log dibandingkeun sareng stainless steel.
Sapanjang sajarah manusa, masarakat mana waé parantos tiasa ngembangkeun sareng ngamajukeun bubuka bahan-bahan énggal pikeun minuhan sarat khususna, anu ngahasilkeun paningkatan produktivitas sareng peringkat dina ékonomi global1. Éta salawasna dikaitkeun sareng kamampuan manusa pikeun ngarancang bahan sareng alat manufaktur, ogé ngarancang pikeun ngadamel sareng ngacirikeun bahan pikeun ngahontal kaséhatan, pendidikan, industri, ékonomi, budaya sareng widang sanésna ti hiji nagara atanapi daérah ka nagara anu sanés. Kamajuan diukur henteu paduli nagara atanapi daérah2. Salila 60 taun, élmuwan bahan parantos ngahaturanan seueur waktos pikeun hiji tugas utama: milarian bahan énggal sareng canggih. Panalungtikan anyar parantos fokus kana ningkatkeun kualitas sareng kinerja bahan anu tos aya, ogé nyintésis sareng nyiptakeun jinis bahan anu lengkep énggal.
Panambahan unsur paduan, modifikasi mikrostruktur bahan sareng aplikasi metode perlakuan termal, mékanis atanapi termomékanis parantos nyababkeun paningkatan anu signifikan dina sipat mékanis, kimia sareng fisik tina rupa-rupa bahan. Salian ti éta, sanyawa anu dugi ka ayeuna teu dipikanyaho parantos hasil disintésis. Usaha anu terus-terusan ieu parantos nimbulkeun kulawarga anyar bahan inovatif anu sacara koléktif katelah Advanced Materials2. Nanokristal, nanopartikel, nanotube, titik kuantum, gelas logam amorf diménsi nol, sareng paduan entropi tinggi ngan ukur sababaraha conto bahan canggih anu parantos muncul di dunya ti saprak pertengahan abad ka tukang. Dina manufaktur sareng pamekaran paduan anyar kalayan sipat anu ningkat, boh dina produk ahir sareng dina tahap panengah produksina, masalah ketidakseimbangan sering ditambahkeun. Salaku hasil tina bubuka téknik manufaktur anyar anu ngamungkinkeun panyimpangan anu signifikan tina kasaimbangan, kelas anyar paduan metastabil, anu katelah gelas logam, parantos kapanggih.
Karyana di Caltech dina taun 1960 ngarévolusi konsép logam campuran nalika anjeunna nyintésis Au-25 at.% Si logam campuran gelas ku cara ngabekukeun cairan gancang dina ampir sajuta derajat per detik. 4 Kapanggihna Profesor Paul Duves henteu ngan ukur nandakeun awal sajarah gelas logam (MS), tapi ogé ngarah kana parobahan paradigma dina cara jalma mikirkeun logam campuran. Kusabab panalungtikan pionir anu munggaran dina sintésis logam campuran MS, ampir sadaya gelas logam parantos diala sacara lengkep nganggo salah sahiji metode ieu: (i) bekukeun gancang tina lebur atanapi uap, (ii) gangguan kisi atom, (iii) réaksi amorfisasi kaayaan padet antara unsur logam murni sareng (iv) transisi fase padet tina fase métastable.
MG dibédakeun ku henteuna tatanan atom jarak jauh anu aya hubunganana sareng kristal, anu mangrupikeun ciri anu ngabédakeun kristal. Di dunya modéren, kamajuan anu ageung parantos dilakukeun dina widang kaca logam. Ieu mangrupikeun bahan énggal kalayan sipat anu pikaresepeun anu henteu ngan ukur dipikaresep pikeun fisika kaayaan padet, tapi ogé pikeun metalurgi, kimia permukaan, téknologi, biologi, sareng seueur widang sanésna. Jinis bahan énggal ieu ngagaduhan sipat anu béda ti logam teuas, jantenkeun calon anu pikaresepeun pikeun aplikasi téknologi dina rupa-rupa widang. Éta ngagaduhan sababaraha sipat penting: (i) daktilitas mékanis anu luhur sareng kakuatan luluh, (ii) permeabilitas magnét anu luhur, (iii) koersivitas anu handap, (iv) résistansi korosi anu teu biasa, (v) kamerdékaan suhu. Konduktivitas 6.7.
Paduan mékanis (MA)1,8 nyaéta métode anu kawilang anyar, mimiti diwanohkeun dina taun 19839 ku Prof. KK Kok sareng kolegana. Aranjeunna ngahasilkeun bubuk Ni60Nb40 amorf ku cara ngagiling campuran unsur murni dina suhu lingkungan anu caket pisan sareng suhu kamar. Biasana, réaksi MA dilaksanakeun antara beungkeutan difusi bubuk réaktan dina réaktor, biasana didamel tina stainless steel, kana ball mill. 10 (Gambar 1a, b). Saprak harita, métode réaksi kaayaan padet anu diinduksi sacara mékanis ieu parantos dianggo pikeun nyiapkeun bubuk paduan kaca amorf/logam énggal nganggo ball mill sareng rod mill énergi rendah (Gambar 1c) sareng énergi tinggi11,12,13,14,15,16. Sacara khusus, métode ieu parantos dianggo pikeun nyiapkeun sistem anu teu tiasa campur sapertos Cu-Ta17 ogé paduan titik lebur anu luhur sapertos logam transisi Al (TM, Zr, Hf, Nb sareng Ta)18,19 sareng sistem Fe-W20. , anu teu tiasa diala nganggo metode masak konvensional. Salian ti éta, MA dianggap salah sahiji alat nanotéhnologi anu paling kuat pikeun produksi skala industri partikel bubuk nanokristalin sareng nanokomposit tina oksida logam, karbida, nitrida, hidrida, tabung nano karbon, nanointen, ogé stabilisasi anu lega nganggo pendekatan top-down. 1 sareng tahapan métastable.
Skéma anu nunjukkeun metode fabrikasi anu dianggo pikeun nyiapkeun lapisan kaca logam Cu50(Zr50-xNix)/SUS 304 dina panilitian ieu. (a) Nyiapkeun bubuk paduan MC kalayan rupa-rupa konsentrasi Nix (x; 10, 20, 30, sareng 40 at.%) nganggo metode panggilingan bal énergi rendah. (a) Bahan awal dimuat kana silinder alat sareng bal baja alat sareng (b) disegel dina kotak sarung tangan anu dieusi atmosfir He. (c) Modél transparan tina wadah panggilingan anu ngagambarkeun gerakan bal nalika panggilingan. Produk bubuk ahir anu diala saatos 50 jam dianggo pikeun menyemprot tiis lapisan substrat SUS 304 (d).
Nalika ngeunaan permukaan bahan curah (substrat), rékayasa permukaan ngalibatkeun desain sareng modifikasi permukaan (substrat) pikeun nyayogikeun sipat fisik, kimia, sareng téknis anu teu aya dina bahan curah aslina. Sababaraha sipat anu tiasa ditingkatkeun sacara efektif ngalangkungan perlakuan permukaan kalebet abrasi, résistansi oksidasi sareng korosi, koefisien gesekan, bioinertness, sipat listrik sareng insulasi termal, ngan ukur sababaraha conto. Kualitas permukaan tiasa ditingkatkeun ku metode metalurgi, mékanis atanapi kimia. Salaku prosés anu terkenal, palapis sacara sederhana dihartikeun salaku hiji atanapi langkung lapisan bahan anu diterapkeun sacara artifisial kana permukaan objék curah (substrat) anu didamel tina bahan sanés. Ku kituna, palapis dianggo sabagian pikeun ngahontal sipat téknis atanapi dekoratif anu dipikahoyong, ogé pikeun ngajaga bahan tina interaksi kimia sareng fisik anu dipiharep sareng lingkungan23.
Rupa-rupa metode sareng téknik tiasa dianggo pikeun nerapkeun lapisan pelindung anu cocog ti sababaraha mikrométer (di handap 10-20 mikrométer) dugi ka langkung ti 30 mikrométer atanapi bahkan sababaraha milimeter kandelna. Sacara umum, prosés palapis tiasa dibagi kana dua kategori: (i) metode palapis baseuh, kalebet electroplating, electroplating, sareng hot dip galvanizing, sareng (ii) metode palapis garing, kalebet soldering, hardfacing, deposisi uap fisik (PVD). ), deposisi uap kimia (CVD), téknik semprot termal, sareng anu langkung énggal téknik semprot tiis 24 (Gambar 1d).
Biofilm dihartikeun salaku komunitas mikroba anu napel sacara teu tiasa dibalikkeun deui kana permukaan sareng dikurilingan ku polimér ékstrasélulér (EPS) anu dihasilkeun sorangan. Pembentukan biofilm anu dewasa sacara superfisial tiasa nyababkeun karugian anu signifikan dina seueur industri, kalebet pangolahan dahareun, sistem cai, sareng kasehatan. Dina manusa, kalayan pembentukan biofilm, langkung ti 80% kasus inféksi mikroba (kalebet Enterobacteriaceae sareng Staphylococci) hésé diubaran. Salaku tambahan, biofilm dewasa parantos dilaporkeun 1000 kali langkung tahan kana pangobatan antibiotik dibandingkeun sareng sél baktéri planktonik, anu dianggap tantangan terapi utama. Sacara historis, bahan palapis permukaan antimikroba anu diturunkeun tina sanyawa organik umum parantos dianggo. Sanaos bahan sapertos kitu sering ngandung komponén toksik anu berpotensi ngabahayakeun pikeun manusa,25,26 ieu tiasa ngabantosan nyingkahan panularan baktéri sareng degradasi bahan.
Résistansi baktéri anu nyebar kana pangobatan antibiotik kusabab formasi biofilm parantos nyababkeun kabutuhan pikeun ngembangkeun permukaan anu dilapis mémbran antimikroba anu efektif anu tiasa diterapkeun kalayan aman27. Pangembangan permukaan anti-perekat fisik atanapi kimia anu sél baktéri henteu tiasa ngabeungkeut sareng ngabentuk biofilm kusabab adhesi mangrupikeun pendekatan anu munggaran dina prosés ieu27. Téknologi anu kadua nyaéta ngembangkeun palapis anu nganteurkeun bahan kimia antimikroba persis dimana diperyogikeun, dina jumlah anu pekat sareng disaluyukeun. Ieu kahontal ngalangkungan pamekaran bahan palapis unik sapertos graphene / germanium28, inten hideung29 sareng palapis karbon sapertos inten anu didoping ZnO30 anu tahan ka baktéri, téknologi anu ngamaksimalkeun kamekaran toksisitas sareng résistansi kusabab formasi biofilm. Salaku tambahan, palapis anu ngandung bahan kimia germisida anu nyayogikeun panyalindungan jangka panjang ngalawan kontaminasi baktéri janten beuki populér. Sanaos sadaya tilu prosedur sanggup ngalaksanakeun aktivitas antimikroba dina permukaan anu dilapis, masing-masing gaduh watesan nyalira anu kedah dipertimbangkeun nalika ngembangkeun strategi aplikasi.
Produk-produk anu ayeuna aya di pasar kaganggu ku kurangna waktos pikeun nganalisis sareng nguji palapis pelindung pikeun bahan-bahan biologis aktif. Perusahaan ngaklaim yén produkna bakal nyayogikeun pangguna aspék fungsional anu dipikahoyong, kumaha ogé, ieu parantos janten halangan pikeun kasuksésan produk anu ayeuna aya di pasar. Sanyawa anu diturunkeun tina pérak dianggo dina kalolobaan antimikroba anu ayeuna sayogi pikeun konsumen. Produk ieu dirancang pikeun ngajagi pangguna tina paparan anu berpotensi ngabahayakeun kana mikroorganisme. Pangaruh antimikroba anu telat sareng toksisitas anu aya hubunganana sareng sanyawa pérak ningkatkeun tekanan ka para panaliti pikeun ngembangkeun alternatif anu kirang ngabahayakeun36,37. Nyiptakeun palapis antimikroba global anu tiasa dianggo di jero sareng di luar tetep janten tantangan. Ieu hadir sareng résiko kaséhatan sareng kasalametan anu aya hubunganana. Manggihan agén antimikroba anu kirang ngabahayakeun pikeun manusa sareng milarian kumaha cara ngasupkeun kana substrat palapis kalayan umur simpan anu langkung lami mangrupikeun tujuan anu dipilari pisan38. Bahan antimikroba sareng antibiofilm pangénggalna dirancang pikeun maéhan baktéri dina jarak anu caket boh ku kontak langsung atanapi saatos dileupaskeun agén aktif. Aranjeunna tiasa ngalakukeun ieu ku cara ngahalangan adhesi baktéri awal (kalebet nyegah formasi lapisan protéin dina permukaan) atanapi ku cara maehan baktéri ku cara ngaganggu témbok sél.
Intina mah, palapis permukaan nyaéta prosés nerapkeun lapisan séjén kana permukaan komponén pikeun ningkatkeun karakteristik permukaan. Tujuan tina palapis permukaan nyaéta pikeun ngarobih mikrostruktur sareng/atanapi komposisi daérah caket permukaan komponén39. Métode palapis permukaan tiasa dibagi kana sababaraha métode, anu diringkeskeun dina Gambar 2a. Palapis tiasa dibagi kana kategori termal, kimia, fisik sareng éléktrokimia gumantung kana métode anu dianggo pikeun nyiptakeun palapis.
(a) Sisipan anu nunjukkeun téknik fabrikasi permukaan utama, sareng (b) kaunggulan sareng kakurangan anu dipilih tina metode semprot tiis.
Téhnologi semprot tiis mibanda seueur kamiripan sareng téknik semprot termal tradisional. Nanging, aya ogé sababaraha sipat dasar konci anu ngajantenkeun prosés semprot tiis sareng bahan semprot tiis unik pisan. Téhnologi semprot tiis masih dina tahap awal, tapi gaduh masa depan anu saé. Dina sababaraha kasus, sipat unik tina nyemprot tiis nawiskeun kauntungan anu ageung, ngungkulan watesan téknik nyemprot termal konvensional. Éta ngungkulan watesan anu signifikan tina téknologi semprot termal tradisional, dimana bubuk kedah dilebur pikeun disimpen dina substrat. Jelas, prosés palapis tradisional ieu henteu cocog pikeun bahan anu sénsitip pisan kana suhu sapertos nanokristal, nanopartikel, gelas amorf sareng logam40, 41, 42. Salaku tambahan, bahan palapis semprot termal salawasna gaduh tingkat porositas sareng oksida anu luhur. Téhnologi semprot tiis ngagaduhan seueur kaunggulan anu signifikan tibatan téknologi semprot termal, sapertos (i) input panas minimal kana substrat, (ii) kalenturan dina milih palapis substrat, (iii) teu aya transformasi fase sareng pertumbuhan butir, (iv) kakuatan perekat anu luhur1.39 (Gambar 2b). Salian ti éta, bahan palapis semprot tiis mibanda résistansi korosi anu luhur, kakuatan sareng karasa anu luhur, konduktivitas listrik anu luhur sareng kapadetan anu luhur41. Sanaos aya kaunggulan tina prosés semprot tiis, metode ieu masih ngagaduhan sababaraha kakurangan, sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 2b. Nalika ngalapis bubuk keramik murni sapertos Al2O3, TiO2, ZrO2, WC, jsb., metode semprot tiis henteu tiasa dianggo. Di sisi anu sanés, bubuk komposit keramik/logam tiasa dianggo salaku bahan baku pikeun palapis. Hal anu sami berlaku pikeun metode panyemprotan termal anu sanés. Permukaan anu sesah sareng interior pipa masih sesah disemprot.
Nginget yén karya ieu diarahkeun kana panggunaan bubuk vitreous logam salaku bahan awal pikeun palapis, jelas yén nyemprot termal konvensional henteu tiasa dianggo pikeun tujuan ieu. Ieu kusabab kanyataan yén bubuk vitreous logam ngakristal dina suhu anu luhur1.
Kaseueuran instrumen anu dianggo dina industri médis sareng kadaharan didamel tina paduan baja tahan karat austenitik (SUS316 sareng SUS304) kalayan kandungan kromium 12 dugi ka 20 wt.% pikeun produksi instrumen bedah. Sacara umum ditarima yén panggunaan logam kromium salaku unsur paduan dina paduan baja tiasa ningkatkeun résistansi korosi tina paduan baja standar sacara signifikan. Paduan baja tahan karat, sanaos résistansi korosi anu luhur, henteu gaduh sipat antimikroba anu signifikan38,39. Ieu kontras sareng résistansi korosi anu luhur. Saatos éta, dimungkinkeun pikeun ngaduga perkembangan inféksi sareng peradangan, anu utamina disababkeun ku adhesi baktéri sareng kolonisasi dina permukaan biomaterial baja tahan karat. Kasusah anu signifikan tiasa timbul kusabab kasusah anu signifikan anu aya hubunganana sareng adhesi baktéri sareng jalur formasi biofilm, anu tiasa nyababkeun kaséhatan anu goréng, anu tiasa gaduh seueur akibat anu tiasa langsung atanapi henteu langsung mangaruhan kaséhatan manusa.
Panilitian ieu mangrupikeun fase munggaran tina proyék anu dibiayaan ku Yayasan Kuwait pikeun Kamajuan Élmu (KFAS), kontrak no. 2010-550401, pikeun nalungtik kamungkinan ngahasilkeun bubuk terner Cu-Zr-Ni logam anu sapertos gelas nganggo téknologi MA (tabel). 1) Pikeun produksi pilem/lapisan panyalindungan permukaan antibakteri SUS304. Fase kadua proyék ieu, anu dijadwalkeun dimimitian dina Januari 2023, bakal nalungtik sacara rinci karakteristik korosi galvanik sareng sipat mékanis sistem. Tés mikrobiologis anu lengkep pikeun rupa-rupa jinis baktéri bakal dilaksanakeun.
Artikel ieu ngabahas pangaruh eusi paduan Zr kana kamampuan ngabentuk kaca (GFA) dumasar kana ciri morfologis sareng struktural. Salian ti éta, sipat antibakteri tina komposit kaca logam/SUS304 anu dilapis bubuk ogé dibahas. Salian ti éta, padamelan anu terus-terusan parantos dilaksanakeun pikeun nalungtik kamungkinan transformasi struktural bubuk kaca logam anu lumangsung nalika nyemprot tiis di daérah cairan superdingin tina sistem kaca logam anu didamel. Paduan kaca logam Cu50Zr30Ni20 sareng Cu50Zr20Ni30 dianggo salaku conto anu ngawakilan dina panilitian ieu.
Bagian ieu nampilkeun parobahan morfologis dina bubuk unsur Cu, Zr sareng Ni salami panggilingan bal énergi rendah. Dua sistem anu béda anu diwangun ku Cu50Zr20Ni30 sareng Cu50Zr40Ni10 bakal dianggo salaku conto ilustrasi. Prosés MA tiasa dibagi kana tilu tahapan anu misah, sakumaha dibuktikeun ku karakterisasi metalografi bubuk anu diala dina tahapan panggilingan (Gambar 3).
Karakteristik metalografi bubuk tina logam campuran mékanis (MA) anu diala saatos sababaraha tahapan panggilingan bal. Gambar mikroskop éléktron scanning émisi lapangan (FE-SEM) tina bubuk MA sareng Cu50Zr40Ni10 anu diala saatos panggilingan bal énergi rendah salami 3, 12 sareng 50 jam dipidangkeun dina (a), (c) sareng (e) pikeun sistem Cu50Zr20Ni30, nalika dina MA anu sami. Gambar anu saluyu tina sistem Cu50Zr40Ni10 anu dicandak saatos waktos dipidangkeun dina (b), (d), sareng (f).
Salila panggilingan bal, énergi kinétik efektif anu tiasa ditransfer ka bubuk logam kapangaruhan ku kombinasi parameter, sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 1a. Ieu kalebet tabrakan antara bal sareng bubuk, komprési geser bubuk anu nyangkut di antara atanapi di antara média panggilingan, dampak tina bal anu murag, geser sareng karusakan anu disababkeun ku sered bubuk antara awak anu bergerak tina ball mill, sareng gelombang kejut anu ngalangkungan bal anu murag anu nyebarkeun ngaliwatan kultur anu dimuat (Gambar 1a). Элементарные порошки Cu, Zr и Ni Ni были сильно деформированы из-за холодной сварки на ранней стадии МА (3 ч), локозок крупных частиц порошка (> 1 мм в диаметре). Bubuk unsur Cu, Zr, sareng Ni robah bentukna sacara parah kusabab dilas tiis dina tahap awal MA (3 jam), anu nyababkeun kabentukna partikel bubuk ageung (diaméterna > 1 mm).Partikel komposit anu ageung ieu dicirikeun ku formasi lapisan kandel unsur paduan (Cu, Zr, Ni), sakumaha anu dipidangkeun dina gambar 3a, b. Kanaékan waktos MA dugi ka 12 jam (tahap panengah) nyababkeun kanaékan énergi kinétik ball mill, anu nyababkeun dékomposisi bubuk komposit kana bubuk anu langkung alit (kirang ti 200 μm), sakumaha anu dipidangkeun dina Gambar 3c, kota. Dina tahap ieu, gaya geser anu diterapkeun nyababkeun formasi permukaan logam énggal kalayan lapisan hint Cu, Zr, Ni anu ipis, sakumaha anu dipidangkeun dina Gambar 3c, d. Salaku hasil tina ngagiling lapisan dina antarmuka serpihan, réaksi fase padet lumangsung kalayan formasi fase énggal.
Dina klimaks prosés MA (saatos 50 jam), metalografi serpihan ampir teu katingali (Gambar 3e, f), sareng metalografi eunteung katingali dina permukaan bubuk anu dipoles. Ieu ngandung harti yén prosés MA parantos réngsé sareng fase réaksi tunggal parantos didamel. Komposisi unsur daérah anu dituduhkeun dina Gambar 3e (I, II, III), f, v, vi) ditangtukeun nganggo mikroskop éléktron scanning émisi lapangan (FE-SEM) digabungkeun sareng spéktroskopi sinar-X dispersif énergi (EDS). (IV).
Dina tabél. 2 konsentrasi unsur paduan dipidangkeun salaku perséntase tina total massa unggal daérah anu dipilih dina gambar 3e, f. Ngabandingkeun hasil ieu sareng komposisi nominal awal Cu50Zr20Ni30 sareng Cu50Zr40Ni10 anu dipasihkeun dina Tabel 1 nunjukkeun yén komposisi dua produk ahir ieu caket pisan sareng komposisi nominal. Salaku tambahan, nilai relatif komponén pikeun daérah anu didaptarkeun dina Gambar 3e, f henteu nunjukkeun deteriorasi atanapi variasi anu signifikan dina komposisi unggal sampel ti hiji daérah ka daérah anu sanés. Ieu dibuktikeun ku kanyataan yén teu aya parobahan komposisi ti hiji daérah ka daérah anu sanés. Ieu nunjukkeun produksi bubuk paduan seragam sapertos anu dipidangkeun dina Tabel 2.
Mikrograf FE-SEM tina bubuk produk ahir Cu50(Zr50-xNix) diala saatos 50 kali MA, sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 4a-d, dimana x nyaéta 10, 20, 30 sareng 40 at.%, masing-masing. Saatos léngkah ngagiling ieu, agregat bubuk kusabab pangaruh van der Waals, anu ngarah kana formasi agregat ageung anu diwangun ku partikel ultrafine kalayan diaméter 73 dugi ka 126 nm, sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 4.
Ciri morfologis bubuk Cu50(Zr50-xNix) anu diala saatos 50 jam MA. Pikeun sistem Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40, gambar FE-SEM bubuk anu diala saatos 50 MA dipidangkeun dina (a), (b), (c), sareng (d), masing-masing.
Sateuacan ngamuat bubuk kana wadah semprot tiis, éta mimitina disonikasi dina étanol kelas analitis salami 15 menit teras dikeringkeun dina suhu 150° C salami 2 jam. Léngkah ieu kedah dilaksanakeun pikeun merangan aglomerasi sacara suksés, anu sering nyababkeun seueur masalah serius dina prosés palapis. Saatos réngsé prosés MA, panilitian salajengna dilaksanakeun pikeun nalungtik homogenitas bubuk paduan. Dina gambar 5a-d, tunjukkeun mikrograf FE-SEM sareng gambar EDS anu saluyu tina unsur paduan Cu, Zr sareng Ni tina paduan Cu50Zr30Ni20 anu dicandak saatos 50 jam waktos M, masing-masing. Perlu dicatet yén bubuk paduan anu diala saatos léngkah ieu homogen, sabab henteu nunjukkeun fluktuasi komposisi saluareun tingkat sub-nanometer, sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 5.
Morfologi sareng distribusi lokal unsur dina bubuk MG Cu50Zr30Ni20 anu diala saatos 50 MA ku FE-SEM/Spektroskopi Sinar-X Dispersif Énergi (EDS). (a) Pencitraan SEM sareng EDS sinar-X tina (b) Cu-Kα, (c) Zr-Lα, sareng (d) Ni-Kα.
Pola difraksi sinar-X tina bubuk Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, sareng Cu50Zr20Ni30 anu dihijikeun sacara mékanis anu diala saatos 50 jam MA dipidangkeun dina Gambar 6a–d, masing-masing. Saatos tahapan panggilingan ieu, sadaya sampel kalayan konsentrasi Zr anu béda-béda ngagaduhan struktur amorf kalayan pola difusi halo anu khas dipidangkeun dina Gambar 6.
Pola difraksi sinar-X tina bubuk Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c), sareng Cu50Zr20Ni30 (d) saatos MA salami 50 jam. Pola halo-difusi katingali dina sadaya sampel tanpa pengecualian, nunjukkeun formasi fase amorf.
Mikroskopi éléktron transmisi émisi médan résolusi luhur (FE-HRTEM) dianggo pikeun niténan parobahan struktural sareng ngartos struktur lokal bubuk anu dihasilkeun tina panggilingan bal dina waktos MA anu béda. Gambar bubuk anu diala ku metode FE-HRTEM saatos tahapan awal (6 jam) sareng panengah (18 jam) tina panggilingan bubuk Cu50Zr30Ni20 sareng Cu50Zr40Ni10 dipidangkeun dina Gambar 7a, masing-masing. Numutkeun gambar médan caang (BFI) tina bubuk anu diala saatos 6 jam MA, bubuk diwangun ku sisikian ageung kalayan wates anu ditetepkeun sacara jelas tina unsur fcc-Cu, hcp-Zr, sareng fcc-Ni, sareng teu aya tanda-tanda formasi fase réaksi, sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 7a. Salaku tambahan, pola difraksi daérah anu dipilih sacara berkorelasi (SADP) anu dicandak tina daérah tengah (a) ngungkabkeun pola difraksi anu seukeut (Gambar 7b) anu nunjukkeun ayana kristalit ageung sareng henteuna fase réaktif.
Karakteristik struktural lokal bubuk MA anu diala saatos tahapan awal (6 jam) sareng panengah (18 jam). (a) Mikroskopi éléktron transmisi émisi médan résolusi luhur (FE-HRTEM) sareng (b) difraktogram daérah anu dipilih (SADP) tina bubuk Cu50Zr30Ni20 saatos perlakuan MA salami 6 jam. Gambar FE-HRTEM tina Cu50Zr40Ni10 anu diala saatos MA 18 jam dipidangkeun dina (c).
Sakumaha anu dipidangkeun dina gambar 7c, paningkatan durasi MA ka 18 jam nyababkeun cacad kisi anu serius digabungkeun sareng deformasi plastik. Dina tahap panengah tina prosés MA ieu, rupa-rupa cacad muncul dina bubuk, kalebet cacad susun, cacad kisi, sareng cacad titik (Gambar 7). Cacat ieu nyababkeun fragmentasi sisikian ageung sapanjang wates sisikian kana subsisikian anu ukuranana langkung alit tibatan 20 nm (Gambar 7c).
Struktur lokal bubuk Cu50Z30Ni20 anu digiling salami 36 jam MA dicirikeun ku formasi nanograin ultrahalus anu dipasang dina matriks ipis amorf, sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 8a. Analisis lokal EMF nunjukkeun yén nanocluster anu dipidangkeun dina Gambar 8a pakait sareng paduan bubuk Cu, Zr sareng Ni anu teu diubaran. Eusi Cu dina matriks rupa-rupa ti ~32 at.% (zona goréng) dugi ka ~74 at.% (zona beunghar), anu nunjukkeun formasi produk hétérogén. Salaku tambahan, SADP anu saluyu tina bubuk anu diala saatos digiling dina léngkah ieu nunjukkeun cincin fase amorf halo-difusi primér sareng sekundér anu tumpang tindih sareng titik seukeut anu pakait sareng unsur paduan anu teu diubaran ieu, sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 8b.
Fitur struktural lokal skala nano tina bubuk Beyond 36 h-Cu50Zr30Ni20. (a) Gambar medan caang (BFI) sareng (b) SADP bubuk Cu50Zr30Ni20 anu saluyu anu diala saatos digiling salami 36 jam MA.
Menjelang ahir prosés MA (50 jam), bubuk Cu50(Zr50-xNix), X, 10, 20, 30, sareng 40 at.%, tanpa pengecualian, gaduh morfologi labirin tina fase amorf, sapertos anu dipidangkeun dina Gambar. Boh difraksi titik atanapi pola annular anu seukeut henteu tiasa dideteksi dina SADS anu saluyu tina unggal komposisi. Ieu nunjukkeun henteuna logam kristal anu teu diolah, tapi formasi bubuk paduan amorf. SADP anu berkorelasi ieu anu nunjukkeun pola difusi halo ogé dianggo salaku bukti pikeun kamekaran fase amorf dina bahan produk ahir.
Struktur lokal tina produk ahir sistem Cu50 MS (Zr50-xNix). FE-HRTEM sareng pola difraksi nanobeam anu berkorelasi (NBDP) tina (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30, sareng (d) Cu50Zr10Ni40 anu diala saatos 50 jam MA.
Ngagunakeun kalorimetri scanning diferensial, stabilitas termal suhu transisi kaca (Tg), daérah cairan superdingin (ΔTx) sareng suhu kristalisasi (Tx) dikaji gumantung kana eusi Ni (x) dina sistem amorf Cu50(Zr50-xNix). Sipat (DSC) dina aliran gas He. Kurva DSC bubuk paduan amorf Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, sareng Cu50Zr10Ni40 anu diala saatos MA salami 50 jam dipidangkeun dina Gambar 10a, b, e, masing-masing. Sedengkeun kurva DSC Cu50Zr20Ni30 amorf dipidangkeun sacara misah dina Gambar abad ka-10. Samentawis éta, sampel Cu50Zr30Ni20 anu dipanaskeun dugi ka ~700°C dina DSC dipidangkeun dina Gambar 10g.
Stabilitas termal bubuk Cu50(Zr50-xNix) MG anu diala saatos MA salami 50 jam ditangtukeun ku suhu transisi gelas (Tg), suhu kristalisasi (Tx) sareng daérah cairan superdingin (ΔTx). Termogram bubuk kalorimeter scanning diferensial (DSC) tina Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c), sareng (e) bubuk paduan Cu50Zr10Ni40 MG saatos MA salami 50 jam. Pola difraksi sinar-X (XRD) tina sampel Cu50Zr30Ni20 anu dipanaskeun dugi ka ~700°C dina DSC dipidangkeun dina (d).
Sakumaha anu dipidangkeun dina Gambar 10, kurva DSC pikeun sadaya komposisi kalayan konsentrasi nikel anu béda (x) nunjukkeun dua kasus anu béda, hiji éndotérmik sareng anu sanésna éksotérmik. Kajadian éndotérmik anu munggaran pakait sareng Tg, sareng anu kadua pakait sareng Tx. Daérah bentang horizontal anu aya antara Tg sareng Tx disebut daérah cairan subcooled (ΔTx = Tx – Tg). Hasilna nunjukkeun yén Tg sareng Tx tina sampel Cu50Zr40Ni10 (Gambar 10a) anu disimpen dina suhu 526°C sareng 612°C ngageser eusi (x) dugi ka 20 dina % nuju sisi suhu handap 482°C sareng 563°C. °C kalayan ningkatna eusi Ni (x), masing-masing, sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 10b. Akibatna, ΔTx Cu50Zr40Ni10 nurun tina 86°C (Gambar 10a) ka 81°C pikeun Cu50Zr30Ni20 (Gambar 10b). Pikeun paduan MC Cu50Zr40Ni10, panurunan nilai Tg, Tx, sareng ΔTx ka tingkat 447°C, 526°C, sareng 79°C ogé katingali (Gambar 10b). Ieu nunjukkeun yén paningkatan eusi Ni nyababkeun panurunan stabilitas termal paduan MS. Sabalikna, nilai Tg (507 °C) tina paduan MC Cu50Zr20Ni30 langkung handap tibatan paduan MC Cu50Zr40Ni10; sanaos kitu, Tx-na nunjukkeun nilai anu sami sareng éta (612 °C). Ku alatan éta, ΔTx gaduh nilai anu langkung luhur (87°C) sapertos anu dipidangkeun dina gambar abad ka-10.
Sistem MC Cu50(Zr50-xNix), nganggo paduan MC Cu50Zr20Ni30 salaku conto, ngakristal ngaliwatan puncak éksotérmik anu seukeut kana fase kristal fcc-ZrCu5, ortorombik-Zr7Cu10, sareng ortorombik-ZrNi (Gambar 10c). Transisi fase tina amorf ka kristal ieu dikonfirmasi ku analisis difraksi sinar-X tina sampel MG (Gambar 10d) anu dipanaskeun dugi ka 700 °C dina DSC.
Dina gambar 11 nunjukkeun poto-poto anu dicandak nalika prosés semprot tiis anu dilaksanakeun dina padamelan ayeuna. Dina panilitian ieu, partikel bubuk logam anu siga gelas anu disintésis saatos MA salami 50 jam (nganggo Cu50Zr20Ni30 salaku conto) dianggo salaku bahan baku antibakteri, sareng pelat stainless steel (SUS304) dilapis semprot tiis. Métode semprot tiis dipilih pikeun palapis dina séri téknologi semprot termal sabab éta mangrupikeun metode anu paling efisien dina séri téknologi semprot termal dimana éta tiasa dianggo pikeun bahan logam anu sénsitip kana panas métastable sapertos bubuk amorf sareng nanokristalin. Henteu tunduk kana transisi fase. Ieu mangrupikeun faktor utama dina milih metode ieu. Prosés déposisi tiis dilaksanakeun nganggo partikel kecepatan tinggi anu ngarobih énergi kinétik partikel kana deformasi plastik, deformasi sareng panas nalika tabrakan sareng substrat atanapi partikel anu sateuacanna diendapkeun.
Poto lapangan nunjukkeun prosedur semprot tiis anu dianggo pikeun lima persiapan MG/SUS 304 dina suhu 550°C.
Énergi kinétik partikel, kitu ogé moméntum unggal partikel nalika ngabentuk palapis, kedah dirobih janten bentuk énergi sanés ngalangkungan mékanisme sapertos deformasi plastis (partikel primér sareng interaksi antarpartikel dina matriks sareng interaksi partikel), simpul interstisial padet, rotasi antara partikel, deformasi sareng pemanasan anu ngawatesan 39. Salaku tambahan, upami henteu sadaya énergi kinétik anu lebet dirobih janten énergi termal sareng énergi deformasi, hasilna bakal janten tabrakan élastis, anu hartosna partikel ngan saukur mantul saatos tabrakan. Parantos dicatet yén 90% énergi tabrakan anu diterapkeun kana bahan partikel/substrat dirobih janten panas lokal 40. Salaku tambahan, nalika setrés tabrakan diterapkeun, laju galur plastik anu luhur kahontal di daérah kontak partikel/substrat dina waktos anu singget pisan 41,42.
Deformasi plastik biasana dianggap salaku prosés disipasi énergi, atanapi langkung tepatna, salaku sumber panas di daérah antarmuka. Nanging, kanaékan suhu di daérah antarmuka biasana henteu cekap pikeun lumangsungna lebur antarmuka atanapi stimulasi anu signifikan tina difusi atom silih. Teu aya publikasi anu dipikanyaho ku pangarang anu nalungtik pangaruh sipat bubuk vitreous logam ieu kana adhesi bubuk sareng pengendapan anu lumangsung nalika nganggo téknik semprot tiis.
BFI tina bubuk paduan MG Cu50Zr20Ni30 tiasa ditingali dina Gambar 12a, anu diendapkeun dina substrat SUS 304 (Gambar 11, 12b). Sakumaha anu tiasa ditingali tina gambar, bubuk anu dilapis ngajaga struktur amorf aslina sabab gaduh struktur labirin anu hipu tanpa fitur kristalin atanapi cacad kisi. Di sisi anu sanés, gambar nunjukkeun ayana fase asing, sakumaha dibuktikeun ku nanopartikel anu kalebet dina matriks bubuk anu dilapis MG (Gambar 12a). Gambar 12c nunjukkeun pola difraksi nanobeam anu diindeks (NBDP) anu aya hubunganana sareng daérah I (Gambar 12a). Sakumaha anu dipidangkeun dina gambar 12c, NBDP nunjukkeun pola halo-difusi anu lemah tina struktur amorf sareng hirup babarengan sareng titik seukeut anu saluyu sareng fase Zr2Ni métastable kubik ageung kristalin ditambah fase CuO tetragonal. Pembentukan CuO tiasa dijelaskeun ku oksidasi bubuk nalika pindah tina nozzle pistol semprot ka SUS 304 di udara terbuka dina aliran supersonik. Di sisi séjén, devitrifikasi bubuk logam anu siga gelas ngahasilkeun pembentukan fase kubik ageung saatos perlakuan semprot tiis dina suhu 550°C salami 30 menit.
(a) Gambar FE-HRTEM tina bubuk MG anu diendapkeun dina (b) substrat SUS 304 (sisipan Gambar). Indéks NBDP tina simbol buleud anu dipidangkeun dina (a) dipidangkeun dina (c).
Pikeun nguji mékanisme poténsial ieu pikeun ngabentuk nanopartikel Zr2Ni kubik ageung, hiji ékspérimén mandiri dilaksanakeun. Dina ékspérimén ieu, bubuk disemprot tina atomizer dina suhu 550°C ka arah substrat SUS 304; kumaha oge, pikeun nangtukeun éfék annealing, bubuk dikaluarkeun tina strip SUS304 gancang-gancang (sakitar 60 detik). ). Runtuyan ékspérimén anu sanés dilaksanakeun dimana bubuk dikaluarkeun tina substrat sakitar 180 detik saatos aplikasi.
Gambar 13a,b nunjukkeun gambar medan poék (DFI) Mikroskop Éléktron Transmisi Pindai (STEM) tina dua bahan anu diendapkeun dina substrat SUS 304 salami 60 detik sareng 180 detik. Gambar bubuk anu diendapkeun salami 60 detik kakurangan detil morfologis, nunjukkeun teu aya ciri (Gambar 13a). Ieu ogé dikonfirmasi ku XRD, anu nunjukkeun yén struktur sakabéh bubuk ieu amorf, sakumaha anu dituduhkeun ku puncak difraksi primér sareng sekundér anu lega anu dipidangkeun dina Gambar 14a. Ieu nunjukkeun henteuna endapan métastable/mésofase, dimana bubuk nahan struktur amorf aslina. Sabalikna, bubuk anu diendapkeun dina suhu anu sami (550°C) tapi ditinggalkeun dina substrat salami 180 detik nunjukkeun déposisi butiran nano, sakumaha anu dipidangkeun ku panah dina Gambar 13b.