新型抗菌金属材料开发

项目负责人:任富增
技术领域:金属材料

项目简介


随着生活水平的提高,人们对环境和自身健康越来越重视,对常用材料抗菌性能的需求也越发迫切。不锈钢和钛合金因其本身所具备的高强韧性、耐疲劳、耐腐蚀、易加工成形和应用可靠性高等一系列优良特性,被广泛应用于餐饮、医疗卫生等领域。虽然具有较好生物适用性,但其不具备抗菌效果,带来一定安全隐患。因此,在保证不锈钢和钛合金现有性能的基础上,使其具备一定抗菌性能的研究变得非常必要。目前不锈钢和钛合金获得抗菌性能的方式有两种:
在冶炼时添加具有杀菌性能的金属元素而获得整体抗菌性;
通过在材料表面制备抗菌涂层而获得表面抗菌性能。

对外加抗菌元素的选择需综合考虑杀菌能力和生物相容性,常用抗菌元素为Ag、Zn和Cu元素。


从制造工艺和应用领域出发,由于Ag、Cu既可以作为合金元素在冶炼过程中添加到基体中,也可以通过形成抗菌涂层的方式作用在材料表面,是制备抗菌型不锈钢和钛合金的首选元素。在不锈钢中,Cu元素以富铜的ε-Cu相弥散分布于基体中,而在钛合金中,Cu元素以钛、铜金属间化合物的形式弥散分布于基体中,均能起到良好的杀灭细菌的作用。Ag与不锈钢的组成元素难以固溶,以银粒子、银的氧化物形式弥散分布于不锈钢中起抗菌作用。Ag与钛有限固溶,在钛合金中时往往作为微量元素存在。同时,Ag在不锈钢和钛合金的表面抗菌涂层制备领域中有着重要应用。虽然抗菌不锈钢和钛合金的研究和应用取得了阶段性的成果,但仍存在问题。在制备整体掺银和掺铜抗菌不锈钢时,由于Ag、Cu属于贵重金属,提高了制造成本。同时,添加Cu不适量时会导致不锈钢连铸连轧时形成微裂纹,添加Ag时,Ag易在不锈钢和钛合金的晶界处析出导致加工和成型困难,并且由于Ag容易氧化造成不锈钢变色。在不锈钢和钛合金表面制备抗菌涂层时,抗菌涂层与基体的结合力弱,会在使用过程中由于涂层的降解或者摩擦等原因使得抗菌层发生脱落、磨损而失去抗菌性。

而通过在不锈钢和钛合金表面制备耐磨抗菌涂层则可以规避这些诸多不足。不仅使材料具备了良好的抗菌效果,还保证了基体本身的优良性能,并且仍可对基体材料沿用现有的加工制备工艺。此外,由于离子注入等制备表面抗菌层的方法相对于传统冶炼而言,对Ag、Cu元素的消耗量少,通过调整基体与抗菌层中元素的含量,可期望达到提高抗菌性、降低成本同时改善材料加工性能的平衡。以316不锈钢、Ti6Al4V为代表,采用传统冶炼、铸造、热轧、冷轧工艺进行加工成型,在所制备成型的样品表面离子注入Ag、Cu离子以获得表面抗菌层。与其他表面涂层制备技术相比,离子注入层相对于基体材料没有明显的界面,因此表面不存在粘附、破裂和剥落问题;通过控制注入剂量、注入能量及束流密度,可精确控制注入离子的浓度和深度分布;通过提高离子注入温度,可同步进行热扩散,达到增加注入改性层深度的目的。

对Ag、Cu离子注入后的材料进行热处理,可改善离子注入层的晶格缺陷,同时在材料表面形成弥散分布的金属间化合物,增加材料表面耐磨性,获得具有整体抗菌性能兼表面耐磨抗菌涂层的不锈钢和钛合金。

市场现状


手表、餐具、手术器械、骨/牙科植入体、家电、公共设施等领域。