微观结构精细化及钝化层形成对无铅黄铜抗菌性能的影响

《Journal of Materials Research and Technology》：The impact of microstructure refinement and passive layers formation on the antibacterial activity of lead-free brass

纳米结构的铅-free黄铜CuZn21Si3P通过高压力扭转（HPT）制备，其表面粗糙度、缺陷密度和被动氧化层化学组成显著影响抗菌性能。研究表明，HPT处理的样品抗菌性能优于退火态，主要归因于纳米级晶粒和缺陷（如空位、位错）密度增加，促进Cu和Zn离子释放，同时纳米表面粗糙度抑制细菌粘附。XPS和 positron annihilation谱学证实被动层中ZnO和Cu?O纳米岛更密集，且氧化层缺陷结构更松散。此外，HPT处理使α相表面粗糙度增加，导致细菌粘附量减少，而κ’相因取向差异和缺陷分布不均，粘附率相对较高。微观分析表明，HPT诱导的纳米晶界和位错网络增强了离子迁移，且氧化层厚度（6-7 nm）与退火态相近，但成分分布更不均匀。研究为开发无铅抗菌材料提供了新思路。

　　近年来，随着人们对公共健康和环境安全的关注日益增加，抗菌材料在医疗、建筑和食品工业等领域的应用受到越来越多重视。特别是铜合金，因其天然的抗菌特性而备受关注。然而，传统含铅铜合金由于其毒性问题，在某些应用场景中受到限制。因此，开发无铅铜合金成为当前研究的一个热点。本研究聚焦于无铅铜合金CuZn21Si3P的抗菌性能，探讨其微观结构、被动层组成及表面粗糙度对细菌附着的影响，并通过高压力扭转变形（HPT）技术实现了该合金的纳米结构化处理，以期进一步提升其抗菌性能。

在医疗环境中，抗菌材料可以有效减少医院获得性感染（HCAIs）的发生率，而铜及其合金在这一领域展现出了良好的应用前景。然而，铜合金中铜含量的高低直接影响其抗菌能力。尽管高铜含量通常意味着更强的抗菌效果，但某些铜合金中添加的其他元素，如镍，可能通过改善抗腐蚀性而减少铜离子的释放，从而影响抗菌效果。因此，为了在不牺牲抗菌性能的前提下，提高铜合金的加工性能，研究人员开始关注无铅铜合金的应用。

无铅铜合金CuZn21Si3P因其具有较高的可加工性而被广泛研究，尤其是在机械加工过程中，其添加硅元素可以有效改善切屑断裂和减少热机械负荷。然而，其抗菌性能尚未被系统研究。本研究采用HPT技术对CuZn21Si3P进行纳米结构化处理，从而获得具有纳米晶粒和纳米孪晶结构的材料。这种处理方式显著改变了材料的微观结构，使得其表面粗糙度、缺陷密度和被动层特性发生了变化。这些变化可能对铜离子的释放起到关键作用，进而影响其抗菌性能。

通过一系列分析手段，包括X射线光电子能谱（XPS）、多普勒展宽正电子湮灭谱学（DB-VEPAS）、变量能量正电子寿命谱学（VEPALS）以及聚焦离子束（FIB）结合扫描透射电子显微镜（STEM）等技术，研究人员对材料的微观结构、缺陷密度、表面粗糙度、被动层厚度及化学组成进行了深入分析。结果显示，微观结构的细化对被动层的化学组成和厚度影响不大，但显著改变了氧化物的数量和分布。这表明，纳米结构化处理可能通过增加氧化物的缺陷结构和表面积，从而促进铜和锌离子的释放，进而增强抗菌效果。

在抗菌性能测试中，研究者采用细菌附着实验评估了CuZn21Si3P的抗菌能力。结果显示，HPT处理后的材料表现出比退火材料更显著的抗菌性能。这一现象可能与HPT处理后形成的更小的氧化物岛以及更丰富的缺陷结构有关，这些结构有利于金属离子的释放。同时，纳米级表面粗糙度也可能影响细菌附着行为，使得细菌更难在纳米结构化的材料表面形成附着。

在退火材料中，细菌附着似乎与相组成无关，但在HPT处理后的材料中，细菌在α相表面的附着明显减少。这可能与α相的表面粗糙度有关，而α相作为较软的相，其表面粗糙度较高，这可能对细菌附着产生一定的阻碍作用。此外，纳米级的表面粗糙度，尽管数值较小，但其结构特征可能对细菌附着形成更大的影响，这为未来抗菌材料的设计提供了新的思路。

同时，研究还探讨了HPT处理材料的热稳定性。随着温度的升高，HPT处理材料的微观结构发生变化，主要表现为晶粒粗化和缺陷密度的降低。这种变化可能影响其抗菌性能，因为在高温下，氧化物的形成和离子释放行为可能受到影响。因此，研究指出，长期暴露于空气中可能对不同微观结构材料的抗菌性能产生不同的影响，未来的研究需要进一步探讨材料在不同环境条件下的长期抗菌效果。

总体而言，本研究揭示了无铅铜合金CuZn21Si3P在不同处理方式下的抗菌性能变化，并通过多维度的分析手段，探讨了其微观结构、表面粗糙度和缺陷密度等因素对细菌附着的影响。研究结果表明，HPT处理不仅显著提升了材料的抗菌性能，还改变了其微观结构和表面特性，为开发具有优异抗菌性能的无铅铜合金提供了重要的理论依据和技术支持。未来的研究可以进一步优化材料的纳米结构化处理工艺，探索其在更广泛应用场景中的抗菌潜力。