表面含铜、铟抗菌不锈钢的制备机理及抗菌性能研究

This project intends to prepared a containing Cu and In in surface of antibacterial stainless steel by following method: The experiment was conducted in LDMC-1 plasma alloying equipment with the power of 10 kW. The source material was rod Cu and In alloy, and the sample cathode were made of two pieces of stainless steel plate parallel suspension to the source cathode inside. The ions of Cu and In were sputtering from source electrode and absorbed on the surface of stainless steel through the hollow cathode effect.Five main problems will been discussed in this project: (1) Structure design and Cu/In ratio of source electrode; (2) Structure analysis of diffusion layer; (3) Antibacterial property and antibacterial mechanism of diffusion layer; (4) Heat treatment process of alloy layer; (5) Simulate of process parameters. The purpose of this project is get a Cu-In diffusion layer on the surface of stainless steel with thickness of 15~20 μm at least, and then get ε-Cu by follow-up heat treatment. The antibacterial property will test by the plate culture method and the antibacterial rate more than 95% to Staphylococcus and E.coli. The effects of process parameters on Cu-In diffusion layer will analyzed by computer simulation.

本项目拟使用10kW双层辉光离子渗金属炉，10kW直流高压和10kW脉冲高压辉光放电电源，将铜、铟合金棒做为渗镀层材料供给源，板状或柱状不锈钢作为基体材料，结合等电位针尖增强辉光放电阴极溅射以及空心阴极效应，把源极中的金属铜、铟以原子、离子等形式溅射出来，迁移并吸附于不锈钢工件表面，制备出表面含铜、铟的抗菌不锈钢。拟研究：（1）源极结构设计及铜、铟含量比例；（2）表面冶金含铜、铟抗菌层结构、成分分布；（3）表面含铜、铟抗菌层性能、抗菌机理；（4）合金渗镀层的热处理工艺；（5）对制作铜、铟表面抗菌不锈钢的工艺参数模拟分析。目标是在不锈钢表面获得至少15～20μm的铜、铟渗镀层，通过后续热处理获得稳定的抗菌铜相，用平板培养基法检测抗菌性能，达到对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌率均大于95%的效果；采用计算机模拟，分析工艺参数对抗菌层成分分布及厚度的影响，为实际试验提供理论指导。

本项目采用双层辉光渗金属技术，在不锈钢表面分别进行铜、铟，铜、铟、钼以及铜、铪元素共渗，制备具有抗菌性能的铜铟、铜铟钼、铜铪抗菌不锈钢。采用金相显微镜、SEM、EDS、XRD分析合金渗层组织、成分、物相，通过大量抗菌实验、腐蚀实验、摩擦实验对其抗菌性能、腐蚀性能、硬度、摩擦性能进行研究，对抗菌不锈钢制备工艺中等离子体空间放电进行计算机模拟仿真，获得以下成果：.（1）确定铜铟源极元素含量及结构、阴极结构及辅助装置设计，制备工艺参数与抗菌渗层铜铟含量及厚度的关系，确定制备工艺参数保温温度1150℃，保温时间6小时，工作气压35Pa，源极电压700~750V，极间距35mm。.（2）分析渗层组织结构，确认铜铟钼抗菌不锈钢合金层物相主要为Cu、Fe、In 、Cu3.8Ni、MoC、Cu11In9、CuC8、InNi、InNi3等，沿着基体内部方向，合金层中铜铟钼元素浓度沿向内梯度降低，铁元素含量有所上升；铜铪抗菌不锈钢物相为Cu、Fe、Hf、Fe7C3、Fe3C、Cu2Cr2O4、HfO2、HfC、Hf2Fe、CuO、MnCrO4，铜铪共渗合金层表面出现富铜相，且分布较均匀，呈弥散分布。.（3）对铜铟、铜铟钼、铜铪抗菌不锈钢的抗菌性能进行研究，细菌与抗菌锈钢表面接触作用时间的增加细菌数量逐渐减少，其对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的抗菌率超过99%；.（4）耐腐蚀性能研究。铜铟钼抗菌不锈钢在0.5mol/L H2SO4溶液，腐蚀性能略低于不锈钢基体材料，在0.5mol/L NaOH溶液中，耐腐蚀性能稍有提高，3.5%的 NaCl溶液环境下，耐腐蚀性能降低；铜铪抗菌不锈钢锈试样在HCL中耐腐蚀性能提高，而在0.5mol/L的HNO3溶液中的耐腐蚀性能弱于基材试样。.（5）对抗菌不锈钢的制备等离子空间放电进行模拟仿真计算，模拟结果显示，电子密度在径向方向上急剧减少，电子密度的最大值不在阴极位降区附近，而是处于半径中心附近的负辉区。在纵坐标向方向上，纵坐标区间10 ~20cm的区间内电子最为密集，纵坐标约15 cm处电子密度达到峰值，电子最密集区域并不在阴极和阳极距离的中点附近，而是靠近阴极一侧。