微納米力學(xué)在不銹鋼表面微-納米抗菌銅薄膜中的應(yīng)用.pdf

1、材料的微小變形、損傷以及缺陷所導(dǎo)致材料的失效行為，引起了國內(nèi)外學(xué)者對(duì)其微尺度的力學(xué)行為的關(guān)注。由于納米壓入/劃入測試具備較高的載荷和位移分辨率，而發(fā)展成材料在微尺度的力學(xué)性能測試的主流技術(shù)。在力學(xué)、材料科學(xué)、半導(dǎo)體技術(shù)、薄膜以及生物醫(yī)學(xué)工程等多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出重要的科學(xué)意義。
　　目前，賦予不銹鋼抗菌性能是抗菌材料研究的熱點(diǎn)，吸引著科研工作者的研究興趣。通過在不銹鋼表面制備抗菌薄膜的方法來提高其抗菌能力，兼具經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。雖然通過在

2、不銹鋼表面制備抗菌薄膜的方法能夠呈現(xiàn)出較好的抗菌效果，但是仍然存在以下幾點(diǎn)問題：（1）對(duì)于具備足夠厚度并且薄膜和基體之間的結(jié)合性能優(yōu)秀的抗菌薄膜，一般需要經(jīng)過較高的溫度處理，致使基體容易產(chǎn)生變形，針對(duì)形狀復(fù)雜的試件加工存在困難。（2）厚度薄的抗菌薄膜容易發(fā)生磨損、開裂、脫落等失效行為，這容易使其抗菌能力減弱甚至喪失。
　　因此，在滿足不銹鋼抗菌能力的條件下，針對(duì)薄膜易發(fā)生失效的問題，需要對(duì)不銹鋼抗菌薄膜的微納米力學(xué)性能進(jìn)行研究，這

3、對(duì)不銹鋼使用范圍的拓寬和使用壽命的延長都非常重要。基于不銹鋼表面兩種典型性薄膜的特點(diǎn)，本文的主要工作內(nèi)容和結(jié)果如下：
　　1.使用等離子合金化技術(shù)在不銹鋼表面制備滲銅薄膜，滲銅薄膜表面平整，厚度均勻。滲銅膜層是由擴(kuò)散層和沉積層組成，擴(kuò)散層中的銅呈梯度變化，增強(qiáng)了膜層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。由納米壓入實(shí)驗(yàn)得到滲銅薄膜與基體材料的載荷、硬度和楊氏模量隨著壓入深度變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。對(duì)納米壓入過程中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表現(xiàn)出的尺寸效應(yīng)進(jìn)行分析。結(jié)果表明在表面

4、方向和橫截面方向，滲銅薄膜硬度和楊氏模量均表現(xiàn)出較好的性能，有效數(shù)據(jù)表明滲銅薄膜的力學(xué)性能與常規(guī)塊體銅接近。滲銅薄膜硬度，楊氏模量抵抗載荷的能力低于304不銹鋼基體。采用劃痕儀對(duì)滲銅薄膜與不銹鋼基體的結(jié)合力進(jìn)行測試，結(jié)果表明滲銅薄膜與基體結(jié)合能力較好。
　　2.通過陽極氧化法和電化學(xué)沉積復(fù)合處理技術(shù)在不銹鋼的表面原位生成納米多孔銅薄膜。系統(tǒng)研究了陽極氧化的工藝條件對(duì)納米孔形貌的影響。不銹鋼表面原位生成的納米孔結(jié)構(gòu)規(guī)則，大小均勻，呈

5、正六邊形。在不銹鋼納米孔上電沉積納米多孔銅薄膜。結(jié)果表明所制備的納米多孔銅薄膜覆蓋不銹鋼基體，分布較均勻。采用納米壓入法對(duì)多孔銅薄膜的力學(xué)性能進(jìn)行檢測。結(jié)果表明不銹鋼多孔銅薄膜的載荷峰值，硬度和楊氏模量低于不銹鋼滲銅薄膜。使用劃痕儀測試不銹鋼納米多孔銅薄膜的結(jié)合強(qiáng)度。結(jié)果表明不銹鋼表面沉積的納米多孔銅薄膜與基體結(jié)合能力較等離子合金化技術(shù)制備的滲銅薄膜的差。
　　3.對(duì)不銹鋼表面原位生成納米多孔銅薄膜的抗菌能力進(jìn)行測試，對(duì)比分析了兩