Salamat sa pagbisita sa Nature.com. Limitado ang suporta sa CSS sa bersyon ng browser na iyong ginagamit. Para sa pinakamahusay na karanasan, inirerekomenda namin na gumamit ka ng updated na browser (o i-disable ang Compatibility Mode sa Internet Explorer). Samantala, upang matiyak ang patuloy na suporta, ire-render namin ang site nang walang mga style at JavaScript.
Ang mga biofilm ay isang mahalagang bahagi sa pag-unlad ng mga malalang impeksyon, lalo na pagdating sa mga aparatong medikal. Ang problemang ito ay nagpapakita ng isang malaking hamon sa komunidad ng medisina, dahil ang mga karaniwang antibiotic ay maaari lamang sirain ang mga biofilm sa napakaliit na lawak. Ang pag-iwas sa pagbuo ng biofilm ay humantong sa pag-unlad ng iba't ibang mga pamamaraan ng patong at mga bagong materyales. Ang mga pamamaraang ito ay naglalayong pahiran ang mga ibabaw sa paraang pumipigil sa pagbuo ng biofilm. Ang mga vitreous metal alloy, lalo na ang mga naglalaman ng mga metal na tanso at titanium, ay naging mainam na antimicrobial coating. Kasabay nito, ang paggamit ng teknolohiya ng cold spray ay tumaas dahil ito ay isang angkop na pamamaraan para sa pagproseso ng mga materyales na sensitibo sa temperatura. Bahagi ng layunin ng pananaliksik na ito ay ang pagbuo ng isang bagong antibacterial film metallic glass na binubuo ng Cu-Zr-Ni ternary gamit ang mga mechanical alloying techniques. Ang spherical powder na bumubuo sa pangwakas na produkto ay ginagamit bilang hilaw na materyal para sa malamig na pag-spray ng mga ibabaw na hindi kinakalawang na asero sa mababang temperatura. Ang mga substrate na pinahiran ng metal na salamin ay nagawang makabuluhang bawasan ang pagbuo ng biofilm ng hindi bababa sa 1 log kumpara sa hindi kinakalawang na asero.
Sa buong kasaysayan ng tao, nagawa ng anumang lipunan na bumuo at magsulong ng pagpapakilala ng mga bagong materyales upang matugunan ang mga partikular na pangangailangan nito, na nagreresulta sa pagtaas ng produktibidad at ranggo sa isang globalisadong ekonomiya1. Ito ay palaging iniuugnay sa kakayahan ng tao na magdisenyo ng mga materyales at kagamitan sa pagmamanupaktura, pati na rin ang mga disenyo upang gumawa at makilala ang mga materyales upang makamit ang kalusugan, edukasyon, industriya, ekonomiya, kultura at iba pang larangan mula sa isang bansa o rehiyon patungo sa isa pa. Sinusukat ang pag-unlad anuman ang bansa o rehiyon2. Sa loob ng 60 taon, ang mga siyentipiko ng materyales ay naglaan ng maraming oras sa isang pangunahing gawain: ang paghahanap ng mga bago at advanced na materyales. Ang mga kamakailang pananaliksik ay nakatuon sa pagpapabuti ng kalidad at pagganap ng mga umiiral na materyales, pati na rin ang synthesis at pag-imbento ng mga ganap na bagong uri ng materyales.
Ang pagdaragdag ng mga elemento ng haluang metal, ang pagbabago ng microstructure ng materyal at ang aplikasyon ng mga thermal, mechanical o thermomechanical na pamamaraan ng paggamot ay humantong sa isang makabuluhang pagpapabuti sa mekanikal, kemikal at pisikal na mga katangian ng iba't ibang materyales. Bukod pa rito, ang mga compound na hindi pa alam noon ay matagumpay na na-synthesize. Ang mga patuloy na pagsisikap na ito ay nagbigay-daan sa paglitaw ng isang bagong pamilya ng mga makabagong materyales na sama-samang kilala bilang Advanced Materials2. Ang mga nanocrystal, nanoparticle, nanotubes, quantum dots, zero-dimensional, amorphous metallic glasses, at high-entropy alloys ay ilan lamang sa mga halimbawa ng mga advanced na materyales na lumitaw sa mundo mula noong kalagitnaan ng huling siglo. Sa paggawa at pagbuo ng mga bagong haluang metal na may pinahusay na mga katangian, kapwa sa huling produkto at sa mga intermediate na yugto ng produksyon nito, ang problema ng kawalan ng balanse ay madalas na nadaragdagan. Bilang resulta ng pagpapakilala ng mga bagong pamamaraan sa pagmamanupaktura na nagpapahintulot sa mga makabuluhang paglihis mula sa equilibrium, isang buong bagong uri ng metastable alloys, na kilala bilang metallic glasses, ang natuklasan.
Ang kanyang trabaho sa Caltech noong 1960 ay nagpabago sa konsepto ng mga metal alloy nang i-synthesize niya ang Au-25 at.% Si glassy alloys sa pamamagitan ng mabilis na pagtigas ng mga likido sa halos isang milyong digri bawat segundo. 4 Ang pagtuklas ni Propesor Paul Duves ay hindi lamang nagmarka sa simula ng kasaysayan ng metal glasses (MS), kundi humantong din sa isang paradigm shift sa kung paano iniisip ng mga tao ang tungkol sa mga metal alloy. Simula noong pinakaunang pananaliksik sa synthesis ng mga MS alloy, halos lahat ng metalic glasses ay ganap na nakuha gamit ang isa sa mga sumusunod na pamamaraan: (i) mabilis na pagtigas ng natunaw o singaw, (ii) atomic lattice disorder, (iii) mga reaksyon ng solid-state amorphization sa pagitan ng mga purong metal na elemento at (iv) mga solid phase transition ng metastable phase.
Ang mga MG ay nakikilala sa kawalan ng malayuang hanay ng atomikong kaayusan na nauugnay sa mga kristal, na isang natatanging katangian ng mga kristal. Sa modernong mundo, malaking pag-unlad ang nagawa sa larangan ng metalikong salamin. Ito ay mga bagong materyales na may mga kawili-wiling katangian na interesante hindi lamang para sa solid state physics, kundi pati na rin para sa metalurhiya, surface chemistry, teknolohiya, biology, at marami pang ibang larangan. Ang bagong uri ng materyal na ito ay may mga katangiang naiiba sa matitigas na metal, kaya isa itong kawili-wiling kandidato para sa mga teknolohikal na aplikasyon sa iba't ibang larangan. Mayroon silang ilang mahahalagang katangian: (i) mataas na mechanical ductility at yield strength, (ii) mataas na magnetic permeability, (iii) mababang coercivity, (iv) hindi pangkaraniwang resistensya sa kalawang, (v) kalayaan sa temperatura. Konduktibidad 6.7.
Ang mekanikal na pag-alloy (MA)1,8 ay isang medyo bagong pamamaraan, na unang ipinakilala noong 1983 ni Prof. KK Kok at ng kanyang mga kasamahan. Gumawa sila ng mga amorphous na pulbos na Ni60Nb40 sa pamamagitan ng paggiling ng pinaghalong purong elemento sa temperatura ng paligid na napakalapit sa temperatura ng silid. Kadalasan, ang reaksyon ng MA ay isinasagawa sa pagitan ng diffusion bonding ng mga pulbos ng reactant sa isang reactor, na karaniwang gawa sa hindi kinakalawang na asero, papunta sa isang ball mill. 10 (Larawan 1a, b). Simula noon, ang mekanikal na sapilitan na pamamaraan ng solid state reaction na ito ay ginamit upang maghanda ng mga bagong amorphous/metallic glass alloy powder gamit ang mga low (Larawan 1c) at high energy ball mill at rod mill 11,12,13,14,15,16. Sa partikular, ang pamamaraang ito ay ginamit upang maghanda ng mga immiscible system tulad ng Cu-Ta17 pati na rin ang mga high melting point alloy tulad ng Al-transition metal (TM, Zr, Hf, Nb at Ta)18,19 at Fe-W20 system. , na hindi makukuha gamit ang mga kumbensyonal na pamamaraan ng pagluluto. Bukod pa rito, ang MA ay itinuturing na isa sa pinakamalakas na nanotechnological na kagamitan para sa industriyal na produksyon ng nanocrystalline at nanocomposite powder particles ng metal oxides, carbides, nitrides, hydrides, carbon nanotubes, nanodiamonds, pati na rin ang malawak na stabilization gamit ang top-down approach. 1 at metastable stages.
Eskematikong nagpapakita ng paraan ng paggawa na ginamit upang ihanda ang Cu50(Zr50-xNix)/SUS 304 metallic glass coating sa pag-aaral na ito. (a) Paghahanda ng mga pulbos ng MC alloy na may iba't ibang konsentrasyon ng Nix (x; 10, 20, 30, at 40 at.%) gamit ang low-energy ball milling method. (a) Ang panimulang materyal ay ikinakarga sa isang tool cylinder kasama ang mga tool steel balls at (b) isinasara sa isang glove box na puno ng He atmosphere. (c) Transparent na modelo ng grinding vessel na naglalarawan ng paggalaw ng bola habang naggigiling. Ang pangwakas na produktong pulbos na nakuha pagkatapos ng 50 oras ay ginamit upang i-coat ang SUS 304 substrate sa malamig na spray (d).
Pagdating sa mga bulk material surface (substrates), ang surface engineering ay kinabibilangan ng disenyo at pagbabago ng mga surface (substrates) upang makapagbigay ng ilang pisikal, kemikal, at teknikal na katangian na wala sa orihinal na bulk material. Ilan sa mga katangiang maaaring epektibong mapabuti sa pamamagitan ng surface treatment ay kinabibilangan ng abrasion, oxidation at corrosion resistance, coefficient of friction, bioinertness, electrical properties at thermal insulation, ilan lamang ito sa mga halimbawa. Ang kalidad ng surface ay maaaring mapabuti sa pamamagitan ng metalurhiko, mekanikal o kemikal na pamamaraan. Bilang isang kilalang proseso, ang coating ay simpleng binibigyang kahulugan bilang isa o higit pang mga layer ng materyal na artipisyal na inilalapat sa ibabaw ng isang bulk object (substrate) na gawa sa ibang materyal. Kaya, ang mga coating ay ginagamit sa bahagi upang makamit ang ninanais na teknikal o pandekorasyon na mga katangian, pati na rin upang protektahan ang mga materyales mula sa inaasahang kemikal at pisikal na interaksyon sa kapaligiran23.
Maaaring gamitin ang iba't ibang pamamaraan at teknik upang maglagay ng angkop na mga patong na proteksiyon mula sa ilang micrometer (mas mababa sa 10-20 micrometer) hanggang sa mahigit 30 micrometer o kahit ilang milimetro ang kapal. Sa pangkalahatan, ang mga proseso ng patong ay maaaring hatiin sa dalawang kategorya: (i) mga pamamaraan ng wet coating, kabilang ang electroplating, electroplating, at hot dip galvanizing, at (ii) mga pamamaraan ng dry coating, kabilang ang paghihinang, hardfacing, physical vapor deposition (PVD). ), chemical vapor deposition (CVD), mga pamamaraan ng thermal spray, at kamakailan lamang ay ang mga pamamaraan ng cold spray 24 (Larawan 1d).
Ang mga biofilm ay binibigyang kahulugan bilang mga komunidad ng mikrobyo na hindi na mababawi pang nakakabit sa mga ibabaw at napapalibutan ng mga self-produced extracellular polymers (EPS). Ang pagbuo ng isang mababaw na mature na biofilm ay maaaring humantong sa mga malaking pagkalugi sa maraming industriya, kabilang ang pagproseso ng pagkain, mga sistema ng tubig, at pangangalagang pangkalusugan. Sa mga tao, sa pagbuo ng mga biofilm, mahigit 80% ng mga kaso ng mga impeksyon ng mikrobyo (kabilang ang Enterobacteriaceae at Staphylococci) ay mahirap gamutin. Bukod pa rito, ang mga mature na biofilm ay naiulat na 1000 beses na mas lumalaban sa paggamot ng antibiotic kumpara sa mga planktonic bacterial cell, na itinuturing na isang pangunahing hamon sa therapeutic. Ayon sa kasaysayan, ang mga antimicrobial surface coating material na nagmula sa mga karaniwang organic compound ang ginamit. Bagama't ang mga naturang materyales ay kadalasang naglalaman ng mga nakalalasong sangkap na maaaring mapanganib sa mga tao,25,26 makakatulong ito na maiwasan ang pagkalat ng bacteria at pagkasira ng materyal.
Ang malawakang resistensya ng bakterya sa paggamot ng antibiotic dahil sa pagbuo ng biofilm ay humantong sa pangangailangang bumuo ng isang epektibong ibabaw na pinahiran ng antimicrobial membrane na maaaring ligtas na mailapat27. Ang pagbuo ng isang pisikal o kemikal na anti-adhesive na ibabaw kung saan ang mga bacterial cell ay hindi maaaring magbigkis at bumuo ng mga biofilm dahil sa pagdikit ang unang pamamaraan sa prosesong ito27. Ang pangalawang teknolohiya ay ang pagbuo ng mga patong na naghahatid ng mga antimicrobial na kemikal kung saan mismo kinakailangan ang mga ito, sa mataas na konsentrasyon at angkop na dami. Nakakamit ito sa pamamagitan ng pagbuo ng mga natatanging materyales sa patong tulad ng graphene/germanium28, black diamond29 at ZnO30-doped diamond-like carbon coatings na lumalaban sa bakterya, isang teknolohiyang nagpapalaki sa pag-unlad ng toxicity at resistensya dahil sa pagbuo ng biofilm. Bilang karagdagan, ang mga patong na naglalaman ng mga germicidal na kemikal na nagbibigay ng pangmatagalang proteksyon laban sa kontaminasyon ng bakterya ay nagiging lalong popular. Bagama't ang lahat ng tatlong pamamaraan ay may kakayahang magsagawa ng antimicrobial na aktibidad sa mga pinahiran na ibabaw, ang bawat isa ay may sariling hanay ng mga limitasyon na dapat isaalang-alang kapag bumubuo ng isang diskarte sa aplikasyon.
Ang mga produktong kasalukuyang nasa merkado ay nahahadlangan ng kakulangan ng oras upang suriin at subukan ang mga protective coating para sa mga biologically active ingredients. Inaangkin ng mga kumpanya na ang kanilang mga produkto ay magbibigay sa mga gumagamit ng ninanais na functional aspects, gayunpaman, ito ay naging balakid sa tagumpay ng mga produktong kasalukuyang nasa merkado. Ang mga compound na nagmula sa pilak ay ginagamit sa karamihan ng mga antimicrobial na kasalukuyang makukuha ng mga mamimili. Ang mga produktong ito ay idinisenyo upang protektahan ang mga gumagamit mula sa mga potensyal na mapaminsalang pagkakalantad sa mga micro-organism. Ang naantalang antimicrobial effect at ang kaugnay na toxicity ng mga silver compound ay nagpapataas ng pressure sa mga mananaliksik na bumuo ng isang hindi gaanong mapaminsalang alternatibo36,37. Ang paglikha ng isang pandaigdigang antimicrobial coating na gumagana nang maayos at sa labas ay nananatiling isang hamon. Ito ay may kaugnay na mga panganib sa kalusugan at kaligtasan. Ang pagtuklas ng isang antimicrobial agent na hindi gaanong mapaminsalang sa mga tao at pag-alam kung paano ito isasama sa mga coating substrate na may mas mahabang shelf life ay isang layunin na hinahanap38. Ang pinakabagong mga antimicrobial at antibiofilm na materyales ay idinisenyo upang patayin ang bacteria sa malapit na distansya alinman sa pamamagitan ng direktang pakikipag-ugnayan o pagkatapos ng paglabas ng aktibong ahente. Magagawa nila ito sa pamamagitan ng pagpigil sa paunang pagdikit ng bakterya (kabilang ang pagpigil sa pagbuo ng isang patong ng protina sa ibabaw) o sa pamamagitan ng pagpatay sa bakterya sa pamamagitan ng panghihimasok sa dingding ng selula.
Sa esensya, ang surface coating ay ang proseso ng paglalagay ng isa pang layer sa ibabaw ng isang component upang mapabuti ang mga katangian ng ibabaw. Ang layunin ng surface coating ay baguhin ang microstructure at/o komposisyon ng near-surface region ng isang component39. Ang mga pamamaraan ng surface coating ay maaaring hatiin sa iba't ibang pamamaraan, na nakabuod sa Fig. 2a. Ang mga coating ay maaaring hatiin sa thermal, kemikal, pisikal at electrochemical na mga kategorya depende sa pamamaraang ginamit upang likhain ang coating.
(a) Isang inset na nagpapakita ng mga pangunahing pamamaraan ng paggawa ng ibabaw, at (b) mga piling bentahe at disbentahe ng paraan ng cold spray.
Ang teknolohiya ng cold spray ay may malaking pagkakatulad sa mga tradisyonal na pamamaraan ng thermal spray. Gayunpaman, mayroon ding ilang mahahalagang pangunahing katangian na nagpapatangi sa proseso ng cold spray at mga materyales ng cold spray. Ang teknolohiya ng cold spray ay nasa simula pa lamang, ngunit mayroon itong magandang kinabukasan. Sa ilang mga kaso, ang mga natatanging katangian ng cold spraying ay nag-aalok ng malalaking benepisyo, na nalalampasan ang mga limitasyon ng mga kumbensyonal na pamamaraan ng thermal spraying. Nalalampasan nito ang mga makabuluhang limitasyon ng tradisyonal na teknolohiya ng thermal spray, kung saan ang pulbos ay kailangang tunawin upang mailagay sa isang substrate. Malinaw na ang tradisyonal na proseso ng patong na ito ay hindi angkop para sa mga materyales na sensitibo sa temperatura tulad ng mga nanocrystal, nanoparticle, amorphous at metallic glasses40, 41, 42. Bilang karagdagan, ang mga materyales ng thermal spray coating ay palaging may mataas na antas ng porosity at oxides. Ang teknolohiya ng cold spray ay may maraming makabuluhang bentahe kaysa sa teknolohiya ng thermal spray, tulad ng (i) kaunting init na pumapasok sa substrate, (ii) kakayahang umangkop sa pagpili ng patong ng substrate, (iii) walang phase transformation at paglaki ng butil, (iv) mataas na lakas ng pandikit1.39 (Fig. 2b). Bukod pa rito, ang mga materyales sa cold spray coating ay may mataas na resistensya sa kalawang, mataas na lakas at katigasan, mataas na electrical conductivity at mataas na densidad41. Sa kabila ng mga bentahe ng proseso ng cold spray, ang pamamaraang ito ay mayroon pa ring ilang mga disbentaha, tulad ng ipinapakita sa Figure 2b. Kapag nagbabalot ng mga purong ceramic powder tulad ng Al2O3, TiO2, ZrO2, WC, atbp., hindi maaaring gamitin ang cold spray method. Sa kabilang banda, ang mga ceramic/metal composite powder ay maaaring gamitin bilang mga hilaw na materyales para sa mga coating. Ganito rin ang para sa iba pang mga paraan ng thermal spraying. Ang mga mahirap i-spray na ibabaw at loob ng tubo ay mahirap pa ring i-spray.
Kung isasaalang-alang na ang kasalukuyang gawain ay nakatuon sa paggamit ng mga metallic vitreous powder bilang panimulang materyales para sa mga patong, malinaw na ang kumbensyonal na thermal spraying ay hindi maaaring gamitin para sa layuning ito. Ito ay dahil sa ang katunayan na ang mga metallic vitreous powder ay nagkikristal sa mataas na temperatura1.
Karamihan sa mga instrumentong ginagamit sa industriya ng medisina at pagkain ay gawa sa austenitic stainless steel alloys (SUS316 at SUS304) na may chromium content na 12 hanggang 20 wt.% para sa produksyon ng mga instrumentong pang-operasyon. Karaniwang tinatanggap na ang paggamit ng chromium metal bilang isang alloying element sa mga steel alloy ay maaaring makabuluhang mapabuti ang resistensya sa kalawang ng mga karaniwang steel alloy. Ang mga stainless steel alloy, sa kabila ng kanilang mataas na resistensya sa kalawang, ay walang makabuluhang antimicrobial properties38,39. Ito ay kabaligtaran ng kanilang mataas na resistensya sa kalawang. Pagkatapos nito, posibleng mahulaan ang pag-unlad ng impeksyon at pamamaga, na pangunahing dahil sa bacterial adhesion at kolonisasyon sa ibabaw ng mga biomaterial ng stainless steel. Maaaring lumitaw ang mga makabuluhang kahirapan dahil sa mga makabuluhang kahirapan na nauugnay sa bacterial adhesion at mga pathway ng pagbuo ng biofilm, na maaaring humantong sa mahinang kalusugan, na maaaring magkaroon ng maraming kahihinatnan na maaaring direkta o hindi direktang makaapekto sa kalusugan ng tao.
Ang pag-aaral na ito ang unang yugto ng isang proyektong pinondohan ng Kuwait Foundation for the Advancement of Science (KFAS), kontrata blg. 2010-550401, upang siyasatin ang posibilidad ng paggawa ng metalikong mala-salaming Cu-Zr-Ni ternary powders gamit ang teknolohiyang MA (talahanayan). 1) Para sa produksyon ng SUS304 antibacterial surface protection film/coating. Ang ikalawang yugto ng proyekto, na nakatakdang magsimula sa Enero 2023, ay pag-aaralan nang detalyado ang mga katangian ng galvanic corrosion at ang mga mekanikal na katangian ng sistema. Isasagawa ang mga detalyadong microbiological test para sa iba't ibang uri ng bacteria.
Tinatalakay ng artikulong ito ang epekto ng nilalaman ng Zr alloy sa kakayahan sa pagbuo ng salamin (GFA) batay sa mga katangiang morpolohikal at estruktural. Bukod pa rito, tinalakay din ang mga katangiang antibacterial ng powder coated metal glass/SUS304 composite. Bukod pa rito, isinasagawa ang patuloy na pag-aaral upang siyasatin ang posibilidad ng pagbabagong istruktura ng mga pulbos ng metal na salamin na nagaganap sa panahon ng malamig na pag-spray sa sobrang pinalamig na likidong rehiyon ng mga gawa-gawang sistema ng metal na salamin. Ang Cu50Zr30Ni20 at Cu50Zr20Ni30 metallic glass alloys ay ginamit bilang mga kinatawan na halimbawa sa pag-aaral na ito.
Ipinapakita ng bahaging ito ang mga pagbabagong morpolohikal sa mga pulbos ng elemental na Cu, Zr at Ni sa panahon ng low-energy ball milling. Dalawang magkaibang sistema na binubuo ng Cu50Zr20Ni30 at Cu50Zr40Ni10 ang gagamitin bilang mga halimbawa. Ang proseso ng MA ay maaaring hatiin sa tatlong magkakahiwalay na yugto, gaya ng pinatutunayan ng metallographic characterization ng pulbos na nakuha sa yugto ng paggiling (Fig. 3).
Mga katangiang metalograpikal ng mga pulbos ng mga mechanical alloy (MA) na nakuha pagkatapos ng iba't ibang yugto ng paggiling ng bola. Ang mga imahe ng field emission scanning electron microscopy (FE-SEM) ng mga pulbos na MA at Cu50Zr40Ni10 na nakuha pagkatapos ng low energy ball milling sa loob ng 3, 12 at 50 oras ay ipinapakita sa (a), (c) at (e) para sa sistemang Cu50Zr20Ni30, habang nasa parehong MA. Ang mga katumbas na imahe ng sistemang Cu50Zr40Ni10 na kinuha pagkatapos ng oras ay ipinapakita sa (b), (d), at (f).
Sa panahon ng ball milling, ang epektibong kinetic energy na maaaring mailipat sa metal powder ay naaapektuhan ng kombinasyon ng mga parametro, gaya ng ipinapakita sa Fig. 1a. Kabilang dito ang mga banggaan sa pagitan ng mga bola at pulbos, shear compression ng pulbos na naipit sa pagitan o sa pagitan ng grinding media, mga impact mula sa mga bumabagsak na bola, shear at wear na dulot ng powder drag sa pagitan ng mga gumagalaw na katawan ng isang ball mill, at isang shock wave na dumadaan sa mga bumabagsak na bola na kumakalat sa loaded culture (Fig. 1a). Элементарные порошки Cu, Zr и Ni были сильно деформированы из-за холодной сварки на ранней стадии МА (3 ч), лочозок крупных частиц порошка (> 1 мм в диаметре). Ang mga elemental na pulbos na Cu, Zr, at Ni ay lubhang nabago ang hugis dahil sa cold welding sa maagang yugto ng MA (3 oras), na humantong sa pagbuo ng malalaking partikulo ng pulbos (> 1 mm ang diyametro).Ang malalaking composite particle na ito ay nailalarawan sa pamamagitan ng pagbuo ng makakapal na patong ng mga alloying elements (Cu, Zr, Ni), gaya ng ipinapakita sa fig. 3a,b. Ang pagtaas sa oras ng MA sa 12 oras (intermediate stage) ay humantong sa pagtaas ng kinetic energy ng ball mill, na humantong sa pagkabulok ng composite powder sa mas maliliit na pulbos (mas mababa sa 200 μm), gaya ng ipinapakita sa Fig. 3c, city. Sa yugtong ito, ang inilapat na shear force ay humahantong sa pagbuo ng isang bagong metal surface na may manipis na Cu, Zr, Ni hint layers, gaya ng ipinapakita sa Fig. 3c, d. Bilang resulta ng paggiling ng mga layer sa interface ng mga flakes, nagaganap ang mga solid-phase reaction kasabay ng pagbuo ng mga bagong phase.
Sa kasukdulan ng proseso ng MA (pagkatapos ng 50 oras), halos hindi na mapansin ang flake metallography (Fig. 3e, f), at naobserbahan ang mirror metallography sa makintab na ibabaw ng pulbos. Nangangahulugan ito na natapos na ang proseso ng MA at nalikha ang isang yugto ng reaksyon. Ang elemental na komposisyon ng mga rehiyon na ipinahiwatig sa Figs. 3e (I, II, III), f, v, vi) ay natukoy gamit ang field emission scanning electron microscopy (FE-SEM) kasabay ng energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS). (IV).
Sa talahanayan. 2 elementong konsentrasyon ng mga elementong panghaluang metal ang ipinapakita bilang porsyento ng kabuuang masa ng bawat rehiyon na napili sa fig. 3e, f. Ang paghahambing ng mga resultang ito sa mga paunang nominal na komposisyon ng Cu50Zr20Ni30 at Cu50Zr40Ni10 na ibinigay sa Table 1 ay nagpapakita na ang mga komposisyon ng dalawang pangwakas na produktong ito ay napakalapit sa mga nominal na komposisyon. Bukod pa rito, ang mga relatibong halaga ng mga bahagi para sa mga rehiyong nakalista sa Fig. 3e, f ay hindi nagmumungkahi ng makabuluhang pagkasira o pagkakaiba-iba sa komposisyon ng bawat sample mula sa isang rehiyon patungo sa isa pa. Ito ay pinatutunayan ng katotohanan na walang pagbabago sa komposisyon mula sa isang rehiyon patungo sa isa pa. Ipinapahiwatig nito ang produksyon ng mga pare-parehong pulbos ng haluang metal gaya ng ipinapakita sa Table 2.
Ang mga FE-SEM micrograph ng Cu50(Zr50-xNix) na panghuling pulbos ng produkto ay nakuha pagkatapos ng 50 MA times, gaya ng ipinapakita sa Fig. 4a-d, kung saan ang x ay 10, 20, 30 at 40 at.%, ayon sa pagkakabanggit. Pagkatapos ng hakbang na ito ng paggiling, ang pulbos ay nag-iipon dahil sa van der Waals effect, na humahantong sa pagbuo ng malalaking aggregate na binubuo ng mga ultrafine particle na may diameter na 73 hanggang 126 nm, gaya ng ipinapakita sa Figure 4.
Mga katangiang morpolohikal ng mga pulbos na Cu50(Zr50-xNix) na nakuha pagkatapos ng 50-oras na MA. Para sa mga sistemang Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40, ang mga imahe ng FE-SEM ng mga pulbos na nakuha pagkatapos ng 50 MA ay ipinapakita sa (a), (b), (c), at (d), ayon sa pagkakabanggit.
Bago ilagay ang mga pulbos sa cold spray feeder, una itong in-sonicate sa analytical grade ethanol sa loob ng 15 minuto at pagkatapos ay pinatuyo sa 150° C sa loob ng 2 oras. Ang hakbang na ito ay dapat gawin upang matagumpay na labanan ang agglomeration, na kadalasang nagdudulot ng maraming seryosong problema sa proseso ng coating. Pagkatapos makumpleto ang proseso ng MA, isinagawa ang mga karagdagang pag-aaral upang siyasatin ang homogeneity ng mga pulbos ng haluang metal. Sa fig. 5a–d, ipakita ang mga FE-SEM micrograph at mga kaukulang EDS na imahe ng mga elemento ng Cu, Zr at Ni alloying ng Cu50Zr30Ni20 alloy na kinuha pagkatapos ng 50 oras na oras M, ayon sa pagkakabanggit. Dapat tandaan na ang mga pulbos ng haluang metal na nakuha pagkatapos ng hakbang na ito ay homogenous, dahil hindi sila nagpapakita ng anumang pagbabago-bago ng komposisyon na lampas sa antas ng sub-nanometer, tulad ng ipinapakita sa Figure 5.
Morpolohiya at lokal na distribusyon ng mga elemento sa pulbos na MG Cu50Zr30Ni20 na nakuha pagkatapos ng 50 MA sa pamamagitan ng FE-SEM/Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS). (a) SEM at X-ray EDS imaging ng (b) Cu-Kα, (c) Zr-Lα, at (d) Ni-Kα.
Ang mga X-ray diffraction pattern ng mga mekanikal na haluang metal na Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, at Cu50Zr20Ni30 na pulbos na nakuha pagkatapos ng 50-oras na MA ay ipinapakita sa Mga Larawan 6a–d, ayon sa pagkakabanggit. Pagkatapos ng yugtong ito ng paggiling, lahat ng mga sample na may iba't ibang konsentrasyon ng Zr ay may mga amorphous na istruktura na may mga katangiang halo diffusion pattern na ipinapakita sa Larawan 6.
Mga pattern ng X-ray diffraction ng mga pulbos na Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c), at Cu50Zr20Ni30 (d) pagkatapos ng MA sa loob ng 50 oras. Isang pattern ng halo-diffusion ang naobserbahan sa lahat ng mga sample nang walang pagbubukod, na nagpapahiwatig ng pagbuo ng isang amorphous phase.
Ginamit ang high resolution field emission transmission electron microscopy (FE-HRTEM) upang obserbahan ang mga pagbabago sa istruktura at maunawaan ang lokal na istruktura ng mga pulbos na resulta ng ball milling sa iba't ibang oras ng MA. Ang mga imahe ng mga pulbos na nakuha gamit ang pamamaraang FE-HRTEM pagkatapos ng maaga (6 na oras) at intermediate (18 oras) na yugto ng paggiling ng mga pulbos na Cu50Zr30Ni20 at Cu50Zr40Ni10 ay ipinapakita sa Mga Larawan 7a, ayon sa pagkakabanggit. Ayon sa bright-field image (BFI) ng pulbos na nakuha pagkatapos ng 6 na oras ng MA, ang pulbos ay binubuo ng malalaking butil na may malinaw na tinukoy na mga hangganan ng mga elemento ng fcc-Cu, hcp-Zr, at fcc-Ni, at walang mga palatandaan ng pagbuo ng isang yugto ng reaksyon, tulad ng ipinapakita sa Fig. 7a. Bilang karagdagan, ang isang correlated selected area diffraction pattern (SADP) na kinuha mula sa gitnang rehiyon (a) ay nagpakita ng isang matalim na pattern ng diffraction (Larawan 7b) na nagpapahiwatig ng pagkakaroon ng malalaking kristal at kawalan ng isang reactive phase.
Mga lokal na katangiang istruktural ng pulbos ng MA na nakuha pagkatapos ng maaga (6 na oras) at intermediate (18 oras) na mga yugto. (a) High resolution field emission transmission electron microscopy (FE-HRTEM) at (b) kaukulang napiling area diffractogram (SADP) ng pulbos ng Cu50Zr30Ni20 pagkatapos ng paggamot sa MA sa loob ng 6 na oras. Ang imahe ng FE-HRTEM ng Cu50Zr40Ni10 na nakuha pagkatapos ng 18-oras na MA ay ipinapakita sa (c).
Gaya ng ipinapakita sa fig. 7c, ang pagtaas sa tagal ng MA hanggang 18 oras ay humantong sa mga malubhang depekto sa lattice kasabay ng plastic deformation. Sa intermediate na yugtong ito ng proseso ng MA, lumilitaw ang iba't ibang depekto sa pulbos, kabilang ang mga stacking fault, mga depekto sa lattice, at mga depekto sa point (Fig. 7). Ang mga depektong ito ay nagiging sanhi ng pagkapira-piraso ng malalaking butil sa mga hangganan ng butil upang maging mga subgrain na mas maliit sa 20 nm ang laki (Fig. 7c).
Ang lokal na istruktura ng pulbos na Cu50Z30Ni20 na giniling sa loob ng 36 oras na MA ay nailalarawan sa pamamagitan ng pagbuo ng mga ultrafine nanograins na nakabaon sa isang amorphous thin matrix, gaya ng ipinapakita sa Fig. 8a. Ipinakita ng isang lokal na pagsusuri ng EMF na ang mga nanocluster na ipinapakita sa Fig. 8a ay nauugnay sa mga hindi ginagamot na Cu, Zr at Ni powder alloys. Ang nilalaman ng Cu sa matrix ay iba-iba mula ~32 at.% (poor zone) hanggang ~74 ​​at.% (rich zone), na nagpapahiwatig ng pagbuo ng mga heterogeneous na produkto. Bukod pa rito, ang mga kaukulang SADP ng mga pulbos na nakuha pagkatapos ng paggiling sa hakbang na ito ay nagpapakita ng pangunahin at pangalawang halo-diffusion amorphous phase rings na nagpapatong-patong sa mga matutulis na punto na nauugnay sa mga hindi ginagamot na elementong ito ng alloying, gaya ng ipinapakita sa Fig. 8b.
Mga lokal na katangiang istruktural ng nanoscale ng Beyond 36 h-Cu50Zr30Ni20 na pulbos. (a) Imahe ng maliwanag na larangan (BFI) at katumbas na (b) SADP ng pulbos na Cu50Zr30Ni20 na nakuha pagkatapos ng paggiling sa loob ng 36 oras na MA.
Sa pagtatapos ng proseso ng MA (50 oras), ang mga pulbos na Cu50(Zr50-xNix), X, 10, 20, 30, at 40 at.%, nang walang pagbubukod, ay mayroong labyrinthine morphology ng amorphous phase, gaya ng ipinapakita sa Fig. . Hindi matukoy ang point diffraction o ang matatalas na annular pattern sa kaukulang SADS ng bawat komposisyon. Ipinapahiwatig nito ang kawalan ng hindi ginagamot na crystalline metal, kundi ang pagbuo ng isang amorphous alloy powder. Ang mga correlated SADP na ito na nagpapakita ng mga halo diffusion pattern ay ginamit din bilang ebidensya para sa pag-unlad ng mga amorphous phase sa huling materyal ng produkto.
Lokal na istruktura ng pangwakas na produkto ng sistemang Cu50 MS (Zr50-xNix). FE-HRTEM at ang magkakaugnay na mga pattern ng diffraction ng nanobeam (NBDP) ng (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30, at (d) Cu50Zr10Ni40 na nakuha pagkatapos ng 50 oras ng MA.
Gamit ang differential scanning calorimetry, pinag-aralan ang thermal stability ng glass transition temperature (Tg), supercooled liquid region (ΔTx) at crystallization temperature (Tx) depende sa nilalaman ng Ni (x) sa Cu50(Zr50-xNix) amorphous system. (DSC) properties sa He gas flow. Ang mga DSC curve ng mga pulbos ng Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, at Cu50Zr10Ni40 amorphous alloys na nakuha pagkatapos ng MA sa loob ng 50 oras ay ipinapakita sa mga Fig. 10a, b, e, ayon sa pagkakabanggit. Habang ang DSC curve ng amorphous Cu50Zr20Ni30 ay ipinapakita nang hiwalay sa Fig. ika-10 siglo. Samantala, ang isang Cu50Zr30Ni20 sample na pinainit sa ~700°C sa DSC ay ipinapakita sa Fig. 10g.
Ang thermal stability ng mga pulbos na Cu50(Zr50-xNix) MG na nakuha pagkatapos ng MA sa loob ng 50 oras ay natutukoy ng glass transition temperature (Tg), crystallization temperature (Tx) at supercooled liquid region (ΔTx). Ang mga thermogram ng differential scanning calorimeter (DSC) na pulbos ng Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c), at (e) Cu50Zr10Ni40 MG alloy powders pagkatapos ng MA sa loob ng 50 oras. Ang isang X-ray diffraction pattern (XRD) ng isang sample ng Cu50Zr30Ni20 na pinainit sa ~700°C sa DSC ay ipinapakita sa (d).
Gaya ng ipinapakita sa Figure 10, ang mga kurba ng DSC para sa lahat ng komposisyon na may iba't ibang konsentrasyon ng nickel (x) ay nagpapahiwatig ng dalawang magkaibang kaso, ang isa ay endothermic at ang isa ay exothermic. Ang unang endothermic event ay tumutugma sa Tg, at ang pangalawa ay nauugnay sa Tx. Ang pahalang na span area na umiiral sa pagitan ng Tg at Tx ay tinatawag na subcooled liquid area (ΔTx = Tx – Tg). Ipinapakita ng mga resulta na ang Tg at Tx ng Cu50Zr40Ni10 sample (Fig. 10a) na inilagay sa 526°C at 612°C ay naglilipat ng nilalaman (x) hanggang 20 sa % patungo sa mababang bahagi ng temperatura na 482°C at 563°C. °C kasabay ng pagtaas ng nilalaman ng Ni (x), ayon sa pagkakabanggit, gaya ng ipinapakita sa Figure 10b. Dahil dito, ang ΔTx Cu50Zr40Ni10 ay bumababa mula 86°C (Fig. 10a) hanggang 81°C para sa Cu50Zr30Ni20 (Fig. 10b). Para sa MC Cu50Zr40Ni10 alloy, naobserbahan din ang pagbaba sa mga halaga ng Tg, Tx, at ΔTx sa mga antas na 447°C, 526°C, at 79°C (Fig. 10b). Ipinapahiwatig nito na ang pagtaas sa nilalaman ng Ni ay humahantong sa pagbaba sa thermal stability ng MS alloy. Sa kabaligtaran, ang halaga ng Tg (507 °C) ng MC Cu50Zr20Ni30 alloy ay mas mababa kaysa sa MC Cu50Zr40Ni10 alloy; gayunpaman, ang Tx nito ay nagpapakita ng halagang maihahambing dito (612 °C). Samakatuwid, ang ΔTx ay may mas mataas na halaga (87°C) gaya ng ipinapakita sa fig. ika-10 siglo.
Ang sistemang Cu50(Zr50-xNix) MC, gamit ang Cu50Zr20Ni30 MC alloy bilang halimbawa, ay nagkikristal sa pamamagitan ng isang matalas na exothermic peak patungo sa mga crystalline phase na fcc-ZrCu5, orthorhombic-Zr7Cu10, at orthorhombic-ZrNi (Fig. 10c). Ang transisyon ng phase na ito mula amorphous patungo sa crystalline ay nakumpirma ng X-ray diffraction analysis ng MG sample (Fig. 10d) na pinainit sa 700 °C sa DSC.
Sa fig. 11 ay makikita ang mga litratong kuha habang isinasagawa ang proseso ng cold spray sa kasalukuyang gawain. Sa pag-aaral na ito, ang mga metal glassy powder particle na na-synthesize pagkatapos ng MA sa loob ng 50 oras (gamit ang Cu50Zr20Ni30 bilang halimbawa) ay ginamit bilang antibacterial raw material, at isang stainless steel plate (SUS304) ang pinahiran ng cold spray. Ang cold spray method ay pinili para sa patong sa thermal spray technology series dahil ito ang pinakaepektibong paraan sa thermal spray technology series kung saan maaari itong gamitin para sa mga metallic metastable heat sensitive materials tulad ng amorphous at nanocrystalline powders. Hindi napapailalim sa phase transitions. Ito ang pangunahing salik sa pagpili ng pamamaraang ito. Ang proseso ng cold deposition ay isinasagawa gamit ang mga high-velocity particle na nagko-convert ng kinetic energy ng mga particle sa plastic deformation, deformation at init kapag natamaan ng substrate o mga dati nang naidepositong particle.
Ipinapakita ng mga litrato sa field ang pamamaraan ng cold spray na ginamit para sa limang magkakasunod na paghahanda ng MG/SUS 304 sa 550°C.
Ang kinetic energy ng mga particle, pati na rin ang momentum ng bawat particle habang bumubuo ng coating, ay dapat na i-convert sa iba pang anyo ng enerhiya sa pamamagitan ng mga mekanismo tulad ng plastic deformation (mga pangunahing particle at interaksyon sa pagitan ng mga particle sa matrix at mga interaksyon ng mga particle), interstitial knots ng mga solid, rotation sa pagitan ng mga particle, deformation at limiting heating 39. Bukod pa rito, kung hindi lahat ng papasok na kinetic energy ay na-convert sa thermal energy at deformation energy, ang resulta ay isang elastic collision, na nangangahulugang ang mga particle ay basta na lang tumatalbog pagkatapos ng impact. Napansin na 90% ng impact energy na inilalapat sa particle/substrate material ay na-convert sa local heat 40. Bukod pa rito, kapag inilapat ang impact stress, ang mataas na plastic strain rates ay nakakamit sa particle/substrate contact region sa napakaikling panahon 41,42.
Ang plastik na deformasyon ay karaniwang itinuturing na isang proseso ng pagkawala ng enerhiya, o sa halip, bilang isang pinagmumulan ng init sa rehiyon ng interfacial. Gayunpaman, ang pagtaas ng temperatura sa rehiyon ng interfacial ay karaniwang hindi sapat para sa paglitaw ng interfacial na pagkatunaw o makabuluhang pagpapasigla ng mutual na pagsasabog ng mga atomo. Walang publikasyong alam ng mga may-akda ang nag-imbestiga sa epekto ng mga katangian ng mga metallic vitreous powder na ito sa pagdikit at pag-aayos ng pulbos na nangyayari kapag gumagamit ng mga pamamaraan ng cold spray.
Ang BFI ng MG Cu50Zr20Ni30 alloy powder ay makikita sa Fig. 12a, na idineposito sa SUS 304 substrate (Fig. 11, 12b). Gaya ng makikita sa figure, ang mga coated powder ay nananatili sa kanilang orihinal na amorphous structure dahil mayroon silang pinong labyrinth structure nang walang anumang crystalline features o lattice defects. Sa kabilang banda, ang imahe ay nagpapahiwatig ng pagkakaroon ng isang foreign phase, gaya ng pinatutunayan ng mga nanoparticle na kasama sa MG-coated powder matrix (Fig. 12a). Ipinapakita ng Figure 12c ang indexed nanobeam diffraction pattern (NBDP) na nauugnay sa region I (Figure 12a). Gaya ng ipinapakita sa fig. 12c, ang NBDP ay nagpapakita ng mahinang halo-diffusion pattern ng amorphous structure at nabubuhay kasama ang matutulis na batik na katumbas ng isang crystalline large cubic metastable Zr2Ni phase kasama ang isang tetragonal CuO phase. Ang pagbuo ng CuO ay maaaring ipaliwanag sa pamamagitan ng oksihenasyon ng pulbos kapag lumilipat mula sa nozzle ng spray gun patungo sa SUS 304 sa bukas na hangin sa isang supersonic flow. Sa kabilang banda, ang devitrification ng mga metal glassy powder ay nagresulta sa pagbuo ng malalaking cubic phase pagkatapos ng cold spray treatment sa 550°C sa loob ng 30 minuto.
(a) Larawan ng FE-HRTEM ng pulbos ng MG na idineposito sa (b) substrate ng SUS 304 (nakasingit na larawan). Ang indeks ng NBDP ng bilog na simbolo na ipinapakita sa (a) ay ipinapakita sa (c).
Upang masubukan ang potensyal na mekanismong ito para sa pagbuo ng malalaking kubiko na nanoparticle ng Zr2Ni, isang independiyenteng eksperimento ang isinagawa. Sa eksperimentong ito, ang mga pulbos ay inispray mula sa isang atomizer sa 550°C patungo sa substrate ng SUS 304; gayunpaman, upang matukoy ang epekto ng annealing, ang mga pulbos ay inalis mula sa strip ng SUS304 sa lalong madaling panahon (mga 60 segundo). Isa pang serye ng mga eksperimento ang isinagawa kung saan ang pulbos ay inalis mula sa substrate humigit-kumulang 180 segundo pagkatapos ng aplikasyon.
Ipinapakita ng mga Larawan 13a, b ang mga imahe ng Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) dark field (DFI) ng dalawang sputtered na materyales na idineposito sa mga substrate ng SUS 304 sa loob ng 60 segundo at 180 segundo, ayon sa pagkakabanggit. Ang imahe ng pulbos na idineposito sa loob ng 60 segundo ay kulang sa mga detalyeng morpolohikal, na nagpapakita ng kawalan ng katangian (Larawan 13a). Kinumpirma rin ito ng XRD, na nagpakita na ang pangkalahatang istruktura ng mga pulbos na ito ay amorphous, tulad ng ipinahiwatig ng malawak na pangunahin at pangalawang diffraction peak na ipinapakita sa Larawan 14a. Ipinapahiwatig nito ang kawalan ng metastable/mesophase precipitates, kung saan pinapanatili ng pulbos ang orihinal nitong amorphous na istruktura. Sa kabaligtaran, ang pulbos na idineposito sa parehong temperatura (550°C) ngunit iniwan sa substrate sa loob ng 180 segundo ay nagpakita ng deposition ng mga nanosized na butil, tulad ng ipinapakita ng mga arrow sa Larawan 13b.