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 nampilkeun situs tanpa gaya sareng JavaScript.
Biofilm mangrupikeun komponén penting dina kamekaran inféksi kronis, khususna nalika alat médis kalibet. Masalah ieu nampilkeun tantangan anu ageung pikeun komunitas médis, sabab antibiotik standar ngan ukur tiasa ngabasmi biofilm dina tingkat anu terbatas pisan. Nyegah formasi biofilm parantos nyababkeun pamekaran rupa-rupa metode palapis sareng bahan énggal. Métode ieu bertujuan pikeun ngalapis permukaan ku cara anu ngahalangan formasi biofilm. Paduan kaca logam, khususna anu ngandung logam tambaga sareng titanium, parantos muncul salaku 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. Bagian tina tujuan panilitian ieu nyaéta pikeun ngembangkeun gelas logam pilem antibakteri anyar anu diwangun ku Cu-Zr-Ni terner nganggo téknik paduan mékanis. Bubuk buleud anu ngawangun produk ahir dianggo salaku bahan baku pikeun palapis semprot tiis tina permukaan stainless steel dina suhu anu handap. Substrat anu dilapis ku gelas logam tiasa ngirangan formasi biofilm sacara signifikan sahenteuna 1 log dibandingkeun sareng stainless steel.
Sapanjang sajarah manusa, masarakat mana waé parantos tiasa ngarancang sareng ngamajukeun bubuka bahan-bahan anyar anu nyumponan sarat khususna, anu parantos ngahasilkeun kinerja sareng peringkat anu ningkat dina ékonomi global1. Éta salawasna dikaitkeun sareng kamampuan manusa pikeun ngembangkeun bahan sareng peralatan fabrikasi sareng desain pikeun fabrikasi bahan sareng karakterisasi pikeun ngahontal kauntungan dina kaséhatan, pendidikan, industri, ékonomi, budaya sareng widang sanés ti hiji nagara atanapi daérah ka nagara sanés. Kamajuan diukur henteu paduli nagara atanapi daérah.2 Salila 60 taun, élmuwan bahan parantos ngahaturanan seueur waktosna pikeun fokus kana hiji perhatian utama: ngudag bahan-bahan anyar 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 téknik pamrosésan termal, mékanis atanapi termo-mékanis parantos nyababkeun paningkatan anu signifikan dina sipat mékanis, kimia sareng fisik tina rupa-rupa bahan anu béda. Salajengna, sanyawa anu teu acan kantos kadéngé parantos hasil disintésis dina titik ieu. Usaha anu terus-terusan ieu parantos ngalahirkeun kulawarga bahan inovatif énggal, anu sacara koléktif katelah Bahan Canggih2. Nanokristal, nanopartikel, nanotube, titik kuantum, gelas logam amorf diménsi nol, sareng paduan entropi tinggi ngan ukur sababaraha conto bahan canggih anu diwanohkeun ka dunya saprak pertengahan abad ka tukang. Nalika ngadamel sareng ngembangkeun paduan énggal kalayan sipat anu unggul, boh dina produk ahir atanapi dina tahap panengah produksina, masalah kasaimbangan anu teu saimbang sering ditambahkeun. Salaku hasil tina nerapkeun téknik fabrikasi énggal pikeun nyimpang sacara signifikan tina kasaimbangan, kelas paduan métastable énggal, anu katelah gelas logam, parantos kapanggih.
Karyana di Caltech dina taun 1960 mawa révolusi dina konsép logam campuran nalika anjeunna nyintésis logam campuran Au-25 at.% Si anu sapertos gelas ku cara ngabekukeun cairan sacara gancang dina ampir sajuta derajat per detik. 4. Kajadian panemuan Profesor Pol Duwezs henteu ngan ukur ngawanohkeun awal sajarah gelas logam (MG), tapi ogé ngarah kana parobahan paradigma dina cara jalma mikirkeun logam campuran. Kusabab studi pionir pangheubeulna dina sintésis logam campuran MG, ampir sadaya gelas logam parantos dihasilkeun sapinuhna ku ngagunakeun salah sahiji metode ieu; (i) pabekuan gancang tina lebur atanapi uap, (ii) gangguan atom tina kisi, (iii) réaksi amorfisasi kaayaan padet antara unsur logam murni, sareng (iv) transisi kaayaan padet tina fase métastable.
MG dibédakeun ku kurangna urutan atom jarak jauh anu aya hubunganana sareng kristal, anu mangrupikeun ciri anu ngabédakeun kristal. Di dunya ayeuna, kamajuan anu ageung parantos dilakukeun dina widang kaca logam. Éta mangrupikeun bahan énggal kalayan sipat anu pikaresepeun anu henteu ngan ukur dipikaresep dina fisika kaayaan padet, tapi ogé dina metalurgi, kimia permukaan, téknologi, biologi sareng seueur widang sanésna. Jinis bahan énggal ieu nunjukkeun sipat anu béda ti logam padet, jantenkeun calon anu pikaresepeun pikeun aplikasi téknologi dina rupa-rupa widang. Éta gaduh sababaraha sipat penting; (i) daktilitas mékanis sareng kakuatan luluh anu luhur, (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 téknik anu kawilang anyar, mimiti diwanohkeun dina taun 19839 ku Prof. CC Kock sareng kolegana. Aranjeunna nyiapkeun bubuk Ni60Nb40 amorf ku cara ngagiling campuran unsur murni dina suhu sekitar anu caket pisan sareng suhu kamar. Biasana, réaksi MA dilaksanakeun antara gandeng difusi bubuk bahan réaktan dina réaktor, biasana didamel tina stainless steel kana ball mill 10 (Gambar 1a, b). Saprak harita, téknik réaksi solid-state anu diinduksi sacara mékanis ieu parantos dianggo pikeun nyiapkeun bubuk paduan kaca amorf/logam anyar nganggo ball mill énergi rendah (Gambar 1c) sareng énergi tinggi, ogé rod mill 11,12,13,14,15, 16. Sacara khusus, metode ieu parantos dianggo pikeun nyiapkeun sistem anu teu tiasa campur sapertos Cu-Ta17, ogé paduan titik lebur anu luhur sapertos sistem logam transisi Al (TM; Zr, Hf, Nb sareng Ta) 18,19 sareng Fe-W20, anu teu tiasa diala nganggo rute persiapan konvensional. Salajengna, MA dianggap salah sahiji alat nanotéhnologi anu paling kuat pikeun persiapan partikel bubuk nanokristalin sareng nanokomposit skala industri tina oksida logam, karbida, nitrida, hidrida, tabung nano karbon, nanointan, ogé stabilisasi anu lega ngalangkungan pendekatan top-down 1 sareng tahapan métastabil.
Skéma anu nunjukkeun metode fabrikasi anu dianggo pikeun nyiapkeun palapis kaca logam (MG) Cu50(Zr50−xNix)/SUS 304 dina panilitian ieu. (a) Nyiapkeun bubuk paduan MG kalayan konsentrasi Ni anu béda x (x; 10, 20, 30 sareng 40 at.%) nganggo téknik panggilingan bal énergi rendah. (a) Bahan awal dimuat kana silinder alat babarengan sareng bal baja alat, sareng (b) disegel dina kotak sarung tangan anu dieusi ku atmosfir He. (c) Modél transparan tina wadah panggilingan anu ngagambarkeun gerakan bal nalika panggilingan. Produk ahir tina bubuk anu diala saatos 50 jam dianggo pikeun ngalapis substrat SUS 304 nganggo metode semprot tiis (d).
Nalika ngeunaan permukaan bahan curah (substrat), rékayasa permukaan ngalibatkeun desain sareng modifikasi permukaan (substrat) pikeun nyayogikeun kualitas fisik, kimia sareng téknis anu teu aya dina bahan curah aslina. Sababaraha sipat anu tiasa ditingkatkeun sacara efektif ku perlakuan permukaan kalebet résistansi abrasi, résistansi oksidasi sareng korosi, koefisien gesekan, bio-inertness, sipat listrik, sareng insulasi termal, kanggo nyebatkeun sababaraha. Kualitas permukaan tiasa ditingkatkeun ku ngagunakeun téknik metalurgi, mékanis atanapi kimia. Salaku prosés anu terkenal, palapis sacara sederhana dihartikeun salaku hiji atanapi sababaraha lapisan bahan anu sacara jieunan disimpen dina permukaan objék curah (substrat) anu didamel tina bahan sanés. Ku kituna, palapis dianggo sabagian pikeun ngahontal sababaraha sipat téknis atanapi dekoratif anu dipikahoyong, ogé pikeun ngajagi bahan tina interaksi kimia sareng fisik anu dipiharep sareng lingkungan sakurilingna23.
Pikeun neundeun lapisan panyalindungan permukaan anu cocog kalayan ketebalan mimitian ti sababaraha mikrométer (di handap 10-20 mikrométer) dugi ka langkung ti 30 mikrométer atanapi bahkan sababaraha miliméter, seueur metode sareng téknik anu tiasa diterapkeun. Sacara umum, prosés palapis tiasa dibagi kana dua kategori: (i) metode palapis baseuh, kalebet éléktroplating, palapis tanpa éléktro, sareng metode galvanisasi celup panas, sareng (ii) metode palapis garing, kalebet brazing, surfacing, déposisi uap fisik (PVD), déposisi 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 séktor industri, kalebet industri pangan, sistem cai, sareng lingkungan kasehatan. Dina manusa, nalika biofilm kabentuk, langkung ti 80% kasus inféksi mikroba (kalebet Enterobacteriaceae sareng Staphylococci) hésé diubaran. Salajengna, biofilm dewasa parantos dilaporkeun 1000 kali langkung tahan kana pangobatan antibiotik dibandingkeun sareng sél baktéri planktonik, anu dianggap tantangan terapi utama. Bahan palapis permukaan antimikroba anu diturunkeun tina sanyawa organik konvensional sacara historis parantos dianggo. Sanaos bahan sapertos kitu sering ngandung komponén toksik anu berpotensi résiko pikeun manusa, 25, 26 éta tiasa ngabantosan nyingkahan panularan baktéri sareng karusakan 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-adheren fisik atanapi kimia dimana sél baktéri dihambat pikeun ngabeungkeut sareng ngawangun biofilm kusabab adhesi mangrupikeun pendekatan munggaran dina prosés ieu27. Téknologi kadua nyaéta ngembangkeun palapis anu ngamungkinkeun bahan kimia antimikroba dikirimkeun sacara tepat dimana diperyogikeun, dina jumlah anu pekat sareng disaluyukeun. Ieu kahontal ku ngembangkeun bahan palapis unik sapertos graphene / germanium28, inten hideung29 sareng palapis karbon sapertos inten anu didoping ZnO30 anu tahan ka baktéri, téknologi anu ngamaksimalkeun Toksisitas sareng pamekaran résistansi kusabab formasi biofilm dikirangan sacara signifikan. Salaku tambahan, palapis anu ngagabungkeun bahan kimia germisida kana permukaan pikeun nyayogikeun panyalindungan jangka panjang tina kontaminasi baktéri janten langkung populér. Sanaos sadaya tilu prosedur sanggup ngahasilkeun épék antimikroba dina permukaan anu dilapis, masing-masing gaduh watesan nyalira anu kedah dipertimbangkeun nalika ngembangkeun strategi aplikasi.
Produk anu ayeuna aya di pasaran kaganggu ku waktos anu teu cekap pikeun nganalisis sareng nguji lapisan pelindung pikeun bahan-bahan biologis aktif. Perusahaan ngaku yén produkna bakal nyayogikeun pangguna aspék fungsional anu dipikahoyong; Nanging, ieu parantos janten halangan pikeun kasuksésan produk anu ayeuna aya di pasar. Senyawa anu diturunkeun tina pérak dianggo dina kalolobaan terapi antimikroba anu ayeuna sayogi pikeun konsumen. Produk ieu dikembangkeun pikeun ngajagi pangguna tina épék mikroorganisme anu berpotensi bahaya. Éfék 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 ruangan sareng di luar masih kabuktian janten tugas anu pikasieuneun. Ieu kusabab résiko anu aya hubunganana pikeun kaséhatan sareng kasalametan. 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 dipikahoyong pisan38. Bahan antimikroba sareng anti-biofilm pangénggalna dirancang pikeun maéhan baktéri dina jarak anu caket, boh ngalangkungan kontak langsung atanapi saatos agén aktif dileupaskeun. Éta tiasa ngalakukeun ieu ku cara ngahambat adhesi baktéri awal (kalebet ngalawan pembentukan lapisan protéin dina permukaan) atanapi ku cara maéhan baktéri ku cara ngaganggu témbok sél.
Sacara dasarna, palapis permukaan nyaéta prosés nempatkeun lapisan sanés dina permukaan komponén pikeun ningkatkeun kualitas anu aya hubunganana sareng permukaan. Tujuan tina palapis permukaan nyaéta pikeun nyaluyukeun mikrostruktur sareng/atanapi komposisi daérah caket permukaan komponén. Téhnik palapis permukaan tiasa dibagi kana sababaraha metode, anu diringkeskeun dina Gambar 2a. Palapis tiasa dibagi kana kategori termal, kimia, fisik, sareng éléktrokimia, gumantung kana metode anu dianggo pikeun nyiptakeun palapis.
(a) Sisipan anu nunjukkeun téknik fabrikasi utama anu dianggo pikeun permukaan, sareng (b) kaunggulan sareng kakurangan anu dipilih tina téknik semprot tiis.
Téhnologi semprot tiis mibanda seueur kamiripan sareng metode semprot termal konvensional. 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 cerah. Dina aplikasi-aplikasi tertentu, sipat unik tina semprot tiis nawiskeun kauntungan anu ageung, ngungkulan watesan anu aya dina metode semprot termal has. Éta nyayogikeun cara pikeun ngungkulan watesan anu signifikan tina téknologi semprot termal tradisional, nalika bubuk kedah dilebur supados tiasa disimpen dina substrat. Tangtosna, prosés palapis tradisional ieu henteu cocog pikeun bahan anu sénsitip pisan kana suhu sapertos nanokristal, nanopartikel, gelas amorf sareng logam40, 41, 42. Salajengna, bahan palapis semprot termal salawasna nunjukkeun 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 pilihan palapis substrat, (iii) henteuna transformasi fase sareng pertumbuhan butir, (iv) kakuatan beungkeut anu luhur1,39 (Gambar 2b). Salaku tambahan, bahan palapis semprot tiis ngagaduhan korosi anu luhur. résistansi, kakuatan sareng karasa anu luhur, konduktivitas listrik anu luhur sareng kapadetan anu luhur 41. Sabalikna tina kaunggulan prosés semprot tiis, masih aya sababaraha kalemahan dina ngagunakeun téknik ieu, 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 semprot termal anu sanés. Permukaan anu rumit sareng permukaan pipa interior masih sesah disemprot.
Kusabab panilitian ayeuna boga tujuan pikeun ngagunakeun bubuk kaca logam salaku bahan palapis atah, jelas yén nyemprot termal konvensional teu tiasa dianggo pikeun tujuan ieu. Ieu kusabab bubuk kaca logam ngakristal dina suhu anu luhur1.
Kaseueuran alat anu dianggo dina industri médis sareng kadaharan didamel tina aloi baja tahan karat austenitik (SUS316 sareng SUS304) kalayan eusi kromium antara 12 sareng 20 wt% pikeun produksi alat bedah. Sacara umum ditarima yén panggunaan logam kromium salaku unsur paduan dina aloi baja tiasa ningkatkeun résistansi korosi tina aloi baja standar. Aloi baja tahan karat, sanaos résistansi korosi anu luhur, henteu nunjukkeun sipat antimikroba anu signifikan38,39. Ieu kontras sareng résistansi korosi anu luhur. Saatos ieu, perkembangan inféksi sareng peradangan tiasa diprediksi, 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 turunna kaséhatan, 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 lapisan panyalindungan permukaan pilem antibakteri / SUS304. Fase kadua proyék ieu, anu bakal dimimitian dina Januari 2023, bakal nalungtik karakteristik korosi éléktrokimia sareng sipat mékanis sistem sacara rinci. Tés mikrobiologis anu lengkep bakal dilaksanakeun pikeun spésiés baktéri anu béda.
Dina tulisan ieu, pangaruh eusi unsur paduan Zr kana kamampuan ngabentuk kaca (GFA) dibahas dumasar kana ciri morfologis sareng struktural. Salian ti éta, sipat antibakteri tina palapis bubuk kaca logam/komposit SUS304 anu dilapis ogé dibahas. Salajengna, panilitian ayeuna parantos dilaksanakeun pikeun nalungtik kamungkinan transformasi struktural bubuk kaca logam anu lumangsung nalika nyemprot tiis dina daérah cairan anu didinginkan tina sistem kaca logam anu didamel. Salaku conto anu ngawakilan, paduan kaca logam Cu50Zr30Ni20 sareng Cu50Zr20Ni30 parantos dianggo dina panilitian ieu.
Dina bagian ieu, parobahan morfologis bubuk unsur Cu, Zr sareng Ni dina panggilingan bal énergi rendah dipidangkeun. Salaku conto ilustrasi, dua sistem anu béda anu diwangun ku Cu50Zr20Ni30 sareng Cu50Zr40Ni10 bakal dianggo salaku conto anu ngawakilan. Prosés MA tiasa dibagi kana tilu tahapan anu béda, sakumaha anu dipidangkeun ku karakterisasi metalografi bubuk anu dihasilkeun nalika tahapan panggilingan (Gambar 3).
Karakteristik metalografi bubuk logam campuran mékanis (MA) anu diala saatos tahapan waktos panggilingan bal anu béda. Gambar mikroskop éléktron scanning émisi lapangan (FE-SEM) tina bubuk MA sareng Cu50Zr40Ni10 anu diala saatos waktos panggilingan bal énergi rendah 3, 12 sareng 50 jam dipidangkeun dina (a), (c) sareng (e) pikeun sistem Cu50Zr20Ni30, sedengkeun 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, geseran komprési bubuk anu nyangkut di antara atanapi di antara média panggilingan, dampak bal anu murag, geseran sareng karusakan kusabab sered bubuk antara média panggilingan bal anu bergerak, sareng gelombang kejut anu ngalangkungan Bal anu murag sumebar ngaliwatan beban pepelakan (Gambar 1a). Bubuk unsur Cu, Zr, sareng Ni cacad parah kusabab pengelasan tiis dina tahap awal MA (3 jam), ngahasilkeun partikel bubuk ageung (diaméterna >1 mm). Partikel komposit ageung ieu dicirikeun ku formasi lapisan kandel unsur paduan (Cu, Zr, Ni), sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 3a,b. Ningkatkeun waktos MA janten 12 jam (tahap panengah) nyababkeun paningkatan énergi kinétik ball mill, ngahasilkeun dekomposisi bubuk komposit kana bubuk anu langkung lemes (kirang ti 200 µm), sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 3c,d. Dina tahap ieu, gaya geser anu diterapkeun ngabalukarkeun kabentukna permukaan logam anyar kalayan lapisan hint Cu, Zr, Ni anu lemes, sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 3c, d. Salaku hasil tina panyaringan lapisan, réaksi fase padet lumangsung dina antarmuka serpihan pikeun ngahasilkeun fase anyar.
Dina klimaks prosés MA (saatos 50 jam), metalografi anu rapuh ngan ukur katingali samar (Gambar 3e, f), tapi permukaan bubuk anu dipoles nunjukkeun metalografi eunteung. Ieu ngandung harti yén prosés MA parantos réngsé sareng nyiptakeun fase réaksi tunggal parantos kajantenan. Komposisi unsur daérah anu diindeks dina Gambar 3e (I, II, III), f, v, vi) ditangtukeun ku ngagunakeun mikroskop éléktron scanning émisi lapangan (FE-SEM) digabungkeun sareng spéktroskopi sinar-X dispersif énergi (EDS) (IV).
Dina Tabel 2, konsentrasi unsur paduan dipidangkeun salaku persentase tina total beurat unggal daérah anu dipilih dina Gambar 3e,f. Nalika ngabandingkeun hasil ieu sareng komposisi nominal awal Cu50Zr20Ni30 sareng Cu50Zr40Ni10 anu didaptarkeun dina Tabel 1, tiasa katingali yén komposisi dua produk ahir ieu gaduh nilai anu sami pisan sareng komposisi nominal. Salajengna, nilai komponén relatif pikeun daérah anu didaptarkeun dina Gambar 3e,f henteu nunjukkeun deteriorasi atanapi fluktuasi 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 homogen, sapertos anu dipidangkeun dina Tabel 2.
Mikrograf FE-SEM tina produk ahir bubuk 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 panggilingan ieu, agregat bubuk kusabab pangaruh van der Waals, ngahasilkeun formasi agregat ageung anu diwangun ku partikel ultrafine kalayan diaméter mimitian ti 73 dugi ka 126 nm, sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 4.
Ciri morfologis bubuk Cu50(Zr50−xNix) anu diala saatos waktos MA 50 jam. Pikeun sistem Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40, gambar FE-SEM tina bubuk anu diala saatos 50 waktos MA dipidangkeun dina (a), (b), (c) sareng (d), masing-masing.
Sateuacan ngamuat bubuk kana wadah semprot tiis, 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 anu sering nyababkeun seueur masalah anu signifikan sapanjang prosés palapis. Saatos prosés MA réngsé, karakterisasi salajengna dilaksanakeun pikeun nalungtik homogenitas bubuk paduan. Gambar 5a–d nunjukkeun mikrograf FE-SEM sareng gambar EDS anu saluyu tina unsur paduan Cu, Zr sareng Ni tina paduan Cu50Zr30Ni20 anu diala saatos 50 jam waktos M, masing-masing. Perlu dicatet yén bubuk paduan anu dihasilkeun saatos léngkah ieu homogen sabab henteu nunjukkeun fluktuasi komposisi saluareun tingkat sub-nanometer, sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 5.
Morfologi sareng distribusi unsur lokal bubuk MG Cu50Zr30Ni20 anu diala saatos 50 kali MA ku spéktroskopi sinar-X dispersif FE-SEM/énergi (EDS).(a) Pemetaan SEM sareng EDS sinar-X tina (b) gambar Cu-Kα, (c) Zr-Lα sareng (d) Ni-Kα.
Pola XRD tina bubuk Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30 sareng Cu50Zr20Ni30 anu dihijikeun sacara mékanis anu diala saatos waktos MA 50 jam dipidangkeun dina Gambar 6a–d, masing-masing. Saatos tahap panggilingan ieu, sadaya sampel kalayan konsentrasi Zr anu béda-béda nunjukkeun struktur amorf kalayan pola difusi halo anu khas dipidangkeun dina Gambar 6.
Pola XRD tina (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 sareng (d) bubuk Cu50Zr20Ni30 saatos waktos MA 50 jam. Sadaya sampel tanpa pengecualian nunjukkeun pola difusi halo, anu nunjukkeun formasi fase amorf.
Mikroskopi éléktron transmisi résolusi luhur émisi lapangan (FE-HRTEM) dianggo pikeun niténan parobahan struktural sareng ngartos struktur lokal bubuk anu dihasilkeun tina panggilingan bal dina waktos MA anu béda. Gambar FE-HRTEM tina bubuk anu diala saatos tahapan panggilingan awal (6 jam) sareng panengah (18 jam) pikeun bubuk Cu50Zr30Ni20 sareng Cu50Zr40Ni10 dipidangkeun dina Gambar 7a,c, masing-masing. Numutkeun gambar lapangan caang (BFI) tina bubuk anu dihasilkeun saatos MA​​ 6 jam, bubuk diwangun ku sisikian ageung kalayan wates anu ditetepkeun kalayan saé tina unsur fcc-Cu, hcp-Zr sareng fcc-Ni, sareng teu aya tanda yén fase réaksi parantos kabentuk, sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 7a. Salajengna, pola difraksi daérah anu dipilih sacara berkorelasi (SADP) anu dicandak tina daérah tengah (a) ngungkabkeun pola difraksi cusp (Gambar 7b), nunjukkeun ayana kristalit ageung sareng henteuna fase réaktif.
Karakterisasi struktural lokal bubuk MA anu diala saatos tahapan awal (6 jam) sareng panengah (18 jam). (a) Mikroskopi éléktron transmisi résolusi luhur émisi lapangan (FE-HRTEM), sareng (b) pola difraksi daérah anu dipilih (SADP) tina bubuk Cu50Zr30Ni20 saatos perlakuan MA salami 6 jam. Gambar FE-HRTEM tina Cu50Zr40Ni10 anu diala saatos waktos MA 18 jam dipidangkeun dina (c).
Sakumaha anu dipidangkeun dina Gambar 7c, manjangkeun durasi MA dugi ka 18 jam nyababkeun cacad kisi anu parah digabungkeun sareng deformasi plastik. Salila tahap panengah tina prosés MA ieu, bubuk nunjukkeun rupa-rupa cacad, kalebet cacad susun, cacad kisi, sareng cacad titik (Gambar 7). Cacat ieu nyababkeun sisikian ageung beulah sapanjang wates sisikianna kana subsisikian kalayan ukuran kirang ti 20 nm (Gambar 7c).
Struktur lokal bubuk Cu50Z30Ni20 anu digiling salami 36 jam waktos MA ngagaduhan formasi nanograin ultrahalus anu dipasang dina matriks halus amorf, sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 8a. Analisis EDS lokal nunjukkeun yén nanocluster anu dipidangkeun dina Gambar 8a aya hubunganana sareng unsur paduan bubuk Cu, Zr sareng Ni anu teu diolah. Dina waktos anu sami, eusi Cu dina matriks fluktuasi ti ~32 at.% (daérah lean) dugi ka ~74 at.% (daérah beunghar), nunjukkeun formasi produk hétérogén. Salajengna, SADP anu saluyu tina bubuk anu diala saatos digiling dina tahap ieu nunjukkeun cincin primér sareng sekundér anu difusi halo tina fase amorf, tumpang tindih sareng titik seukeut anu aya hubunganana sareng unsur paduan atah éta, sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 8b.
Salian ti fitur struktural lokal nanoskala bubuk 36 h-Cu50Zr30Ni20.(a) Gambar widang caang (BFI) sareng (b) SADP bubuk Cu50Zr30Ni20 anu saluyu saatos digiling salami 36 jam waktos MA.
Deukeut ahir prosés MA (50 jam), bubuk Cu50(Zr50−xNix), X; 10, 20, 30 jeung 40 at.% salawasna mibanda morfologi fase amorf labirin sakumaha anu dipidangkeun dina Gambar 9a–d. Dina SADP anu saluyu pikeun unggal komposisi, boh difraksi kawas titik boh pola annular anu seukeut teu bisa dideteksi. Ieu nunjukkeun yén teu aya logam kristalin anu teu diprosés, tapi bubuk paduan amorf kabentuk. 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 MG Cu50 (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.
Stabilitas termal suhu transisi kaca (Tg), daérah cairan anu didinginkan (ΔTx) sareng suhu kristalisasi (Tx) salaku fungsi eusi Ni (x) tina sistem Cu50(Zr50−xNix) amorf parantos ditalungtik nganggo Kalorimetri scanning diferensial (DSC) tina sipat-sipat dina aliran gas He. Retakan DSC tina bubuk paduan amorf Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20 sareng Cu50Zr10Ni40 anu diala saatos waktos MA 50 jam dipidangkeun dina Gambar 10a, b, e, masing-masing. Sedengkeun kurva DSC tina Cu50Zr20Ni30 amorf dipidangkeun sacara misah dina Gambar 10c. Samentawis éta, sampel Cu50Zr30Ni20 anu dipanaskeun dugi ka ~700 °C dina DSC dipidangkeun dina Gambar 10d.
Stabilitas termal bubuk Cu50(Zr50−xNix) MG anu diala saatos waktos MA 50 jam, sakumaha anu diindeks ku suhu transisi gelas (Tg), suhu kristalisasi (Tx), sareng daérah cairan anu didinginkan (ΔTx). Termogram kalorimeter scanning diferensial (DSC) tina (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 sareng (e) bubuk paduan Cu50Zr10Ni40 MG saatos waktos MA 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 sadaya komposisi kalayan konsentrasi Ni anu béda (x) nunjukkeun dua kasus anu béda, hiji éndotérmik sareng anu sanésna éksotérmik. Kajadian éndotérmik anu munggaran pakait sareng Tg, sedengkeun anu kadua aya hubunganana 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), disimpen dina suhu 526°C sareng 612°C, mindahkeun eusi (x) ka 20 at.% nuju sisi suhu handap 482°C sareng 563°C kalayan ningkatna eusi Ni (x), masing-masing, sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 10b. Akibatna, ΔTx Cu50Zr40Ni10 turun tina 86°C (Gambar 10a) ka 81°C pikeun Cu50Zr30Ni20 (Gambar 1). 10b). Pikeun paduan MG Cu50Zr40Ni10, ogé katingali yén nilai Tg, Tx sareng ΔTx turun ka tingkat 447°C, 526°C sareng 79°C (Gambar 10b). Ieu nunjukkeun yén paningkatan eusi Ni nyababkeun panurunan stabilitas termal paduan MG. Sabalikna, nilai Tg (507 °C) tina paduan MG Cu50Zr20Ni30 langkung handap tibatan paduan MG Cu50Zr40Ni10; sanaos kitu, Tx-na nunjukkeun nilai anu sami sareng anu sateuacanna (612 °C). Ku alatan éta, ΔTx nunjukkeun nilai anu langkung luhur (87°C), sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 10c.
Sistem MG Cu50(Zr50−xNix), nganggo paduan MG Cu50Zr20Ni30 salaku conto, ngakristal ngaliwatan puncak éksotérmik anu seukeut kana fase kristal fcc-ZrCu5, ortorombik-Zr7Cu10 sareng ortorombik-ZrNi (Gambar 10c). Transisi fase amorf ka kristalin ieu dikonfirmasi ku XRD tina sampel MG (Gambar 10d), anu dipanaskeun dugi ka 700 °C dina DSC.
Gambar 11 nunjukkeun poto-poto anu dicandak nalika prosés semprot tiis anu dilaksanakeun dina karya ayeuna. Dina panilitian ieu, partikel bubuk logam sapertos gelas anu disintésis saatos waktos MA 50 jam (nyandak Cu50Zr20Ni30 salaku conto) dianggo salaku bahan baku antibakteri, sareng pelat stainless steel (SUS304) dilapis ku téknologi semprot tiis. Métode semprot tiis dipilih pikeun palapis dina séri téknologi semprot termal sabab éta mangrupikeun metode anu paling efisien dina séri semprot termal sareng tiasa dianggo pikeun bahan logam anu sénsitip kana suhu métastable sapertos bubuk amorf sareng nanokristalin, anu henteu tunduk kana transisi fase. Ieu mangrupikeun faktor utama dina milih metode ieu. Prosés semprot tiis dilaksanakeun ku cara ngamangpaatkeun partikel kecepatan tinggi anu ngarobih énergi kinétik partikel kana deformasi plastik, galur sareng panas nalika tabrakan sareng substrat atanapi partikel anu sateuacanna disimpen.
Poto lapangan nunjukkeun prosedur semprot tiis anu dianggo pikeun lima persiapan palapis MG/SUS 304 dina suhu 550 °C.
Énergi kinétik partikel, sareng ku kituna moméntum unggal partikel dina formasi palapis, kedah dirobih janten bentuk énergi sanés ngalangkungan mékanisme sapertos deformasi plastik (interaksi awal partikel sareng partikel-partikel dina interaksi substrat sareng partikel), konsolidasi rongga, rotasi partikel-partikel, galur sareng pamustunganana panas 39. Salajengna, upami henteu sadaya énergi kinétik anu lebet dirobih janten énergi panas sareng galur, hasilna nyaéta tabrakan élastis, anu hartosna partikel ngan saukur mantul deui saatos tabrakan. Parantos dititénan yén 90% énergi dampak anu diterapkeun kana bahan partikel/substrat dirobih janten panas lokal 40. Salajengna, nalika setrés dampak diterapkeun, laju galur plastik anu luhur kahontal di daérah partikel/substrat kontak dina waktos anu singget pisan 41,42.
Deformasi plastik umumna dianggap salaku prosés disipasi énergi, atanapi langkung spésifikna, sumber panas di daérah antarmuka. Nanging, kanaékan suhu di daérah antarmuka biasana henteu cekap pikeun ngahasilkeun lebur antarmuka atanapi pikeun ningkatkeun interdifusi atom sacara signifikan. Teu aya publikasi anu dipikanyaho ku panulis anu nalungtik pangaruh sipat bubuk kaca logam ieu kana adhesi sareng déposisi bubuk anu lumangsung nalika metode semprot tiis dianggo.
BFI bubuk paduan MG Cu50Zr20Ni30 tiasa ditingali dina Gambar 12a, anu dilapis 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 tambahan, sapertos anu disarankeun ku nanopartikel anu dilebetkeun kana matriks bubuk anu dilapis MG (Gambar 12a). Gambar 12c ngagambarkeun pola difraksi nanobeam anu diindeks (NBDP) anu aya hubunganana sareng daérah I (Gambar 12a). Sakumaha anu dipidangkeun dina Gambar 12c, NBDP nunjukkeun pola difusi halo anu lemah tina struktur amorf sareng aya babarengan sareng tambalan seukeut anu saluyu sareng fase metastabil Zr2Ni kubik ageung kristalin ditambah fase CuO tetragonal. Pembentukan CuO tiasa disababkeun ku oksidasi bubuk nalika ngarambat tina nozzle pistol semprot ka SUS 304 dina hawa kabuka dina aliran supersonik. Di sisi séjén, dévitrifikasi bubuk kaca logam ngahontal formasi fase kubik ageung saatos perlakuan semprot tiis dina suhu 550 °C salami 30 menit.
(a) Gambar FE-HRTEM tina bubuk MG anu dilapis dina (b) substrat SUS 304 (sisipan gambar). Indéks NBDP tina simbol bunderan anu dipidangkeun dina (a) dipidangkeun dina (c).
Pikeun mastikeun mékanisme poténsial ieu pikeun ngabentuk nanopartikel Zr2Ni kubik ageung, hiji ékspérimén mandiri dilaksanakeun. Dina ékspérimén ieu, bubuk disemprot tina pistol semprot dina suhu 550 °C ka arah substrat SUS 304; kumaha oge, pikeun ngajelaskeun pangaruh annealing tina bubuk, éta dipiceun tina strip SUS304 gancang-gancang (sakitar 60 detik). Sakumpulan ékspérimén anu sanés dilaksanakeun dimana bubuk dipiceun tina substrat sakitar 180 detik saatos déposisi.
Gambar 13a, b nunjukkeun gambar medan poék (DFI) anu diala ku mikroskop éléktron transmisi scanning (STEM) tina dua bahan anu disemprot anu diendapkeun dina substrat SUS 304 salami 60 detik sareng 180 detik, masing-masing. Gambar bubuk anu diendapkeun salami 60 detik teu gaduh detil morfologis, nunjukkeun fitur anu teu aya (Gambar 13a). Ieu ogé dikonfirmasi ku XRD, anu nunjukkeun yén struktur umum bubuk ieu amorf, sakumaha anu dituduhkeun ku maksima difraksi primér sareng sekundér anu lega anu dipidangkeun dina Gambar 14a. Ieu nunjukkeun henteuna présipitasi métastable/mésofase, dimana bubuk nahan struktur amorf aslina. Sabalikna, bubuk anu disemprot dina suhu anu sami (550 °C), tapi ditinggalkeun dina substrat salami 180 detik, nunjukkeun présipitasi séréal ukuran nano, sakumaha anu dituduhkeun ku panah dina Gambar 13b.