等离子合金化法制备表面抗菌不锈钢

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有害细菌能够导致疾病的传播与感染,抗菌材料可以有效的遏制细菌的繁殖。抗菌材料的研究与开发意义重大。不锈钢是人类应用最广的金属材料之一,使其具备抗菌性能已成为抗菌材料研究的热点。抗菌不锈钢是指通过添加Ag、CU等抗菌剂,使不锈钢具备抗菌功能的特殊材料。针对整体添加抗菌剂制备抗菌不锈钢存在生产工艺复杂、不锈钢整体性能劣化等不足,本文采用具有节能、环保的等离子表面合金化技术对304不锈钢进行表面Cu-Ni合金化处理制备了表面抗菌不锈钢。借助扫描电镜、辉光放电光谱仪、X射线衍射等对不同气压条件下Cu-Ni合金层进行微观组织、成分分布以及相组成进行了分析。工作气压为45Pa时合金层表面Cu质量百分数约为2.5wt.%,厚度约6.5μm,由含Cu的奥氏体相γCu。组成。利用平板培养法考核了工作气压为45Pa时Cu-Ni合金层对革兰氏阳性菌(金黄色葡萄球菌)及革兰氏阴性菌(大肠杆菌)的抗菌性能。Cu-Ni合金化不锈钢对金黄色葡萄球菌及大肠杆菌的抗菌率分别超过了99.6%和99.9%,表现出了优良的抗菌性能。借助X射线光电子能谱分析探讨了Cu-Ni合金化不锈钢抗菌机理。表面Cu-Ni合金化不锈钢与菌液接触后,合金层中Cu元素以离子形式析出,并与试验菌种发生作用,使细菌死亡。采用电化学分析法研究了Cu-Ni合金化不锈钢和基体在0.5mol/L NaCl溶液中的腐蚀性能。Cu-Ni合金化不锈钢耐腐蚀性能较基体有所降低,这与合金层表面状况及不锈钢钝化膜的破坏有关。采用球-盘磨损实验对比分析了Cu-Ni合金化不锈钢与基体不锈钢在摩擦副为GCr15球时的摩擦学行为。Cu-Ni合金化不锈钢摩擦系数、磨损体积及比磨损率均较基体低,合金化后不锈钢磨损性能有所提高。除采用等离子Cu-Ni合金化法制备表面抗菌不锈钢外,本文还尝试采用了等离子表面渗Cu及扩散复合处理制备表面抗菌不锈钢。不锈钢经过渗Cu及扩散复合处理后表面形成均匀、致密的含Cu合金层,合金层表面Cu质量百分数约为5.7wt.%,厚度2.7μm。合金层具有优良的抗菌性能,且与细菌接触时间越长抗菌性越强。细菌与合金化不锈钢作用1h后80%大肠杆菌及73%金黄色葡萄球菌被杀灭,作用3h后96%大肠杆菌及94%金黄色葡萄球菌被杀灭,而作用12h后超过99.9%大肠杆菌及金黄色葡萄球菌被杀灭。
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