طراحی ترکیب شیمیایی یک نوع پوشش از آلیاژ چند جزئی بر پایه زیرکونیوم با ساختار شیشه‌ای بر روی زیر لایه فولاد زنگ نزن ۳۱۶ به روش مگنترون اسپاترینگ

الموضوعات :

حسین شفیعی ¹ , امیر سیف‌الدینی ² , سعید حسنی ³ , علی عبیداوی ⁴

1 - دانشکده مهندسی معدن و متالورژی، دانشگاه یزد.
2 - دانشکده مهندسی معدن و متالورژی، دانشگاه یزد.
3 - دانشکده مهندسی معدن و متالورژی، دانشگاه یزد.
4 - دانشکده مهندسی مواد، دانشگاه صنعتی اصفهان.

تاريخ الإرسال : 18 الأربعاء , محرم, 1446 تاريخ التأكيد : 27 السبت , صفر, 1446 تاريخ الإصدار : 02 الأربعاء , ذو القعدة, 1446

الکلمات المفتاحية: لایه‌ نازک شیشه‌های فلزی فولاد زنگ نزن ۳۱۶ ساختار آمورف,

ملخص المقالة :

اعمال پوشش‌هایی با ساختار آمورف بر روی ابزارها و تجهیزات پزشکی می‌تواند باعث بهبود رفتار زیست سازگاری آنها گردد. یکی از این پوشش‌ها، پوشش‌های لایه‌نازک شیشه فلزی پایه زیرکونیوم می‌باشد. هدف از انجام این پژوهش طراحی یک آلیاژ جدید هفت جزئی با ساختار شیشه‌ای بر پایه زیرکونیوم و اعمال آن بر روی فولاد زنگ نزن ۳۱۶ (مورداستفاده برای ابزارهای جراحی) می‌باشد. مطالعات نشان می‌دهد عناصری همچون مس و نقره و حتی آلومینیوم در این ساختار شیشه‌ای باعث ایجاد خاصیت آنتی باکتریال، کروم باعث افرایش مقاومت به خوردگی و سیلیسیم و بور باعث افزایش تمایل به آمورف شدن ساختار می‌گردند. پس از بررسی‌های ترمودینامیکی در زمینه پیش‌بینی امکان آمورف شدن ساختار و کاهش احتمال تشکیل هرگونه فاز کریستالی در پوشش ایجاد شده و محاسبه فاکتور عدم تطابق، ابتدا آلیاژی با ترکیب شیمیایی Zr₃₀Cu₂₀Al₁₀Ag₁₀Cr₁₀Si₁₀Br₁₀ طراحی شد. در مرحله بعد عناصر موردنظر با نسبت استوکیومتری لازم، توزین و سپس با استفاده از یک آسیاب گلوله­ای با همدیگر مخلوط شدند. سپس با استفاده از دستگاه تف جوشی به کمک قوس پلاسما،SPS، تارگتی با ترکیب شیمیایی موردنظر تولید شد. در ادامه با بکار گیری تارگت تولید شده در دستگاه پوشش دهی نوع کندو پاش (مگنترون اسپاترینگ)، لایه‌های نازکی از آلیاژ مذکور با دو ضخامت مختلف بر روی زیر لایه فولاد ۳۱۶ ایجاد شدند. بررسی‌های انجام شده حاکی از موفقیت‌آمیز بودن آلیاژ طراحی شده در حصول به یک ساختار کاملاً آمورف می‌باشد. علاوه بر عدم وجود ساختار کریستالی، یکنواختی پوشش، همگن بودن ترکیب شیمیایی در نقاط مختلف، پیوستگی بسیار خوب با زیر لایه از دیگر ویژگی‌های پوشش تولید شده می‌باشد. لذا می‌توان گفت اعمال آن بر روی ابزارهای فولادی بیو پزشکی می‌تواند باعث افزایش رفتار زیست سازگاری آنها گردد.

المصادر:

[1] F. W. Hyde, M. Alberg & K. Smith, "Comparison of fluorinated polymers against stainless steel, glass and polypropylene in microbial biofilm adherence and removal", Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology, vol.19, pp. 142–149, 1997.

[2] M. Rai, A. Yadav & A. Gade, "Silver nanoparticles as a new generation of antimicrobials", Biotechnology Advances, vol. 27, pp. 76–83, 2009.

[3] J. L. Clement & P. S. "Jarrett, Metal-Based Drugs", Antibacterial Silver, vol. 1, no. 5-6, pp. 467-482, 1994.

[4] G. Borkow & J. Gabbay, "Copper, An Ancient Remedy Returning to Fight Microbial, Fungal and Viral Infections", Current Chemical Biology, vol. 3, n0. 3, pp. 272-278, 2009.

[5] G. Borkow & J. Gabbay, "Copper as a Biocidal Tool", Current Medicinal Chemistry, vol. 12, no. 18, pp. 2163-2175, 2005.
[6] G. Grass, C. Rensing & M. Solioz, "Metallic Copper as an Antimicrobial Surface", Applied and Environmental Microbiology, vol. 75, no. 5, pp. 1541–1547, 2011.

[7] P. Dallas, V. K. Sharma & R. Zboril, "Silver polymeric nanocomposites as advanced antimicrobial agents: Classification, synthetic paths, applications, and perspectives", Advances in Colloid and Interface Science, vol. 166, no. 1–2, pp. 119-135, 2011.

[8] J. P. Chu, T. Y. Liu, C. L. Li, C. H Wang, J. S. C Jang, M. J Chen, S. H Chang & W. C. Huang, "Fabrication and characterizations of thin film metallic glasses: anti-bacterial property and durability study for medical application", Thin Solid Films, vol. 561, pp. 102–107, 2014.

[9] V. K. Truong, R. Lapovok, Y. S. Estrin, S. Rundell, J. Y. Wang, C. J. Fluke, R. J. Crawford & E. P. Ivanova, "The influence of nano-scale surface roughness on bacterial adhesion to ultrafine-grained titanium", Biomaterials, vol. 31, pp. 3674–3683, 2010.

[10] Y. B. Wang, H. F. Li, Y. Cheng, Y. F. Zheng & L. Q. Ruan, "In vitro and in vivo studies on Ti-based bulk metallic glass as potential dental implant material", Mater. Sci. Eng. C, vol. 33, pp. 3489–3497, 2013.

[11] J. Schroers, G. Kumar, T. M. Hodges, S. Chan & T. R. "Kyriakides, Bulk metallic glasses for biomedical applications", JOM, vol. 61, pp. 21–29. DOI: 10.1007/s11837-009-0128-1, 2009.

[12] C. R. Howlett, M. D. M. Evans, W. R. Walsh, G. Johnson & J. G. Steele, "Mechanism of initial attachment of cells derived from human bone to commonly used prosthetic materials during cell culture", Biomaterials, vol. 15, pp. 213–222, 1994.

[13] N. J. Hallab, K. J Bundy, K. O'Connor, R. L. Moses & J. J. Jacobs, "Evaluation of metallic and polymeric biomaterial surface energy and surface roughness characteristics for directed cell adhesion, Tissue Eng. 7 roughness characteristics for directed cell adhesion", Tissue Eng, vol. 7, pp. 55–71, 2001.

[14] M. Lampin, R. Warocquier-Clérout, C. Legris, M. Degrange & M. F. Sigot-Luizard, "Correlation between substratum roughness and wettability, cell adhesion, and cell migration", J. Biomed. Mater. Res, vol. 36, pp. 99–108, 1997.

[15] D. D. Deligianni, N. D Katsala, P. G. Koutsoukos & Y. F. Missirlis, "Effect of surface roughness of hydroxyapatite on human bone marrow cell adhesion, proliferation, differentiation and detachment strength", Biomaterials, vol. 22, pp. 87–96, 2001.

[16] M. G. Bourassa, M. Cantin, E. B. Sandborn & E. Pederson, "Scanning electron microscopy of surface irregularities and thrombogenesis of polyurethane and poly-ethylene coronary catheters", Circulation, vol. 53, pp. 992–996. http://circ.ahajournals.org/ by guest on March 29, 2015, 1976.

[17] Q. Huang, Y. Yang, R. Hu, C. Lin, L. Sun & E. A. Vogler, "Reduced platelet adhesion and improved corrosion resistance of superhydrophobic TiO2-nanotube-coated 316L stainless steel", Colloids Surf. B: Biointerfaces, vol. 125, pp. 134–141, 2015.

[18] A. Etiemble, C. Der Loughian, M. Apreutesei, C. Langlois, S. Cardinal, J. M. Pelletier, J. P. Pierson & P. Steyer, "Innovative Zr-Cu-Ag thin film metallic glass deposed by magnetron PVD sputtering for antibacterial applications", Journal of Alloys and Compounds, 707, pp. 155-161, 2017.

[19] H. W. Chen, K. Ch. Hsu, Y. Ch. Chan, J. G. Duh, J. W. Lee, J. S. C. Jang & G. J. Chen, "Antimicrobial properties of Zr–Cu–Al–Ag thin film metallic glass", Thin Solid Films, vol. 561, pp. 98–101, 2014.

[20] A. Jabed, M. Mudasser Khan, J. Camiller, M. Greenlee-Wacker & I. Shabib, "Property optimization of Zr-Ti-X (X = Ag, Al) metallic glass via combinatorial development aimed at prospective biomedical application", Surface and Coatings Technology, vol. 37225, pp. 278-287, 2019.

[21] F. X. Qin, X. M. Wang & G. Q. Xie, "Microstructure and electrochemical behavior of Ti-coated Zr 55 Al 10 Ni 5 Cu 30 bulk metallic glass", Intermetallics, vol. 17, pp. 945–950, 2009.

[22] C. Y. Chuang, Y. C. Liao, J. W. Lee, C. L. Li & J. G. Duh, "Electrochemical characterization of Zr-based thin film metallic glass in hydrochloric aqueous solution", Thin Solid Films, vol. 5291, pp. 338-341, 2013.

[23] Y. L. Deng & J. W. Lee, "The fabrication and property evaluation of Zr–Ti–B–Si thin film metallic glass materials", Surface and Coatings Technology, vol. 259, pp. 115-122, 2014.

[24] S. T. Rajan, M. Karthika, A. Bendavid & B. Subramanian, "Apatite layer growth on glassy Zr48Cu36Al8Ag8 sputtered titanium for potential biomedical applications", Applied Surface Science, vol. 369, pp. 501-509, 2016.

[25] B. Subramanian, S. Yugeswaran, A. Kobayashi & M. Jayachandran, "Fabrication of amorphous Zr48Cu36Al8Ag8 thin films by ion beam sputtering and their corrosion behavior in SBF for bio implants”", Journal of Alloys and Compounds, vol. 572, pp. 163-169, 2013.

[26] B. Subramanian, "In vitro corrosion and biocompatibility screening of Sputtered Ti40Cu36Pd14Zr10 thin film metallic glasses on steels", Materials Science and Engineering, vol. 47, pp. 48–56, 2015.

[27] T. Ishizaki & N. Saito, "Rapid formation of a superhydrophobic surface on a magnesium alloy coated with a cerium oxide film by a simple immersion process at room temperature and its chemical stability", Langmuir, vol. 26, 9749-9755, 2010.

[28] P. M. BarKhudarov, P. B. Shah, E. B. Watkins, D. A. Doshi, C. J. Brinker & J. Majewski, "Corrosion inhibition using superhydrophobic films", Corrosion Science, vol. 50, pp. 897-902, 2008.

[29] M. Yoldi, J. Garcia & R. Rodriguez, "Fabrication of superhydrophobic nanostructured films by physical vapour deposition", Nanotech, vol. 1, pp. 600-603, 2010.

[30] J. H. Chu, J. Lee, C. C. Chang, Y. C. Chan, M. L. Liou, J. W. Lee, J. S. C. Jang & J. G. Duh, "Antimicrobial characteristics in Cu-containing Zr-based thin film metallic glass", Surface & Coatings Technology, vol. 259, pp. 87-93, 2014.

[31] J. Lee, M. L. Liou & J. G. Duh, "The development of a Zr-Cu-Al-Ag-N thin film metallic glass coating in pursuit of improved mechanical, corrosion, and antimicrobial property for bio-medical application", Surface and Coatings Technology, vol. 310, pp. 214-222, 2017.

[32] P. Yiu, W. Diyatmika, N. Bönninghoff, Y. C. Lu, B .Z. Lai & J. P. Chu, "Thin film metallic glasses: Properties, applications and future", Journal of Applied Physic, vol. 127, pp. 1-16, 2020.

[33] A. Inoue, "Stabilization of metallic supercooled liquid and bulk amorphous alloys", Acta Materialia, no. 48, pp. 279−306, 2000.

[34] P. Jinn, J. S. C Chu, J. C. Jang & et al, "Thin film metallic glasses: Unique properties and potential applications", Thin Solid Films, vol. 520, no. 16, pp. 5097 –5122, 2012.

[35] S. Guo & C. T. Liu, "Phase stability in high entropy alloys: Formation of solid-solution phase or amorphous phase", Progress in Natural Science: Materials International, vo.21, pp. 433−446, 2011.

[36] Y. Zhang, Y. J. Zhou, J. P. Lin & et al, "Solid solution phase formation rules for multi-component alloys", Advanced Engineering Materials, vol. 10, no. 6, pp. 534−538, 2008.

[37] N. P. Djakonova & T. A. Sviridova, "On the synthesis of Zr-based bulk amorphous alloys from glass-forming compounds and elemental powders", Journal of Alloys and Compounds, vol. 367, no. 2, pp. 191–198, 2004.

[38] A. Takeuchi & A. Inoue, "Classification of Bulk Metallic Glasses by Atomic Size Difference, Heat of Mixing and Period of Constituent Elements and Its Application to Characterization of the Main Alloying Element", Materials Transactions, vol. 46, no. 12, pp. 2817-2829, 2005.

[39] J. H. Chu, H. W. Chen, Y. C. Chan, J. G. Duh, J. W. Lee & J. S. C. Jang, "Modification of structure and property in Zr-based thin film metallic glass via processing temperature control", Thin Solid Films, vol. 561, pp. 38-42, 2014.

[40] A. Rauf, Y. Fang, H. Zhang, G. Peng & T. Feng, "Thickness effects on microstructure, mechanical and soft magnetic properties of sputtered Fe-Zr thin film metallic glass", Journal of Non-Crystalline Solids, vol. 521, pp. 119500, 2019.