磁控溅射TiN/Cu-Zn纳米多层膜腐蚀和抗菌性能研究

　　采用双靶磁控溅射的方法在不锈钢表面沉积了TiN/ Cu-Zn 纳米多层膜,研究了多层结构对膜层耐腐蚀性能和抗菌性能的影响,以及表面腐蚀与抗菌的关系。结果表明,Cu-Zn 层比较薄时,膜层的耐腐蚀性能比较好,随着Cu-Zn 层厚度的增加耐腐蚀性能显著下降。Cu-Zn 层薄时,膜层抗菌性能对TiN 层厚度较为敏感;而当Cu-Zn 层较厚时,抗菌性能对TiN 层厚度不敏感,均具有较好的抗菌性能。存在合适的多层结构,如TiN 层厚度为3.3～5nm 左右,Cu-Zn 层厚度约为4nm 时,使得膜层具有良好的抗菌性能和耐腐蚀性能。

　　近年来,随着人们对健康生存环境的日益关注,各种抗菌材料迅速发展起来。不锈钢广泛应用于食品工业、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 镀层由于硬度高、抗磨损、化学稳定性及热稳定性好和色泽华丽等优点,已广泛应用于不锈钢的表面功能化。为了使TiN 膜层具有良好的抗菌效果,已有研究在TiN中掺杂抗菌离子Ag 等 。本文利用磁控溅射的方法在不锈钢表面制备了TiN/ Cu-Zn 多层膜,拟通过多层结构来调制膜层的腐蚀性能,进而调制抗菌性能。选择Cu-Zn 作为金属层是由于Cu、Zn 具有良好的抗菌效果,可以获得双相抗菌元素以提高膜层的抗菌效果和广谱抗菌性。

1、实验部分

　　基体材料为市场工业用SUS201/ 8k 光面不锈钢板材。实验前用丙酮酒精超声清洗,浸酸,冲洗烘干后放入真空室中。本底真空度为5 ×10 ^{- 3} Pa ,沉积前用氩气进行射频清洗20min。在沉积过程中转动靶台使样品在Ti 靶(99.9 %) 和黄铜靶H62 (99.5 %)之间转动,通过控制靶台在溅射靶前停留的时间控制单层厚度。Ti 靶采用直流磁控溅射, 电流为0.6A;黄铜靶采用射频磁控溅射,射频功率为300W。采用氮气和氩气的混合气体,其流量分别为2 和6cm³·min ^{- 1} (标准状态) ,总气压为0.56Pa ,偏压为直流80V 叠加脉冲200V ,沉积温度为200°C ,总沉积时间为1h ,最外层为TiN 层,具体工艺参数如表1 所示。TiN 层的沉积速率约为0.33nm/ s ,Cu-Zn 层的沉积速率约为0.67nm/ s。

表1 　多层膜沉积工艺参数

　　利用扫描电子显微镜对膜层的截面进行观察。利用CHI604C 电化学综合测试系统测试样品的Tafel 动电位极化曲线,溶液为3.5 %的NaCl 溶液,扫描速度0.5mV/ s。抗菌试验参照日本J ISZ 280122000 标准,采用覆膜法进行抗菌性能试验。试验菌种为ATCC25922 大肠杆菌( E. coli) 和ATCC25923 金黄色葡萄球菌(S. aureus) 。杀菌率计算公式为

　　式中, R 为抗菌率, B 为未处理不锈钢样品的活菌数, C 为多层膜样品的活菌数。

3、结论

　　Cu-Zn 层厚度对多层膜的耐腐蚀性能影响著。Cu-Zn 层薄时多层膜的耐腐蚀性能较好,随着Cu-Zn 层厚度增加,耐腐蚀性能显著下降。Cu-Zn 层薄时,抗菌性能对TiN 层厚度敏感,增加TiN 层厚度使抗菌性能下降。Cu-Zn 层厚时,抗菌性能对TiN层厚度不敏感,TiN 层厚度对抗菌性能影响不大,膜层具有较强的抗菌效果。存在合适的多层结构,如TiN 层厚度为3.3nm～5nm 左右,Cu-Zn 层厚度约为4nm时,使得多层膜的抗菌性能和耐腐蚀性能都比较好。