铜离子注入奥氏体不锈钢中显微组织与抗菌性能的研究

【摘要】：随着社会的发展和人们生活水平的提高，人们的抗菌意识不断增强，抗菌材料的研究和应用日趋广泛。20世纪90年代后期，一些工业发达的国家率先推出抗菌不锈钢制品，并在日常生活中得以广泛应用。目前国内外对抗菌不锈钢的研究主要是采用整体炼钢的方法，而采用表面处理方法制备抗菌不锈钢的研究还未见报道。本课题采用MEVVA离子源在不锈钢中注入Cu离子制备含铜奥氏体抗菌耐蚀不锈钢。 Cu离子的注入采用60keV和100keV的能量，0.2～8×10~(17)／cm~2的剂量范围。随后的抗菌处理采用400～700℃，保温1～6小时的工艺使具有杀菌作用的富铜相在不锈钢中弥散、连续析出。采用琼脂平板法检验不锈钢的抗菌性能，并对有良好抗菌性能的不锈钢采用盐干湿循环实验方法检验其耐腐蚀性能。对Cu离子注入前后、抗菌处理前后不锈钢样品进行GXRD、TEM及AES分析、检测了Cu离子在不锈钢的微观组织和结构。用生物电子显微镜观察了抗菌处理前后不锈钢表面大肠杆菌的变化，讨论了Cu离子与细菌的作用机理。 实验结果表明：随Cu离子注入到不锈钢中剂量的增加，不锈钢对大肠杆菌的抗菌性能逐渐提高。在100keV，8×10~(17)／cm~2的条件下注入Cu离子，再经过500℃、4小时的抗菌处理是使不锈钢对大肠杆菌和葡萄球菌都具有良好抗菌性能的最佳工艺。生物电子显微镜观察表明，Cu离子对大肠杆菌的抗菌机理是通过与细胞壁作用使细胞壁变得粗糙，其通透性发生改变，从而使细胞内的物质降解、死亡。 Cu离子注入不锈钢中形成了少量的具有杀菌作用的ε-Cu相(Cu_(9.9)Fe_(0.1)相)，使不锈钢对大肠杆菌具有良好的抗菌性能。经过500℃、4小时抗菌处理后，不锈钢中大量析出了针状的Cu_(9.9)Fe_(0.1)相，使不锈钢获得了对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均良好的杀菌效果。 高能量、大剂量的Cu离子注入(100keV，8×10~(17)／cm~2)后，Cu离子在不锈钢基体中的浓度基本服从高斯分布，浓度峰值为30％，其注入深度约在100nm左右。经过抗菌处理后，Cu离子向基体中扩散，深度增加至300nm，峰值浓度下降至13％。Cu离子分布深度的加深，十分有利于不锈钢表面抗菌的持久性。 不锈钢经过Cu离子注入后，耐腐蚀性能略有下降。但经过抗菌处理后，不锈钢的耐腐蚀性能又得以恢复，使其具有与普通不锈钢同等的耐腐蚀性能。 本研究由国家自然科学基金资助。