Cảm ơn bạn đã ghé thăm Nature.com. Phiên bản trình duyệt bạn đang sử dụng có hỗ trợ CSS hạn chế. Để có trải nghiệm tốt nhất, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng trình duyệt đã cập nhật (hoặc tắt Chế độ tương thích trong Internet Explorer). Trong thời gian chờ đợi, để đảm bảo hỗ trợ liên tục, chúng tôi sẽ hiển thị trang web mà không có kiểu dáng và JavaScript.
Màng sinh học là thành phần quan trọng trong quá trình phát triển các bệnh nhiễm trùng mãn tính, đặc biệt là khi nói đến các thiết bị y tế. Vấn đề này đặt ra một thách thức lớn đối với cộng đồng y tế, vì các loại kháng sinh thông thường chỉ có thể tiêu diệt màng sinh học ở mức độ rất hạn chế. Việc ngăn ngừa sự hình thành màng sinh học đã dẫn đến sự phát triển của nhiều phương pháp phủ và vật liệu mới. Các kỹ thuật này nhằm phủ lên bề mặt theo cách ngăn ngừa sự hình thành màng sinh học. Hợp kim kim loại dạng thủy tinh, đặc biệt là hợp kim có chứa kim loại đồng và titan, đã trở thành lớp phủ kháng khuẩn lý tưởng. Đồng thời, việc sử dụng công nghệ phun lạnh đã tăng lên vì đây là phương pháp phù hợp để xử lý các vật liệu nhạy cảm với nhiệt độ. Một phần mục tiêu của nghiên cứu này là phát triển một loại màng thủy tinh kim loại kháng khuẩn mới bao gồm Cu-Zr-Ni ba thành phần bằng cách sử dụng các kỹ thuật hợp kim cơ học. Bột hình cầu tạo nên sản phẩm cuối cùng được sử dụng làm nguyên liệu thô để phun lạnh bề mặt thép không gỉ ở nhiệt độ thấp. Các chất nền phủ thủy tinh kim loại có thể làm giảm đáng kể sự hình thành màng sinh học ít nhất 1 log so với thép không gỉ.
Trong suốt lịch sử loài người, bất kỳ xã hội nào cũng có thể phát triển và thúc đẩy việc đưa vào sử dụng các vật liệu mới để đáp ứng các yêu cầu cụ thể của mình, dẫn đến tăng năng suất và thứ hạng trong nền kinh tế toàn cầu hóa1. Điều này luôn được cho là do khả năng thiết kế vật liệu và thiết bị sản xuất của con người, cũng như thiết kế để sản xuất và mô tả đặc điểm vật liệu nhằm đạt được sức khỏe, giáo dục, công nghiệp, kinh tế, văn hóa và các lĩnh vực khác từ quốc gia hoặc khu vực này sang quốc gia hoặc khu vực khác. Tiến bộ được đo lường bất kể quốc gia hoặc khu vực nào2. Trong 60 năm, các nhà khoa học vật liệu đã dành nhiều thời gian cho một nhiệm vụ chính: tìm kiếm các vật liệu mới và tiên tiến. Nghiên cứu gần đây tập trung vào việc cải thiện chất lượng và hiệu suất của các vật liệu hiện có, cũng như tổng hợp và phát minh ra các loại vật liệu hoàn toàn mới.
Việc bổ sung các nguyên tố hợp kim, sửa đổi cấu trúc vi mô của vật liệu và ứng dụng các phương pháp xử lý nhiệt, cơ học hoặc nhiệt cơ học đã dẫn đến sự cải thiện đáng kể về các tính chất cơ học, hóa học và vật lý của nhiều loại vật liệu khác nhau. Ngoài ra, các hợp chất chưa từng được biết đến trước đây đã được tổng hợp thành công. Những nỗ lực bền bỉ này đã tạo ra một họ vật liệu cải tiến mới được gọi chung là Vật liệu tiên tiến2. Các tinh thể nano, hạt nano, ống nano, chấm lượng tử, thủy tinh kim loại vô định hình không chiều và hợp kim entropy cao chỉ là một số ví dụ về các vật liệu tiên tiến đã xuất hiện trên thế giới kể từ giữa thế kỷ trước. Trong quá trình sản xuất và phát triển các hợp kim mới có các tính chất được cải thiện, cả trong sản phẩm cuối cùng và trong các giai đoạn trung gian của quá trình sản xuất, vấn đề mất cân bằng thường được đưa vào. Do sự ra đời của các kỹ thuật sản xuất mới cho phép độ lệch đáng kể so với trạng thái cân bằng, một loại hợp kim siêu bền hoàn toàn mới, được gọi là thủy tinh kim loại, đã được phát hiện.
Công trình của ông tại Caltech năm 1960 đã cách mạng hóa khái niệm hợp kim kim loại khi ông tổng hợp hợp kim thủy tinh Au-25 tại .% Si bằng cách đông đặc nhanh chất lỏng ở gần một triệu độ mỗi giây. 4 Phát hiện của Giáo sư Paul Duves không chỉ đánh dấu sự khởi đầu của lịch sử thủy tinh kim loại (MS), mà còn dẫn đến sự thay đổi mô hình trong cách mọi người nghĩ về hợp kim kim loại. Kể từ nghiên cứu tiên phong đầu tiên trong quá trình tổng hợp hợp kim MS, hầu như tất cả các loại thủy tinh kim loại đều được thu được hoàn toàn bằng một trong các phương pháp sau: (i) đông đặc nhanh chất nóng chảy hoặc hơi, (ii) rối loạn mạng nguyên tử, (iii) phản ứng vô định hình trạng thái rắn giữa các nguyên tố kim loại nguyên chất và (iv) chuyển pha rắn của các pha bán bền.
MG được phân biệt bởi sự vắng mặt của trật tự nguyên tử tầm xa liên quan đến tinh thể, đây là một đặc điểm xác định của tinh thể. Trong thế giới hiện đại, đã có những tiến bộ lớn trong lĩnh vực thủy tinh kim loại. Đây là những vật liệu mới có các tính chất thú vị không chỉ được quan tâm trong vật lý trạng thái rắn mà còn trong luyện kim, hóa học bề mặt, công nghệ, sinh học và nhiều lĩnh vực khác. Loại vật liệu mới này có các tính chất khác với kim loại cứng, khiến nó trở thành ứng cử viên thú vị cho các ứng dụng công nghệ trong nhiều lĩnh vực. Chúng có một số tính chất quan trọng: (i) độ dẻo cơ học và giới hạn chảy cao, (ii) độ từ thẩm cao, (iii) lực kháng từ thấp, (iv) khả năng chống ăn mòn khác thường, (v) không phụ thuộc vào nhiệt độ. Độ dẫn điện 6.7.
Hợp kim hóa cơ học (MA)1,8 là một phương pháp tương đối mới, lần đầu tiên được giới thiệu vào năm 19839 bởi Giáo sư KK Kok và các đồng nghiệp của ông. Họ đã sản xuất bột Ni60Nb40 vô định hình bằng cách nghiền hỗn hợp các nguyên tố tinh khiết ở nhiệt độ môi trường rất gần với nhiệt độ phòng. Thông thường, phản ứng MA được thực hiện giữa liên kết khuếch tán của bột chất phản ứng trong lò phản ứng, thường được làm bằng thép không gỉ, vào máy nghiền bi. 10 (Hình 1a, b). Kể từ đó, phương pháp phản ứng trạng thái rắn cảm ứng cơ học này đã được sử dụng để chế tạo bột hợp kim thủy tinh kim loại/vô định hình mới bằng cách sử dụng máy nghiền bi và máy nghiền thanh năng lượng thấp (Hình 1c) và năng lượng cao11,12,13,14,15,16. Đặc biệt, phương pháp này đã được sử dụng để chế tạo các hệ thống không trộn lẫn như Cu-Ta17 cũng như các hợp kim có điểm nóng chảy cao như các hệ thống kim loại chuyển tiếp Al (TM, Zr, Hf, Nb và Ta)18,19 và Fe-W20. , không thể thu được bằng các phương pháp nấu ăn thông thường. Ngoài ra, MA được coi là một trong những công cụ công nghệ nano mạnh mẽ nhất để sản xuất quy mô công nghiệp các hạt bột nanocrystalline và nanocomposite của oxit kim loại, cacbua, nitrua, hydrua, ống nano cacbon, nanodiamond, cũng như ổn định rộng bằng cách sử dụng phương pháp tiếp cận từ trên xuống. 1 và các giai đoạn bán ổn định.
Sơ đồ minh họa phương pháp chế tạo được sử dụng để chuẩn bị lớp phủ thủy tinh kim loại Cu50(Zr50-xNix)/SUS 304 trong nghiên cứu này. (a) Chuẩn bị bột hợp kim MC với các nồng độ Ni x khác nhau (x; 10, 20, 30 và 40 at.%) bằng phương pháp nghiền bi năng lượng thấp. (a) Vật liệu đầu vào được nạp vào xi lanh dụng cụ cùng với các bi thép dụng cụ và (b) được niêm phong trong hộp găng tay chứa đầy khí He. (c) Mô hình trong suốt của bình nghiền minh họa chuyển động của bi trong quá trình nghiền. Sản phẩm bột cuối cùng thu được sau 50 giờ được sử dụng để phun phủ lạnh lên chất nền SUS 304 (d).
Khi nói đến bề mặt vật liệu rời (chất nền), kỹ thuật bề mặt liên quan đến việc thiết kế và sửa đổi bề mặt (chất nền) để cung cấp một số tính chất vật lý, hóa học và kỹ thuật nhất định không có trong vật liệu rời ban đầu. Một số tính chất có thể được cải thiện hiệu quả thông qua xử lý bề mặt bao gồm khả năng chống mài mòn, oxy hóa và ăn mòn, hệ số ma sát, tính trơ sinh học, tính chất điện và cách nhiệt, chỉ để nêu một vài ví dụ. Chất lượng bề mặt có thể được cải thiện bằng các phương pháp luyện kim, cơ học hoặc hóa học. Là một quy trình nổi tiếng, lớp phủ được định nghĩa đơn giản là một hoặc nhiều lớp vật liệu được áp dụng nhân tạo lên bề mặt của một vật thể rời (chất nền) được làm từ vật liệu khác. Do đó, lớp phủ được sử dụng một phần để đạt được các tính chất kỹ thuật hoặc trang trí mong muốn, cũng như để bảo vệ vật liệu khỏi các tương tác hóa học và vật lý dự kiến ​​với môi trường23.
Có thể sử dụng nhiều phương pháp và kỹ thuật khác nhau để áp dụng các lớp bảo vệ phù hợp từ vài micromet (dưới 10-20 micromet) đến hơn 30 micromet hoặc thậm chí vài milimét về độ dày. Nhìn chung, các quy trình phủ có thể được chia thành hai loại: (i) phương pháp phủ ướt, bao gồm mạ điện, mạ điện phân và mạ kẽm nhúng nóng, và (ii) phương pháp phủ khô, bao gồm hàn, phủ cứng, lắng đọng hơi vật lý (PVD). ), lắng đọng hơi hóa học (CVD), kỹ thuật phun nhiệt và gần đây hơn là kỹ thuật phun lạnh 24 (Hình 1d).
Màng sinh học được định nghĩa là các cộng đồng vi khuẩn bám chặt vào bề mặt và được bao quanh bởi các polyme ngoại bào tự sản xuất (EPS). Sự hình thành của một màng sinh học trưởng thành bề ngoài có thể dẫn đến tổn thất đáng kể trong nhiều ngành công nghiệp, bao gồm chế biến thực phẩm, hệ thống nước và chăm sóc sức khỏe. Ở người, với sự hình thành của màng sinh học, hơn 80% các trường hợp nhiễm trùng do vi khuẩn (bao gồm Enterobacteriaceae và Staphylococci) rất khó điều trị. Ngoài ra, các màng sinh học trưởng thành đã được báo cáo là có khả năng kháng thuốc kháng sinh cao hơn 1000 lần so với tế bào vi khuẩn phù du, được coi là một thách thức điều trị lớn. Trong lịch sử, vật liệu phủ bề mặt kháng khuẩn có nguồn gốc từ các hợp chất hữu cơ thông thường đã được sử dụng. Mặc dù các vật liệu như vậy thường chứa các thành phần độc hại có khả năng gây hại cho con người,25,26 nhưng điều này có thể giúp tránh sự lây truyền vi khuẩn và sự phân hủy vật liệu.
Khả năng kháng thuốc kháng sinh lan rộng của vi khuẩn do hình thành màng sinh học đã dẫn đến nhu cầu phát triển một bề mặt phủ màng kháng khuẩn hiệu quả có thể được áp dụng an toàn27. Phát triển một bề mặt chống dính vật lý hoặc hóa học mà các tế bào vi khuẩn không thể liên kết và hình thành màng sinh học do bám dính là cách tiếp cận đầu tiên trong quy trình này27. Công nghệ thứ hai là phát triển các lớp phủ cung cấp hóa chất kháng khuẩn chính xác đến nơi cần thiết, với số lượng được cô đặc và phù hợp. Điều này đạt được thông qua việc phát triển các vật liệu phủ độc đáo như graphene/germanium28, kim cương đen29 và lớp phủ carbon giống kim cương pha tạp ZnO30 có khả năng chống vi khuẩn, một công nghệ tối đa hóa sự phát triển của độc tính và khả năng kháng do hình thành màng sinh học. Ngoài ra, các lớp phủ chứa hóa chất diệt khuẩn cung cấp khả năng bảo vệ lâu dài chống lại sự nhiễm khuẩn đang ngày càng trở nên phổ biến. Mặc dù cả ba quy trình đều có khả năng phát huy hoạt động kháng khuẩn trên các bề mặt được phủ, nhưng mỗi quy trình đều có những hạn chế riêng cần được xem xét khi xây dựng chiến lược ứng dụng.
Các sản phẩm hiện có trên thị trường bị cản trở do thiếu thời gian để phân tích và thử nghiệm lớp phủ bảo vệ cho các thành phần hoạt tính sinh học. Các công ty tuyên bố rằng sản phẩm của họ sẽ cung cấp cho người dùng các khía cạnh chức năng mong muốn, tuy nhiên, điều này đã trở thành trở ngại đối với sự thành công của các sản phẩm hiện có trên thị trường. Các hợp chất có nguồn gốc từ bạc được sử dụng trong phần lớn các chất kháng khuẩn hiện có cho người tiêu dùng. Các sản phẩm này được thiết kế để bảo vệ người dùng khỏi nguy cơ tiếp xúc với vi sinh vật có hại. Hiệu ứng kháng khuẩn chậm và độc tính liên quan của các hợp chất bạc làm tăng áp lực buộc các nhà nghiên cứu phải phát triển một giải pháp thay thế ít gây hại hơn36,37. Việc tạo ra một lớp phủ kháng khuẩn toàn cầu có tác dụng cả bên trong và bên ngoài vẫn là một thách thức. Điều này đi kèm với các rủi ro liên quan đến sức khỏe và an toàn. Việc khám phá ra một tác nhân kháng khuẩn ít gây hại hơn cho con người và tìm ra cách kết hợp nó vào các chất nền phủ có thời hạn sử dụng dài hơn là một mục tiêu rất được mong đợi38. Các vật liệu kháng khuẩn và kháng màng sinh học mới nhất được thiết kế để tiêu diệt vi khuẩn ở cự ly gần bằng cách tiếp xúc trực tiếp hoặc sau khi tác nhân hoạt tính được giải phóng. Chúng có thể thực hiện điều này bằng cách ức chế sự bám dính ban đầu của vi khuẩn (bao gồm ngăn chặn sự hình thành lớp protein trên bề mặt) hoặc bằng cách tiêu diệt vi khuẩn bằng cách can thiệp vào thành tế bào.
Về cơ bản, lớp phủ bề mặt là quá trình áp dụng một lớp khác lên bề mặt của một thành phần để cải thiện các đặc tính bề mặt. Mục đích của lớp phủ bề mặt là thay đổi cấu trúc vi mô và/hoặc thành phần của vùng gần bề mặt của một thành phần39. Các phương pháp phủ bề mặt có thể được chia thành các phương pháp khác nhau, được tóm tắt trong Hình 2a. Lớp phủ có thể được chia thành các loại nhiệt, hóa học, vật lý và điện hóa tùy thuộc vào phương pháp được sử dụng để tạo ra lớp phủ.
(a) Một hình chèn cho thấy các kỹ thuật chế tạo bề mặt chính và (b) những ưu điểm và nhược điểm đã chọn của phương pháp phun lạnh.
Công nghệ phun lạnh có nhiều điểm chung với các kỹ thuật phun nhiệt truyền thống. Tuy nhiên, cũng có một số tính chất cơ bản quan trọng khiến quy trình phun lạnh và vật liệu phun lạnh trở nên đặc biệt độc đáo. Công nghệ phun lạnh vẫn còn trong giai đoạn sơ khai, nhưng nó có tương lai tươi sáng. Trong một số trường hợp, các tính chất độc đáo của phun lạnh mang lại lợi ích to lớn, khắc phục những hạn chế của các kỹ thuật phun nhiệt thông thường. Nó khắc phục những hạn chế đáng kể của công nghệ phun nhiệt truyền thống, trong đó bột phải được nấu chảy để lắng đọng trên chất nền. Rõ ràng, quy trình phủ truyền thống này không phù hợp với các vật liệu rất nhạy cảm với nhiệt độ như tinh thể nano, hạt nano, thủy tinh vô định hình và kim loại40, 41, 42. Ngoài ra, vật liệu phủ phun nhiệt luôn có độ xốp và oxit cao. Công nghệ phun lạnh có nhiều ưu điểm đáng kể so với công nghệ phun nhiệt, chẳng hạn như (i) lượng nhiệt đầu vào tối thiểu cho chất nền, (ii) tính linh hoạt trong việc lựa chọn lớp phủ chất nền, (iii) không chuyển pha và phát triển hạt, (iv) cường độ bám dính cao1 .39 (Hình 2b). Ngoài ra, vật liệu phủ phun lạnh có khả năng chống ăn mòn cao, độ bền và độ cứng cao, độ dẫn điện cao và mật độ cao41. Mặc dù có những ưu điểm của quy trình phun lạnh, phương pháp này vẫn có một số nhược điểm, như thể hiện trong Hình 2b. Khi phủ bột gốm nguyên chất như Al2O3, TiO2, ZrO2, WC, v.v., phương pháp phun lạnh không thể sử dụng được. Mặt khác, bột gốm/kim loại composite có thể được sử dụng làm nguyên liệu thô để phủ. Tương tự như vậy đối với các phương pháp phun nhiệt khác. Các bề mặt khó và bên trong đường ống vẫn khó phun.
Xem xét rằng công trình hiện tại hướng đến việc sử dụng bột thủy tinh kim loại làm vật liệu đầu vào cho lớp phủ, rõ ràng là phun nhiệt thông thường không thể được sử dụng cho mục đích này. Điều này là do thực tế là bột thủy tinh kim loại kết tinh ở nhiệt độ cao1.
Hầu hết các dụng cụ được sử dụng trong ngành y tế và thực phẩm đều được làm từ hợp kim thép không gỉ austenit (SUS316 và SUS304) có hàm lượng crom từ 12 đến 20 wt.% để sản xuất dụng cụ phẫu thuật. Người ta thường chấp nhận rằng việc sử dụng kim loại crom làm nguyên tố hợp kim trong hợp kim thép có thể cải thiện đáng kể khả năng chống ăn mòn của hợp kim thép tiêu chuẩn. Hợp kim thép không gỉ, mặc dù có khả năng chống ăn mòn cao, nhưng không có đặc tính kháng khuẩn đáng kể38,39. Điều này trái ngược với khả năng chống ăn mòn cao của chúng. Sau đó, có thể dự đoán sự phát triển của nhiễm trùng và viêm, chủ yếu là do vi khuẩn bám dính và xâm chiếm bề mặt vật liệu sinh học bằng thép không gỉ. Có thể phát sinh những khó khăn đáng kể do những khó khăn đáng kể liên quan đến con đường bám dính của vi khuẩn và hình thành màng sinh học, có thể dẫn đến sức khỏe kém, có thể gây ra nhiều hậu quả có thể ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp đến sức khỏe con người.
Nghiên cứu này là giai đoạn đầu tiên của một dự án do Quỹ Kuwait vì sự tiến bộ của khoa học (KFAS) tài trợ, hợp đồng số 2010-550401, nhằm nghiên cứu tính khả thi của việc sản xuất bột ba thành phần Cu-Zr-Ni dạng thủy tinh kim loại bằng công nghệ MA (bảng). 1) Để sản xuất màng/lớp phủ bảo vệ bề mặt kháng khuẩn SUS304. Giai đoạn thứ hai của dự án, dự kiến ​​bắt đầu vào tháng 1 năm 2023, sẽ nghiên cứu chi tiết các đặc tính ăn mòn điện hóa và các tính chất cơ học của hệ thống. Các thử nghiệm vi sinh chi tiết đối với nhiều loại vi khuẩn khác nhau sẽ được thực hiện.
Bài viết này thảo luận về tác động của hàm lượng hợp kim Zr lên khả năng tạo hình thủy tinh (GFA) dựa trên các đặc điểm hình thái và cấu trúc. Ngoài ra, các đặc tính kháng khuẩn của vật liệu composite thủy tinh kim loại/SUS304 phủ bột cũng được thảo luận. Ngoài ra, công việc đang được tiến hành để nghiên cứu khả năng biến đổi cấu trúc của bột thủy tinh kim loại xảy ra trong quá trình phun lạnh trong vùng chất lỏng siêu lạnh của các hệ thống thủy tinh kim loại chế tạo. Hợp kim thủy tinh kim loại Cu50Zr30Ni20 và Cu50Zr20Ni30 được sử dụng làm ví dụ tiêu biểu trong nghiên cứu này.
Phần này trình bày những thay đổi về hình thái trong bột của các nguyên tố Cu, Zr và Ni trong quá trình nghiền bi năng lượng thấp. Hai hệ thống khác nhau bao gồm Cu50Zr20Ni30 và Cu50Zr40Ni10 sẽ được sử dụng làm ví dụ minh họa. Quá trình MA có thể được chia thành ba giai đoạn riêng biệt, như được chứng minh bằng đặc điểm kim loại học của bột thu được trong giai đoạn nghiền (Hình 3).
Đặc điểm kim loại học của bột hợp kim cơ học (MA) thu được sau nhiều giai đoạn nghiền bi. Hình ảnh kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM) của bột MA và Cu50Zr40Ni10 thu được sau khi nghiền bi năng lượng thấp trong 3, 12 và 50 giờ được thể hiện trong (a), (c) và (e) đối với hệ thống Cu50Zr20Ni30, trong khi trên cùng một MA. Hình ảnh tương ứng của hệ thống Cu50Zr40Ni10 chụp sau thời gian được thể hiện trong (b), (d) và (f).
Trong quá trình nghiền bi, động năng hiệu dụng có thể truyền đến bột kim loại bị ảnh hưởng bởi sự kết hợp của các thông số, như thể hiện trong Hình 1a. Điều này bao gồm va chạm giữa bi và bột, lực nén cắt của bột bị kẹt giữa hoặc giữa các vật liệu nghiền, tác động từ bi rơi, lực cắt và mài mòn do lực kéo bột giữa các vật thể chuyển động của máy nghiền bi và sóng xung kích đi qua các bi rơi lan truyền qua môi trường nuôi cấy có tải (Hình 1a). Элементарные порошки Cu, Zr и Ni были сильно деформированы из-за холодной сварки на ранней стадии МА (3 ч), что привело к образованию крупных частиц порошка (> 1 mm trong thời gian ngắn). Bột nguyên tố Cu, Zr và Ni bị biến dạng nghiêm trọng do hàn nguội ở giai đoạn đầu của MA (3 giờ), dẫn đến hình thành các hạt bột lớn (đường kính > 1 mm).Các hạt composite lớn này được đặc trưng bởi sự hình thành các lớp dày của các nguyên tố hợp kim (Cu, Zr, Ni), như thể hiện trong hình 3a, b. Việc tăng thời gian MA lên 12 giờ (giai đoạn trung gian) dẫn đến sự gia tăng động năng của máy nghiền bi, dẫn đến sự phân hủy bột composite thành các loại bột nhỏ hơn (nhỏ hơn 200 μm), như thể hiện trong Hình 3c, thành phố. Ở giai đoạn này, lực cắt được áp dụng dẫn đến sự hình thành bề mặt kim loại mới với các lớp Cu, Zr, Ni mỏng, như thể hiện trong Hình 3c, d. Do quá trình nghiền các lớp tại giao diện của các mảnh, các phản ứng pha rắn xảy ra với sự hình thành các pha mới.
Vào thời điểm đỉnh điểm của quá trình MA (sau 50 giờ), kim loại học dạng vảy hầu như không đáng chú ý (Hình 3e, f) và kim loại học dạng gương được quan sát thấy trên bề mặt được đánh bóng của bột. Điều này có nghĩa là quá trình MA đã hoàn tất và một pha phản ứng duy nhất đã được tạo ra. Thành phần nguyên tố của các vùng được chỉ ra trong Hình 3e (I, II, III), f, v, vi) đã được xác định bằng kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM) kết hợp với quang phổ tia X phân tán năng lượng (EDS). (IV).
Trong bảng. 2 nồng độ nguyên tố của các nguyên tố hợp kim được thể hiện dưới dạng phần trăm tổng khối lượng của mỗi vùng được chọn trong hình 3e, f. So sánh các kết quả này với thành phần danh nghĩa ban đầu của Cu50Zr20Ni30 và Cu50Zr40Ni10 được đưa ra trong Bảng 1 cho thấy thành phần của hai sản phẩm cuối cùng này rất gần với thành phần danh nghĩa. Ngoài ra, các giá trị tương đối của các thành phần cho các vùng được liệt kê trong Hình 3e, f không cho thấy sự suy giảm hoặc thay đổi đáng kể trong thành phần của mỗi mẫu từ vùng này sang vùng khác. Điều này được chứng minh bằng thực tế là không có sự thay đổi về thành phần từ vùng này sang vùng khác. Điều này cho thấy sản xuất bột hợp kim đồng nhất như thể hiện trong Bảng 2.
Ảnh chụp FE-SEM của bột sản phẩm cuối cùng Cu50(Zr50-xNix) thu được sau 50 lần MA, như thể hiện trong Hình 4a-d, trong đó x lần lượt là 10, 20, 30 và 40 at.%. Sau bước nghiền này, bột kết tụ do hiệu ứng van der Waals, dẫn đến sự hình thành các kết tụ lớn bao gồm các hạt siêu mịn có đường kính từ 73 đến 126 nm, như thể hiện trong Hình 4.
Đặc điểm hình thái của bột Cu50(Zr50-xNix) thu được sau 50 giờ MA. Đối với các hệ thống Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40, hình ảnh FE-SEM của bột thu được sau 50 MA được hiển thị lần lượt trong (a), (b), (c) và (d).
Trước khi nạp bột vào bộ nạp phun lạnh, đầu tiên chúng được siêu âm trong etanol cấp phân tích trong 15 phút và sau đó sấy khô ở 150° C trong 2 giờ. Bước này phải được thực hiện để chống lại sự kết tụ thành công, thường gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng trong quá trình phủ. Sau khi hoàn tất quá trình MA, các nghiên cứu sâu hơn đã được thực hiện để điều tra tính đồng nhất của bột hợp kim. Trên hình 5a–d hiển thị ảnh chụp vi mô FE-SEM và hình ảnh EDS tương ứng của các nguyên tố hợp kim Cu, Zr và Ni của hợp kim Cu50Zr30Ni20 được chụp sau 50 giờ thời gian M. Cần lưu ý rằng bột hợp kim thu được sau bước này là đồng nhất, vì chúng không biểu hiện bất kỳ biến động thành phần nào vượt quá mức dưới nanomet, như thể hiện trong Hình 5.
Hình thái và sự phân bố cục bộ của các nguyên tố trong bột MG Cu50Zr30Ni20 thu được sau 50 MA bằng phương pháp FE-SEM/Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS). (a) Hình ảnh SEM và EDS tia X của (b) Cu-Kα, (c) Zr-Lα và (d) Ni-Kα.
Các mẫu nhiễu xạ tia X của bột hợp kim cơ học Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30 và Cu50Zr20Ni30 thu được sau 50 giờ MA được thể hiện tương ứng trong Hình 6a–d. Sau giai đoạn nghiền này, tất cả các mẫu có nồng độ Zr khác nhau đều có cấu trúc vô định hình với các mẫu khuếch tán halo đặc trưng được thể hiện trong Hình 6.
Mẫu nhiễu xạ tia X của bột Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c) và Cu50Zr20Ni30 (d) sau MA trong 50 giờ. Một mẫu khuếch tán halo được quan sát thấy trong tất cả các mẫu mà không có ngoại lệ, cho thấy sự hình thành của pha vô định hình.
Kính hiển vi điện tử truyền qua phát xạ trường độ phân giải cao (FE-HRTEM) được sử dụng để quan sát những thay đổi về cấu trúc và hiểu cấu trúc cục bộ của bột thu được từ quá trình nghiền bi ở các thời điểm MA khác nhau. Hình ảnh bột thu được bằng phương pháp FE-HRTEM sau giai đoạn nghiền sớm (6 giờ) và trung gian (18 giờ) bột Cu50Zr30Ni20 và Cu50Zr40Ni10 được thể hiện lần lượt trong Hình 7a. Theo hình ảnh trường sáng (BFI) của bột thu được sau 6 giờ MA, bột bao gồm các hạt lớn với ranh giới được xác định rõ ràng của các nguyên tố fcc-Cu, hcp-Zr và fcc-Ni, và không có dấu hiệu hình thành pha phản ứng, như thể hiện trong Hình 7a. Ngoài ra, một mẫu nhiễu xạ diện tích được chọn tương quan (SADP) lấy từ vùng giữa (a) cho thấy một mẫu nhiễu xạ sắc nét (Hình 7b) cho thấy sự hiện diện của các tinh thể lớn và không có pha phản ứng.
Đặc điểm cấu trúc cục bộ của bột MA thu được sau giai đoạn đầu (6 giờ) và giai đoạn trung gian (18 giờ). (a) Kính hiển vi điện tử truyền phát xạ trường có độ phân giải cao (FE-HRTEM) và (b) nhiễu xạ diện tích được chọn tương ứng (SADP) của bột Cu50Zr30Ni20 sau khi xử lý MA trong 6 giờ. Hình ảnh FE-HRTEM của Cu50Zr40Ni10 thu được sau 18 giờ MA được hiển thị trong (c).
Như thể hiện trong hình 7c, việc tăng thời gian MA lên 18 giờ dẫn đến các khuyết tật mạng nghiêm trọng kết hợp với biến dạng dẻo. Ở giai đoạn trung gian này của quá trình MA, nhiều khuyết tật xuất hiện trong bột, bao gồm các lỗi xếp chồng, khuyết tật mạng và khuyết tật điểm (Hình 7). Những khuyết tật này gây ra sự phân mảnh các hạt lớn dọc theo ranh giới hạt thành các hạt phụ có kích thước nhỏ hơn 20 nm (Hình 7c).
Cấu trúc cục bộ của bột Cu50Z30Ni20 nghiền trong 36 giờ MA được đặc trưng bởi sự hình thành các hạt nano siêu mịn được nhúng trong một ma trận mỏng vô định hình, như thể hiện trong Hình 8a. Phân tích cục bộ EMF cho thấy các cụm nano được thể hiện trong Hình 8a có liên quan đến hợp kim bột Cu, Zr và Ni chưa qua xử lý. Hàm lượng Cu trong ma trận thay đổi từ ~32 at.% (vùng nghèo) đến ~74 at.% (vùng giàu), cho thấy sự hình thành các sản phẩm không đồng nhất. Ngoài ra, các SADP tương ứng của bột thu được sau khi nghiền trong bước này cho thấy các vòng pha vô định hình khuếch tán hào quang sơ cấp và thứ cấp chồng lên nhau với các điểm sắc nhọn liên quan đến các nguyên tố hợp kim chưa qua xử lý này, như thể hiện trong Hình 8b.
Các đặc điểm cấu trúc cục bộ ở quy mô nano của bột Beyond 36 h-Cu50Zr30Ni20. (a) Ảnh trường sáng (BFI) và (b) SADP tương ứng của bột Cu50Zr30Ni20 thu được sau khi nghiền trong 36 giờ MA.
Về cuối quá trình MA (50 giờ), bột Cu50(Zr50-xNix), X, 10, 20, 30 và 40 at.%, không có ngoại lệ, đều có hình thái dạng mê cung của pha vô định hình, như thể hiện trong Hình. Không thể phát hiện thấy nhiễu xạ điểm hay các mẫu hình khuyên sắc nét trong SADS tương ứng của từng thành phần. Điều này chỉ ra sự vắng mặt của kim loại tinh thể chưa qua xử lý, mà đúng hơn là sự hình thành của bột hợp kim vô định hình. Các SADP tương quan này cho thấy các mẫu khuếch tán halo cũng được sử dụng làm bằng chứng cho sự phát triển của các pha vô định hình trong vật liệu sản phẩm cuối cùng.
Cấu trúc cục bộ của sản phẩm cuối cùng của hệ thống Cu50 MS (Zr50-xNix). FE-HRTEM và các mẫu nhiễu xạ nanobeam tương quan (NBDP) của (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 và (d) Cu50Zr10Ni40 thu được sau 50 giờ MA.
Sử dụng phép đo nhiệt lượng quét vi sai, độ ổn định nhiệt của nhiệt độ chuyển thủy tinh (Tg), vùng lỏng siêu lạnh (ΔTx) và nhiệt độ kết tinh (Tx) đã được nghiên cứu tùy thuộc vào hàm lượng Ni (x) trong hệ vô định hình Cu50(Zr50-xNix). Các tính chất (DSC) trong dòng khí He. Đường cong DSC của bột hợp kim vô định hình Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20 và Cu50Zr10Ni40 thu được sau MA trong 50 giờ được thể hiện lần lượt trong Hình 10a, b, e. Trong khi đường cong DSC của Cu50Zr20Ni30 vô định hình được thể hiện riêng trong Hình 10. Trong khi đó, một mẫu Cu50Zr30Ni20 được nung nóng đến ~700°C trong DSC được thể hiện trong Hình 10g.
Độ ổn định nhiệt của bột Cu50(Zr50-xNix) MG thu được sau MA trong 50 giờ được xác định bởi nhiệt độ chuyển thủy tinh (Tg), nhiệt độ kết tinh (Tx) và vùng chất lỏng siêu lạnh (ΔTx). Nhiệt đồ của bột nhiệt lượng kế quét vi sai (DSC) của Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c) và (e) bột hợp kim Cu50Zr10Ni40 MG sau MA trong 50 giờ. Mẫu nhiễu xạ tia X (XRD) của mẫu Cu50Zr30Ni20 được nung nóng đến ~700°C trong DSC được thể hiện trong (d).
Như thể hiện trong Hình 10, các đường cong DSC cho tất cả các thành phần có nồng độ niken khác nhau (x) chỉ ra hai trường hợp khác nhau, một là thu nhiệt và một là tỏa nhiệt. Sự kiện thu nhiệt đầu tiên tương ứng với Tg, và sự kiện thứ hai liên quan đến Tx. Diện tích nhịp ngang tồn tại giữa Tg và Tx được gọi là diện tích chất lỏng dưới nhiệt độ (ΔTx = Tx – Tg). Kết quả cho thấy Tg và Tx của mẫu Cu50Zr40Ni10 (Hình 10a) được đặt ở 526°C và 612°C làm dịch chuyển hàm lượng (x) lên tới 20 ở % về phía nhiệt độ thấp là 482°C và 563°C. °C với hàm lượng Ni (x) tăng dần, tương ứng, như thể hiện trong Hình 10b. Do đó, ΔTx Cu50Zr40Ni10 giảm từ 86°С (Hình 10a) xuống 81°С đối với Cu50Zr30Ni20 (Hình 10b). Đối với hợp kim MC Cu50Zr40Ni10, người ta cũng quan sát thấy giá trị Tg, Tx và ΔTx giảm xuống mức 447°С, 526°С và 79°С (Hình 10b). Điều này chỉ ra rằng việc tăng hàm lượng Ni dẫn đến giảm độ ổn định nhiệt của hợp kim MS. Ngược lại, giá trị Tg (507 °C) của hợp kim MC Cu50Zr20Ni30 thấp hơn giá trị của hợp kim MC Cu50Zr40Ni10; tuy nhiên, Tx của nó cho thấy giá trị tương đương với nó (612 °C). Do đó, ΔTx có giá trị cao hơn (87°C) như thể hiện trong hình. thế kỷ thứ 10
Hệ thống MC Cu50(Zr50-xNix), sử dụng hợp kim MC Cu50Zr20Ni30 làm ví dụ, kết tinh qua một đỉnh tỏa nhiệt sắc nét thành các pha tinh thể fcc-ZrCu5, orthorhombic-Zr7Cu10 và orthorhombic-ZrNi (Hình 10c). Sự chuyển pha này từ vô định hình sang tinh thể đã được xác nhận bằng phân tích nhiễu xạ tia X của mẫu MG (Hình 10d) được nung nóng đến 700 °C trong DSC.
Hình 11 cho thấy các bức ảnh chụp trong quá trình phun lạnh được thực hiện trong công trình hiện tại. Trong nghiên cứu này, các hạt bột thủy tinh kim loại được tổng hợp sau MA trong 50 giờ (ví dụ như sử dụng Cu50Zr20Ni30) được sử dụng làm nguyên liệu kháng khuẩn và một tấm thép không gỉ (SUS304) được phủ phun lạnh. Phương pháp phun lạnh được chọn để phủ trong chuỗi công nghệ phun nhiệt vì đây là phương pháp hiệu quả nhất trong chuỗi công nghệ phun nhiệt, có thể sử dụng cho các vật liệu kim loại nhạy nhiệt bán bền như bột vô định hình và nano tinh thể. Không bị chuyển pha. Đây là yếu tố chính khi lựa chọn phương pháp này. Quá trình lắng đọng lạnh được thực hiện bằng cách sử dụng các hạt có vận tốc cao chuyển đổi động năng của các hạt thành biến dạng dẻo, biến dạng và nhiệt khi va chạm với chất nền hoặc các hạt đã lắng đọng trước đó.
Các bức ảnh chụp thực địa cho thấy quy trình phun lạnh được sử dụng cho năm lần chế tạo liên tiếp của MG/SUS 304 ở nhiệt độ 550°C.
Động năng của các hạt, cũng như động lượng của từng hạt trong quá trình hình thành lớp phủ, phải được chuyển đổi thành các dạng năng lượng khác thông qua các cơ chế như biến dạng dẻo (các hạt chính và tương tác giữa các hạt trong ma trận và tương tác của các hạt), các nút xen kẽ của chất rắn, sự quay giữa các hạt, biến dạng và giới hạn nhiệt 39. Ngoài ra, nếu không phải toàn bộ động năng đi vào được chuyển đổi thành năng lượng nhiệt và năng lượng biến dạng, kết quả sẽ là một va chạm đàn hồi, có nghĩa là các hạt chỉ đơn giản là bật ra sau khi va chạm. Người ta đã lưu ý rằng 90% năng lượng va chạm được áp dụng cho vật liệu hạt/chất nền được chuyển đổi thành nhiệt cục bộ 40. Ngoài ra, khi ứng suất va chạm được áp dụng, tốc độ biến dạng dẻo cao đạt được trong vùng tiếp xúc hạt/chất nền trong thời gian rất ngắn41,42.
Biến dạng dẻo thường được coi là quá trình tiêu tán năng lượng, hay đúng hơn là nguồn nhiệt trong vùng giao diện. Tuy nhiên, sự gia tăng nhiệt độ trong vùng giao diện thường không đủ để xảy ra hiện tượng nóng chảy giao diện hoặc kích thích đáng kể sự khuếch tán lẫn nhau của các nguyên tử. Không có ấn phẩm nào mà tác giả biết đến đã nghiên cứu tác động của các đặc tính của các loại bột thủy tinh kim loại này lên độ bám dính và lắng đọng của bột xảy ra khi sử dụng các kỹ thuật phun lạnh.
Có thể thấy BFI của bột hợp kim MG Cu50Zr20Ni30 trong Hình 12a, được lắng đọng trên nền SUS 304 (Hình 11, 12b). Như có thể thấy từ hình, bột phủ vẫn giữ nguyên cấu trúc vô định hình ban đầu vì chúng có cấu trúc mê cung tinh tế mà không có bất kỳ đặc điểm tinh thể hoặc khuyết tật mạng nào. Mặt khác, hình ảnh cho thấy sự hiện diện của pha lạ, bằng chứng là các hạt nano có trong ma trận bột phủ MG (Hình 12a). Hình 12c cho thấy mẫu nhiễu xạ chùm nano được lập chỉ mục (NBDP) liên quan đến vùng I (Hình 12a). Như thể hiện trong hình 12c, NBDP thể hiện mẫu khuếch tán hào quang yếu của cấu trúc vô định hình và cùng tồn tại với các điểm sắc nét tương ứng với pha Zr2Ni lập phương lớn tinh thể cộng với pha CuO tứ phương. Sự hình thành CuO có thể được giải thích bằng quá trình oxy hóa bột khi di chuyển từ vòi phun của súng phun đến SUS 304 ngoài không khí trong dòng chảy siêu âm. Mặt khác, quá trình tách thủy tinh của bột kim loại dạng thủy tinh dẫn đến sự hình thành các pha khối lớn sau khi xử lý phun lạnh ở 550°C trong 30 phút.
(a) Hình ảnh FE-HRTEM của bột MG lắng đọng trên (b) chất nền SUS 304 (Hình chèn). Chỉ số NBDP của ký hiệu tròn được hiển thị trong (a) được hiển thị trong (c).
Để kiểm tra cơ chế tiềm năng này cho sự hình thành các hạt nano Zr2Ni khối lớn, một thí nghiệm độc lập đã được tiến hành. Trong thí nghiệm này, bột được phun từ một bình phun ở nhiệt độ 550°C theo hướng của chất nền SUS 304; tuy nhiên, để xác định hiệu ứng ủ, bột được lấy ra khỏi dải SUS304 càng nhanh càng tốt (khoảng 60 giây). Một loạt thí nghiệm khác đã được tiến hành trong đó bột được lấy ra khỏi chất nền khoảng 180 giây sau khi ứng dụng.
Hình 13a, b cho thấy hình ảnh trường tối (DFI) của Kính hiển vi điện tử truyền qua quét (STEM) của hai vật liệu phun phủ lên các chất nền SUS 304 trong 60 giây và 180 giây. Hình ảnh bột phủ trong 60 giây thiếu các chi tiết hình thái, cho thấy sự không có đặc điểm (Hình 13a). Điều này cũng được xác nhận bằng XRD, cho thấy cấu trúc tổng thể của các loại bột này là vô định hình, như được chỉ ra bởi các đỉnh nhiễu xạ sơ cấp và thứ cấp rộng được hiển thị trong Hình 14a. Điều này cho thấy sự vắng mặt của các chất kết tủa metastable/mesophase, trong đó bột vẫn giữ nguyên cấu trúc vô định hình ban đầu của nó. Ngược lại, bột được phủ ở cùng nhiệt độ (550°C) nhưng để trên chất nền trong 180 giây cho thấy sự lắng đọng các hạt có kích thước nano, như được thể hiện bằng các mũi tên trong Hình 13b.