不锈钢表面氮掺杂二氧化钛薄膜的制备及其性能研究

论文摘要

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。本论文以提高不锈钢的抗菌性为锲入点,采用等离子表面合金化和热氧化复合处理技术在316L不锈钢表面形成N掺杂TiO2薄膜。为了对比的需要,本文也在不锈钢表面制备了TiO2薄膜。分别对薄膜的组织结构、基本力学性能、光催化性能、抗菌性能、亲水性能、摩擦性能、腐蚀磨损性能及腐蚀性能进行了较为全面系统的研究。研究结果如下：1、对改性层的组织、成分及结构进行了分析。经TiO2及N掺杂TiO2表面改性后,不锈钢基体表面均形成了均匀致密的改性层,改性层由预渗元素的扩散层或扩散层+镀层组成。扩散层中欲渗元素分布呈梯度变化,增强了改性层结合强度。2、非金属N的掺杂导致TiO2的能隙变窄和吸收边红移,扩大了光响应范围,提高了TiO2的光催化性能。在可见光照射6小时后,N掺杂TiO2对亚甲基蓝溶液的降解率是纯TiO2的1.7倍。3、抗菌试验结果表明,未改性的不锈钢不具有任何抗菌效果。TiO：和N掺杂Ti02改性的不锈钢均显示出明显的抗菌作用；改性后的不锈钢对金黄色葡萄球菌的抗菌效果明显优于大肠杆菌。N掺杂TiO2改性的不锈钢对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌效果最好,灭菌率分别达到100%和86%。4、通过球-盘磨损试验对改性层的摩擦磨损性能及机理进行了研究。结果表明,干摩擦条件下,与GCr15对摩,Ti2和N掺杂TiO2改性层均表现出优异的减摩和抗磨损性能；与Si3N4对摩,TiO2和N掺杂TiO2改性层虽无减摩效果,但其耐磨性较基材明显改善。改性层相对较高的硬度及与基体间良好的结合强度是TiO2和N掺杂TiO2改性层耐磨性提高的主要原因。5、电化学腐蚀测试结果表明,TiO2及N掺杂TiO2两种表面改性处理均未降低不锈钢在模拟人工体液介质中的耐蚀性,并且N掺杂TiO2改性层比Ti02改性层更具良好的耐腐蚀性能。腐蚀形貌显示：不锈钢基材表面发生点蚀,而经表面改性后的不锈钢均木发生点蚀,表现为均匀腐蚀。6、对316L不锈钢基材、TiO2和N掺杂ZiO2改性层在模拟人工体液介质中的腐蚀磨损性能进行了对比研究。结果表明,TiO2及N掺杂TiO2两种表面改性处理均有不同程度的减摩效果,抗腐蚀磨损性能明显提高,其中N掺杂Ti02改性层在模拟人工体液介质中表现出更好的抗腐蚀磨损性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 抗菌不锈钢的研究进展
• 1.2.1 合金型抗菌不锈钢
• 1.2.2 复合型抗菌不锈钢
• 1.2.3 表面改性抗菌不锈钢
• 1.3 抗菌不锈钢面临的问题及对策
• 2光催化特性及研究进展'>1.4 TiO₂光催化特性及研究进展
• 2晶体结构'>1.4.1 TiO₂晶体结构
• 2光催化作用原理'>1.4.2 TiO₂光催化作用原理
• 2光催化材料的应用领域'>1.4.3 TiO₂光催化材料的应用领域
• 2改性研究理论进展'>1.4.4 TiO₂改性研究理论进展
• 2在光催化应用中存在的问题'>1.4.5 TiO₂在光催化应用中存在的问题
• 2在不锈钢中的应用'>1.5 TiO₂在不锈钢中的应用
• 1.5.1 光催化性能
• 1.5.2 抗菌性能
• 1.5.3 摩擦性能
• 1.5.4 腐蚀性能
• 1.6 等离子表面合金化技术
• 1.6.1 概述
• 1.6.2 等离子表面合金化技术的特点
• 1.6.3 等离子表面合金化技术的现状
• 1.7 课题的提出及研究内容
• 第二章 膜层的制备及其分析方法
• 2.1 引言
• 2.2 试验设备
• 2.2.1 等离子表面合金化设备
• 2.2.2 真空氧化设备
• 2.3 试验材料
• 2.3.1 试验材料
• 2.3.2 试验工艺
• 2.4 检测方法
• 2.4.1 薄膜的组织结构与形貌表征
• 2.4.2 薄膜的磨损性能分析
• 2.4.3 薄膜的腐蚀性能分析
• 2.4.4 薄膜的亲水性能分析
• 第三章 不锈钢表面等离子合金化的组织结构研究
• 3.1 引言
• 2/Ti金属体系组织结构分析'>3.2 TiO₂/Ti金属体系组织结构分析
• 3.2.1 Ti/SS组织结构
• 2/SS组织结构'>3.2.2 TiO₂/SS组织结构
• 2/TiN金属体系组织结构分析'>3.3 N-TiO₂/TiN金属体系组织结构分析
• 3.3.1 TiN/SS组织结构
• 2/SS组织结构'>3.3.2 N-TiO₂/SS组织结构
• 3.4 表面硬度
• 3.5 小结
• 2/SS和N-TiO₂/SS的光催化和抗菌性能研究'>第四章 TiO₂/SS和N-TiO₂/SS的光催化和抗菌性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 薄膜的表征
• 4.3 光催化性能的表征
• 4.4 亲水性能的表征
• 4.5 抗菌性能的表征
• 4.6 结果与讨论
• 4.6.1 粗糙度的测量
• 4.6.2 XPS表征
• 4.6.3 紫外可见漫反射光谱表征
• 4.6.4 薄膜的光催化性能评价
• 4.6.5 薄膜的亲水性能评价
• 4.6.6 薄膜的抗菌性能评价
• 4.7 小结
• 第五章 不锈钢表面等离子合金化的摩擦磨损性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 与GCr15球对磨的室温摩擦磨损性能
• 5.2.1 摩擦系数
• 5.2.2 磨痕形貌
• 5.2.3 磨损量
• 3N₄球对磨的室温摩擦磨损性能'>5.3 与Si₃N₄球对磨的室温摩擦磨损性能
• 5.3.1 摩擦系数
• 5.3.2 磨痕形貌
• 5.3.3 磨损量
• 5.4 磨损机理
• 5.4.1 不锈钢基材磨损机理
• 5.4.2 磨损机理分析
• 5.5 小结
• 第六章 不锈钢表面等离子合金化的腐蚀磨损性能研究
• 6.1 引言
• 6.2 试验方法
• 6.3 试样在亨氏溶液中的腐蚀磨损性能
• 6.4 试样在亨氏溶液中的电化学腐蚀性能
• 6.4.1 动电位极化曲线
• 6.4.2 电化学阻抗
• 6.4.3 电化学噪声
• 6.4.4 腐蚀分析及讨论
• 6.5 小结
• 第七章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文及科研成果