Cu离子注入A304不锈钢抗菌性能研究

论文摘要

抗菌不锈钢目前大多指通过整体添加抗菌元素Ag、Cu等,经过熔炼、热处理等工艺获得的具有抗菌功能的材料。此类合金具备抗菌性能的原因是在材料的表面与内部均匀分布着抗菌相。但整体添加抗菌元素的不锈钢在加工性能、抗菌相分布方面存在若干问题,而通过离子注入的方法却能较好的解决这些问题。离子注入抗菌元素能使抗菌不锈钢的抗菌相弥散分布,有利的避免了整体添加不锈钢抗菌相析出不均匀的弊端,同时,由于并没有改变基体的结构,对不锈钢其它性能不会产生很大影响。但该方法能否具备抗菌性能,其抗菌效果与整体添加抗菌元素不锈钢的抗菌机理是否一致却不甚清楚,因此本文采用离子注入的方法,在不锈钢表面形成一定深度的注入层,探讨离子注入不锈钢的抗菌机理和效果。本文通过离子注入剂量对不锈钢抗菌性能的影响进行了讨论,其中通过饱和注入剂量的计算,对不锈钢进行了相应数量级的Cu离子注入,结果表明：饱和注入剂量为5.81×1017（ion/cm2）,同时表面形貌的SEM、GXRD分析表明,500℃的还原气氛处理,存在某种ε-Cu析出相,相的尺寸、分布是影响抗菌性能的重要因素。析出相为ε-Cu,是Cu的富集相,其组成为Cu3Fe4和CuFe4,该相Cu的含量随时效温度的增加不断增加。Cu3Fe4、Cu3Fe的结合能分别为-2.881eV,-3.016eV,其计算的生成焓约分别为-63.65 kJ·mol-1、-86.65 kJ·mol-1, Cu3Fe4稳定性较差,Cu3Fe的晶格结构已为金属Cu的结构,二相都存在能向纯铜最终产物转化的趋势。通过抗菌性能实验表明,所得样品对大肠杆菌、金霉球菌的抗菌效果分别达到97.6%和99.1%。Cu、O离子的价态在热处理前后发生明显改变,吸附细菌中的氧起到抗菌效果。表层ε-Cu存在明显的化学吸附作用,能够吸附细菌内部的单键氧,其Cu的d轨道与O的2p轨道结合,形成价键,进而破坏了细菌内部的电平衡,进而导致细菌死亡。通过分子动力学理论对理想的材料表层结构进行了计算,结果表明,均匀注入一定深度的Cu离子,通过热处理后发生了明显的Cu的富集现象,与实验结果相一致。

论文目录

• 摘要
• Abstracts
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.1.1 抗菌不锈钢的抗菌机理
• 1.1.2 抗菌性能的评价
• 1.1.3 抗菌不锈钢的研究现状
• 1.1.3.1 合金型不锈钢
• 1.1.3.2 表面涂层抗菌不锈钢
• 1.1.4 抗菌不锈钢面临的关键问题
• 1.1.4.1 对材料表面微观结构的研究
• 1.1.4.2 抗菌作用过程的深入研究
• 1.1.5 抗菌不锈钢研究的展望
• 1.2 分子动力学
• 1.2.1 分子动力学方法简介
• 1.2.2 分子动力学模拟的基本步骤
• 1.3 本课题需要解决的科学问题
• 1.4 本课题研究的目的及意义
• 1.5 课题研究内容及来源
• 1.5.1 课题研究内容
• 1.5.2 课题来源
• 第二章 Cu离子注入不锈钢的制备方案与工艺流程
• 2.1 材料制备方案
• 2.1.1 离子注入不锈钢材料制备实验方案
• 2.1.2 抗菌实验方案
• 2.3 所用仪器和设备
• 2.4 分析与测试
• 2.4.1 显微组织分析
• 2.4.2 元素价态与结合能分析、GXRD分析
• 2.4.3 力学性能分析
• 第三章 Cu离子注入实验与物相分析
• 3.1 Cu离子饱和剂量计算
• 3.1.1 溅射系数的计算
• 3.1.3 Cu离子注入不锈钢基体计算过程
• 3.2 组织与抗菌性能
• 3.3 GXRD测试
• 3.4 硬度测试
• 3.5 抗菌性能测试
• 3.6 XPS对元素价态的分析
• 3.7 第一原理计算分析抗菌机理
• 3.7.1 离子注入形成的物相的稳定性
• 3.7.2. 表面吸附结构模型及吸附能
• 3Fe₄低指数面（111）吸附细菌机理的讨论'>3.7.3 Cu₃Fe₄低指数面（111）吸附细菌机理的讨论
• 3.7.4 电子结构
• 3.8 本章小结
• 第四章 分子动力学模拟
• 4.1 计算原理与势函数
• 4.2 模型建立与讨论
• 4.2.1 溅射模型
• 4.2.2 扩散模型
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录:攻读硕士学位期间发表论文以及奖励