空心阴极等电位针尖增强表面含铜－铈抗菌不锈钢的制备及抗菌性能研究

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，将固体金属Cu丝作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Cu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，之后进一步渗入稀土元素Ce，从而制备出表面含Cu－Ce的抗菌不锈钢。拟研究：① 渗金属结构设计及含Cu－Ce抗菌层成分；② 表面冶金含Cu－Ce抗菌层组织结构；③ 表面冶金含Cu－Ce抗菌层性能；④ 不锈钢表面等离子渗Cu－Ce机理。目标是在不锈钢表面获得至少15～20μm的表面冶金含Cu－Ce渗镀层，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。制备的含Cu－Ce抗菌层是冶金结合的梯度材料，膜基结合强度高，制备工艺无污染，不需后续处理即可形成表面抗菌材料。

本项目采用双层辉光等离子渗金属技术，结合空心阴极效应及尖端放电增强效应，在不锈钢表面进行铜、铈元素共渗，制备出表面具有抗菌性的含铜、铈合金渗层的不锈钢。采用金相显微镜、SEM、EDS、XRD分析渗层组织、成分、表面物相，研究了源极铜、铈含量变化对渗层的影响，通过一系列抗菌实验、腐蚀实验、摩擦实验，研究铜、铈渗层的抗菌性能、抗菌机理、耐腐蚀性能、硬度及摩擦性能等，获得以下成果：.（1）成功获得铜铈抗菌不锈钢的制备工艺，确定阴极工件板状结构设计、源极材料采用铜铈合金棒状结构（Cu:Ce =9:1）和粉末状合金（Cu:Ce =9:1），可增强溅射强度可移动式筒状源极辅助结构设计，棒状合金插在筒壁上的圆孔里，粉末状合金放于圆筒底部。获取最佳制备工艺参数极间距为20mm，板间距为20mm，源极电压为﹣1000V，工件电压为﹣550V，工作气压为40Pa，保温时间为4.5h，保温温度为1000 ℃。.（2）分析渗层组织结构，确定了渗铜铈不锈钢的物相组成为Fe，Cu，CeCrO3，Mn2.17Ni0.7Cu0.13O4，[FeO]0.198[MnO]0.802，CCuO3，渗层形貌结构，发现铜、铈元素具有促进不锈钢中的碳原子向试样表面扩散并偏聚现象，铜铈元素使不锈钢基体元素重新分布，铜、铈含量均随着距离不锈钢表面距离的增加而递减，铈对铜向基体中的扩散具有催渗作用。.（3）研究铜铈渗层的抗菌性能，发现在铜铈含量在铜铈比例在（0%：0%）到（3.05%：0.35%）范围内，随着铜铈含量的增加，其抗菌性能不断增强，抗菌性能随着铜铈元素的增加而升高，在（3.05%：0.35%）时，其抗菌性能最强。.（4）通过腐蚀试验发现，渗铜铈处理后的不锈钢其表面耐腐蚀性增强，这是由于铈元素使不锈钢脱氧和脱硫而净化，铜铈元素细化机体晶粒，强化晶界组织，使不锈钢中的铬元素向渗层表面集中，铜离子和氯离子结合使表面钝化，最终提高其耐腐蚀性能.（5）摩擦磨损试验发现，Cu、Ce对不锈钢固溶强化，细化组织，均匀弥散分布在整个扩散层中，降低晶粒内部造成的应力集中，避免局部区域快速受到破坏，扩散层中固溶了Cu、Ce粒子，与固溶体中的硬质相配合，赋予渗层优良的强韧性。软质相Cu、Ce粒子发挥良好的润滑、减磨作用，硬质相起到强有力的支撑作用，并发挥了阻磨抗磨的骨干作用，使渗后不锈钢的耐磨性能获得明显提高。.