等离子渗金属技术制备表面渗铜层抗菌不锈钢及性能研究

论文摘要

抗菌不锈钢是一种新型的抗菌材料,具有强度高、耐腐蚀、抗菌性能好等优点,被广泛应用于医疗器械、食品加工、公共卫生等行业。因此,研究具有抗菌性能的不锈钢成为近年来研究功能材料的新热点。本研究采用等离子渗金属技术,在0Cr18Ni9奥氏体不锈钢表面渗铜,制备渗铜层抗菌不锈钢。利用金相显微镜和扫描电镜（SEM）对渗铜层表面形貌、渗层组织、微观特征进行观察;利用能谱仪（EDS）和X射线衍射仪（XRD）分别对渗铜层元素分布和相结构进行分析;用显微硬度计（HV-1000）检测渗铜层的显微硬度及其分布状况;采用M200磨损试验机进行滑动干摩擦试验,检测渗铜层摩擦磨损性能;通过动电位电化学腐蚀测量仪（P268）,获得渗铜不锈钢在酸、碱、盐中的极化曲线,考核渗铜层的耐蚀性能;最后采用薄膜密着法对渗铜不锈钢表面抗大肠杆菌的性能进行了考核和评估。研究结果如下:（1）采用等离子渗金属技术,可在0Cr18Ni9不锈钢表面获得渗铜层。最佳工艺参数为:预轰击30min,工作气压20Pa,源极电压1000V,工件电压500V,极间距25mm,保温温度950℃,保温时间3h。（2）渗铜层表面平整光滑,渗层铜含量由表及里逐渐降低,呈梯度分布,组织均匀。渗层最大厚度可达33μm,表面铜含量为3.5%,渗层与基体为冶金结合,结合强度高。在等离子渗金属过程中,基体中的Cr发生了向表面迁移的现象。（3）渗铜层表面的相组成主要为Fe、Cu、CuxFe1-x、CuO、Cu0.81Ni0.19。（4）渗铜层硬度由表层到基体逐渐降低,呈梯度分布。（5）在本工艺条件下,铜原子的溅射产额与离子入射能量成正比例关系,但离子入射能量超过95eV时,溅射产额开始减小;铜的扩散系数随着扩散距离的增加而减小。（6）摩擦磨损性能试验表明:随试验载荷的增加,渗铜层摩擦系数减小,磨损量小于未经处理的不锈钢试样,渗铜层的磨损机理为粘着磨损和磨粒磨损。在磨损过程中,渗层中的软质相铜起到润滑作用,硬质相起到强有力的支撑作用,渗铜不锈钢表现出良好的耐磨损能力。（7）耐蚀性能试验表明:在1mol/LHNO3、3.5%NaCl溶液中,渗铜不锈钢试样耐腐蚀性能比未处理不锈钢试样略有下降,但在1mol/LNaOH溶液中,渗铜后不锈钢试样耐腐蚀性能有所提高。渗铜不锈钢表面弥散分布含铜相,造成不锈钢表面不能形成连续的钝化膜,使渗铜不锈钢耐腐蚀性能有所下降,但等离子渗铜后不锈钢表面Cr的含量提高,使不锈钢渗铜后仍保持了与未处理不锈钢相当的耐蚀性能。（8）抗菌性能试验表明:渗层表面铜含量为2.5wt%时,表现出抗菌性,其抗等离子渗金属制备表面渗铜层抗菌不锈钢及性能研究菌率为95.3%,抗菌率随着表面铜含量的增加而提高;渗层抗菌作用时间18小时后,表现出抗菌性,其抗菌率为92.3%,抗菌率随着抗菌作用时间延长而提高;当表面铜含量为3.5wt%、抗菌作用时间36小时后,其抗菌率为99.9%。（9）抗菌不锈钢的抗菌机理:抗菌不锈钢表面的铜以富铜相析出并以Cu2+溶出,Cu2+穿透细胞壁进入细胞与硫基（-SH）结合,使蛋白质凝固,破坏细胞合成酶的活性,使细胞丧失分裂增殖能力而死亡。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 微生物与抗菌材料
• 1.2.1 微生物
• 1.2.2 微生物在材料表面生长
• 1.2.3 抗菌材料概括
• 1.2.3.1 抗菌材料的定义
• 1.2.3.2 抗菌材料的分类
• 1.3 抗菌不锈钢概括
• 1.3.1 整体抗菌不锈钢
• 1.3.2 复合抗菌不锈钢
• 1.3.3 表面改性抗菌不锈钢
• 1.4 表面工程技术
• 1.4.1 表面工程技术的概念
• 1.4.2 表面工程技术的分类
• 1.5 等离子渗金属技术
• 1.5.1 等离子渗金属技术概括
• 1.5.2 等离子渗金属技术的特点
• 1.5.3 等离子渗金属技术的应用
• 第二章 课题的提出与研究内容
• 2.1 课题的提出
• 2.1.1 不锈钢作为抗菌材料基体的提出
• 2.1.2 铜作为抗菌剂的提出
• 2.1.3 应用等离子渗金属技术制备抗菌不锈钢的提出
• 2.2 可行性分析
• 2.3 技术路线
• 2.4 课题研究的主要内容
• 2.5 课题研究的意义
• 第三章 实验材料及其研究方法
• 3.1 试验材料
• 3.1.1 基体材料
• 3.1.2 源极材料
• 3.2 抗菌不锈钢的制备
• 3.3 渗层微观分析方法
• 3.4 渗铜不锈钢性能试验
• 3.4.1 摩擦磨损性能试验
• 3.4.2 耐蚀性能试验
• 3.4.3 抗菌性能试验
• 3.4.3.1 抗菌试验材料与试剂
• 3.4.3.2 抗菌试验步骤
• 3.4.3.3 试验结果计算方法
• 第四章 渗铜不锈钢的制备工艺研究及微观组织分析
• 4.1 工艺参数对渗铜的影响
• 4.1.1 工作气压对渗层的影响
• 4.1.2 源极电压对渗层的影响
• 4.1.3 工件电压对渗层的影响
• 4.1.4 极间极对渗层的影响
• 4.1.5 保温温度对渗层的影响
• 4.1.6 保温时间对渗层的影响
• 4.1.7 预轰击时间对渗层的影响
• 4.1.8 最佳工艺参数
• 4.2 渗铜层的微观组织分析
• 4.2.1 渗铜层形貌观察
• 4.2.2 渗铜层成分分布
• 4.2.3 渗铜层相分析
• 4.2.4 渗铜层显微硬度分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 等离子渗铜层形成机理分析
• 5.1 源极溅射理论计算
• 5.2 溅射原子的输运过程分析
• 5.3 离子轰击条件下的扩散动力学分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 渗铜层的性能试验结果与分析
• 6.1 摩擦磨损性能试验分析
• 6.1.1 摩擦磨损曲线分析
• 6.1.2 摩擦磨损性能分析
• 6.1.3 摩擦磨损机理分析
• 6.1.3.1 未处理试样的摩擦磨损机理分析
• 6.1.3.2 渗铜不锈钢的摩擦磨损机理分析
• 6.2 耐蚀性能试验分析
• 3 溶液中的腐蚀结果及分析'>6.2.1 1mol/LHN0₃溶液中的腐蚀结果及分析
• 6.2.2 1mol/LNaOH溶液中的腐蚀结果及分析
• 6.2.3 3.5% NaCl溶液中的腐蚀结果与分析
• 6.3 抗菌性能试验分析
• 6.3.1 铜含量对抗菌性能的影响
• 6.3.2 抗菌作用时间对抗菌性能的影响
• 6.3.3 渗铜层抗菌不锈钢的抗菌机理分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者在攻读硕士期间主要研究成果