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不锈钢表面氮掺杂二氧化钛薄膜的制备及其性能研究

王鹤峰  
【摘要】:由于有害细菌的传播和感染,抗菌材料的研究和应用日趋广泛。不锈钢广泛应用于食品工业、厨具、医疗卫生以及日常生活中,对不锈钢进行抗菌处理有重要的意义。本论文以提高不锈钢的抗菌性为锲入点,采用等离子表面合金化和热氧化复合处理技术在316L不锈钢表面形成N掺杂TiO2薄膜。为了对比的需要,本文也在不锈钢表面制备了TiO2薄膜。分别对薄膜的组织结构、基本力学性能、光催化性能、抗菌性能、亲水性能、摩擦性能、腐蚀磨损性能及腐蚀性能进行了较为全面系统的研究。研究结果如下: 1、对改性层的组织、成分及结构进行了分析。经TiO2及N掺杂TiO2表面改性后,不锈钢基体表面均形成了均匀致密的改性层,改性层由预渗元素的扩散层或扩散层+镀层组成。扩散层中欲渗元素分布呈梯度变化,增强了改性层结合强度。 2、非金属N的掺杂导致TiO2的能隙变窄和吸收边红移,扩大了光响应范围,提高了TiO2的光催化性能。在可见光照射6小时后,N掺杂TiO2对亚甲基蓝溶液的降解率是纯TiO2的1.7倍。 3、抗菌试验结果表明,未改性的不锈钢不具有任何抗菌效果。TiO:和N掺杂Ti02改性的不锈钢均显示出明显的抗菌作用;改性后的不锈钢对金黄色葡萄球菌的抗菌效果明显优于大肠杆菌。N掺杂TiO2改性的不锈钢对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌效果最好,灭菌率分别达到100%和86%。 4、通过球-盘磨损试验对改性层的摩擦磨损性能及机理进行了研究。结果表明,干摩擦条件下,与GCr15对摩,Ti2和N掺杂TiO2改性层均表现出优异的减摩和抗磨损性能;与Si3N4对摩,TiO2和N掺杂TiO2改性层虽无减摩效果,但其耐磨性较基材明显改善。改性层相对较高的硬度及与基体间良好的结合强度是TiO2和N掺杂TiO2改性层耐磨性提高的主要原因。 5、电化学腐蚀测试结果表明,TiO2及N掺杂TiO2两种表面改性处理均未降低不锈钢在模拟人工体液介质中的耐蚀性,并且N掺杂TiO2改性层比Ti02改性层更具良好的耐腐蚀性能。腐蚀形貌显示:不锈钢基材表面发生点蚀,而经表面改性后的不锈钢均木发生点蚀,表现为均匀腐蚀。 6、对316L不锈钢基材、TiO2和N掺杂ZiO2改性层在模拟人工体液介质中的腐蚀磨损性能进行了对比研究。结果表明,TiO2及N掺杂TiO2两种表面改性处理均有不同程度的减摩效果,抗腐蚀磨损性能明显提高,其中N掺杂Ti02改性层在模拟人工体液介质中表现出更好的抗腐蚀磨损性能。


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