磁控溅射TiN/Cu-Zn抗菌纳米多层膜与复合膜制备及性能

题名:磁控溅射TiN/Cu-Zn抗菌纳米多层膜与复合膜制备及性能
作者:韦春贝
学位授予单位:哈尔滨工业大学
关键词:磁控溅射;;骨架式多层膜;;复合膜;;界面电子结构;;抗菌
摘要:

 近年来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。TiN由于具有良好的耐磨性能、耐腐蚀性能以及色泽美观等特点已经被广泛应用于不锈钢表面功能化。为了使TiN具有良好的抗菌效果,本文提出了将抗neodymium magnets菌元素Cu、Zn复合到TiN中,利用双靶磁控溅射的方法在不锈钢表面制备了TiN/Cu-Zn纳米多层膜和复合膜。围绕如何提高膜层的性能,如硬度、耐磨性能和耐腐蚀性能等的同时使膜层具有良好的抗菌性能,优化了沉积工艺参数;利用扫面电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线衍射(XRD)、高分辨透射电镜(HRTEM)、X射线光电子能谱(XPS)等手段分析了膜层的组织和结构;利用固体与分子经验电子理论(EET)方法计算了TiN/Cu的界面电子结构,分析了界面电子密度与界面应力、薄膜结构的关系;研究了膜层的抗菌作用机制。

 结果表明,由于Cu-Zn容易发生扩散聚集,Cu-Zn层较薄时膜层不连续,多层膜形成了以TiN为骨架基体的TiN和TiN富Cu-Zn层组成的骨架式结构。这种骨架式结构多层膜由于Cu-Zn层比较薄,Cu-Zn层内发生塑性变形困难,膜层表现出了较好的硬度和耐磨性能。TiN层和Cu-Zn层厚度同时增加时,Cu-Zn层内部可以发生较大的塑性变形,多层膜的硬度和耐磨性能下降。Cu-Zn层厚度对多层膜的耐腐蚀性能影响显著,Cu-Zn层比较厚时,可以在Cu-Zn层内形成大面积腐蚀通道,膜层发生层间剥蚀破坏,多层膜的耐腐蚀性能显著下降;骨架式结构多层膜中由于Cu-Zn层不连续,发生连续的大面积腐蚀通道困http://www.chinamagnets.biz/Neodymium/Ball-Neodymium-Magnets.php难,提高了薄膜的耐腐蚀性能。存在合适的工艺参数,如沉积气压在0.4-0.56Pa、偏压在直流80V复合脉冲200V下可以获得性能较好的多层膜。

 SEM和HRTEM结果表明,复合膜中Cu、Zn掺杂量低时对TiN柱状晶的生长阻碍小,Cu、Zn以细小的晶粒或非晶分布在TiN晶粒周围;掺杂量增加细化了TiN晶粒,但Cu、Zn相聚集长大,导致膜层组织粗化。存在合适的掺杂量如Cu:10.38 at%,Zn:2.19 at.%时,可以获得较好的硬度和耐磨性能。少量的Cu、Zn掺杂时膜层具有很强的钝化能力,耐腐蚀性能显著提高。随着Cu、Zn含量增加,由于Cu、Zn相聚集长大而使硬度、耐磨性能和耐腐蚀性能下降。

 基于固体与分子经验电子理论(EET)计算表明:TiN(111)//Cu(111)、TiN(100)//Cu(100)界面电子密度差异大,界面应力大,很难形成稳定的共格界面关系,Cu层通过产生位错而释放共格应力,导致共格界面应力松弛,从而降低了多层膜的硬度。

 调制周期对多层膜的抗菌性能有重要的影响。Cu-Zn层薄时,抗菌性能对TiN层厚度敏感;Cu-Zn层厚时,抗菌性能对TiN层厚度不敏感;TiN层和Cu-Zn层的厚度同时增加时虽然膜层具有较强的抗菌效果,然而膜层容易发生溶解破坏。复合膜的抗菌性能与抗菌离子的含量有关,当Cu的含量达到12.51 at.%,Zn的含量达到2.07 at.%以上时膜层对大肠杆菌的抗菌效果达到99.9%以上。离子溶出实验表明,具有骨架式结构的多层膜由于可以避免连续的大面积腐蚀破坏,而且含有富Cu-Zn层而可以提供大量的抗菌离子,膜层的离子溶出速度稳定,具有持久而稳定的抗菌效果。复合膜初期溶出速度较快,然而长时间溶出后由于表面抗菌离子贫瘠而使抗菌效果下降。骨架式多层膜比复合膜具有更持久的抗菌效果。由于Cu、Zn的协同抗菌作用而使得膜层具有较强的抗菌性能,膜层在1-2小时内对大肠杆菌的抗菌效果达到96%以上。布擦实验表明多层膜和复合膜表面不会因为磨损而改变抗菌性能。骨架式多层膜和复合膜的抗菌模式为接触式抗菌,膜层表面可以抑制或杀灭与之接触的细菌,然而膜层对周围环境的细菌影响很小。
学位年度:2009