周博維，吳 標(biāo)，趙 偉，向紅亮,3

(1.福建醫(yī)科大學(xué)附屬口腔醫(yī)院，福州 350002；2.福州大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福州 350108；3.中國福建光電信息科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，福州 350108)

0 引 言

銅及其合金因具有高導(dǎo)電導(dǎo)熱等特性而廣泛應(yīng)用在電力、交通、冶煉、海洋、電子等領(lǐng)域[1-4]。經(jīng)過時(shí)效處理的銅及其合金具有一定的抗菌性能，但在廚衛(wèi)、公共衛(wèi)生等領(lǐng)域應(yīng)用的銅及其合金因常年受到細(xì)菌侵蝕而使其服役壽命短， 同時(shí)時(shí)效處理后的力學(xué)性能顯著降低。銀元素的加入不僅能提高銅的力學(xué)性能[5-6]，還能賦予其良好的抗菌性能。銀原子高溫固溶于銅導(dǎo)致晶格畸變是含銀銅合金力學(xué)性能提高的主要原因[7]。前期，作者所在課題組已成功制備出了含銀抗菌雙相不銹鋼，其抗菌機(jī)理是銀原子溶出于材料表面，并被吸附在微生物的細(xì)胞壁上，與膜蛋白質(zhì)結(jié)合，破壞細(xì)胞的新陳代謝，使細(xì)胞壁/細(xì)胞膜發(fā)生變形扭曲并引發(fā)穿孔破裂[8-9]。目前，有關(guān)含銀銅合金的研究主要集中在顯微組織和力學(xué)性能方面，而關(guān)于抗菌性能的研究鮮見報(bào)道；同時(shí)含銀銅合金需經(jīng)拉拔或軋制等塑性變形才能使用，因此有必要進(jìn)一步研究塑性變形對(duì)其抗菌性能的影響?；诖耍髡邔?duì)含質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.11%銀的銅合金進(jìn)行室溫軋制，研究了軋制變形量對(duì)其組織和抗菌性能的影響，以期為促進(jìn)含銀銅合金在海洋、廚衛(wèi)、醫(yī)療以及公共衛(wèi)生等領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為含銀銅合金，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為99.81%Cu，0.11%Ag，0.08%(Pb+Bi+P)；對(duì)比材料為純度99.95%的純銅。采用水刀將試驗(yàn)材料切割成尺寸為100 mm×20 mm×20 mm的板條試樣，在 YS-B200型軋機(jī)上進(jìn)行室溫軋制，軋制變形量分別為30%，50%，70%，軋制速度為50 mm·s-1，每一變形量下軋制4道，每道次的下壓量相等，軋制后試樣的平均厚度分別為14.12，9.96，5.89 mm。

圖1 軋制后試樣的測(cè)試面位置示意Fig.1 Schematic of test surface position of specimen

采用線切割方法截取金相試樣并選取試樣橫向(TD)面作為后續(xù)觀察和測(cè)試面，具體位置如圖1所示，圖中RD為軋制方向，ND為軋制面的法向。對(duì)試樣進(jìn)行打磨、拋光，用1 g FeCl3+3 mL HCl+8 mL H2O組成的溶液腐蝕5～10 s后，采用XJP-300型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。采用電解雙噴方法制備透射電鏡試樣，雙噴液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%硝酸+80%甲醇的混合溶液，環(huán)境溫度為-30 ℃，電流為10 mA，在TECNAI G2 F20型透射電子顯微鏡(TEM)上觀察微觀形貌。按照GB/T 21510-2008和JIS Z 2801-2000，采用覆膜法測(cè)試抗大腸桿菌性能，即將菌落數(shù)約為5×105cfu·mL-1大腸埃希氏標(biāo)準(zhǔn)菌懸液覆膜接種于相同表面積試樣平面上，在培養(yǎng)箱中恒溫恒濕培養(yǎng)6 h和12 h后，將該大腸桿菌懸液按一定比例稀釋并繼續(xù)在瓊脂培養(yǎng)基中培養(yǎng)24 h得到肉眼可見的菌落，統(tǒng)計(jì)各試樣的菌落數(shù)，計(jì)算抗菌率R，計(jì)算公式為

R=(B-C)/B×100%

(1)

式中：B為對(duì)比例的菌落個(gè)數(shù)；C為被檢測(cè)試樣的菌落個(gè)數(shù)。

為探究含銀銅合金的抗菌持久性能，對(duì)已進(jìn)行抗菌試驗(yàn)的合金表面分別采用保持原狀、蒸餾水沖洗1 min、320#～1000#金相砂紙逐級(jí)打磨等方式進(jìn)行處理，而后采用相同的方法(覆膜法)進(jìn)行第二次和第三次抗菌試驗(yàn)，測(cè)試合金的抗菌性能，大腸桿菌懸液接種于合金表面的培養(yǎng)時(shí)間為12 h。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

由圖2可知，軋制前含銀銅合金中存在孿晶，且孿晶沿晶界生長逐漸穿過晶粒內(nèi)部而形成穿晶型孿晶(圖中圓圈位置所示)，其形成機(jī)制主要是晶界生長過程中出現(xiàn)的層錯(cuò)和不全位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)[10]。采用截線法計(jì)算得到軋制前含銀銅合金的平均晶粒尺寸為143 μm。經(jīng)過30%變形量軋制后，晶粒內(nèi)分布著大量寬度在1～5 μm范圍的變形孿晶，這是由于銅為面心立方晶體結(jié)構(gòu)，層錯(cuò)能低，當(dāng)晶界在變形過程中滑移受阻且切應(yīng)力積累到足夠大時(shí)，在位錯(cuò)聚集處將以極快的速率形成薄片狀孿晶；此時(shí)平均晶粒尺寸為32 μm。增加軋制變形量后，含銀銅合金中的晶粒沿軋制方向明顯拉長，孿晶數(shù)量降低，平均晶粒尺寸減小。當(dāng)軋制變形量增加到70%時(shí)，晶粒變形加劇，晶界密度增加，平均晶粒尺寸僅為1.4 μm，此時(shí)變形孿晶幾乎消失，這是因?yàn)橄噜弫喚б酝钩鰴C(jī)制逐漸吞并變形孿晶，致使孿晶減少直到消失[11]。

2.2 微觀形貌

由圖3可以看出，未軋制含銀銅合金組織中存在條帶狀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)為胞帶[12]，胞帶間互相平行且分布較均勻，胞帶邊界有較多位錯(cuò)以及位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)增殖形成的位錯(cuò)胞，同時(shí)組織中還存在由位錯(cuò)纏結(jié)形成的位錯(cuò)墻。材料冷卻收縮時(shí)，在內(nèi)應(yīng)力作用下組織內(nèi)部位錯(cuò)發(fā)生滑移、增殖，位錯(cuò)密度增大且相互纏結(jié)，此時(shí)一些異號(hào)位錯(cuò)相互抵消，剩下的位錯(cuò)發(fā)生聚集而形成位錯(cuò)墻，當(dāng)位錯(cuò)墻圍成一個(gè)個(gè)獨(dú)立、無位錯(cuò)的區(qū)域時(shí)，便形成位錯(cuò)胞，位錯(cuò)胞有規(guī)律地排列便形成胞帶[13]。由圖4可以看到，未軋制含銀銅合金中存在許多均勻分布的納米尺度顆粒(明場(chǎng)像中呈黑色，暗場(chǎng)像中呈亮白色)，推測(cè)這些微小顆粒為微量元素偏聚形成。相比位錯(cuò)胞內(nèi)部的無位錯(cuò)區(qū)域，位錯(cuò)墻周邊分布著較密集的黑色顆粒，但僅通過明暗場(chǎng)像無法判斷這些黑色顆粒的結(jié)構(gòu)和成分，因此對(duì)試樣進(jìn)一步做TEM衍射花樣標(biāo)定。

圖2 不同變形量軋制前后含銀銅合金的顯微組織Fig.2 Microstructures of silver-containing copper alloy before (a) and after rolling with different deformation (b-d)

圖3 未軋制含銀銅合金胞帶處的TEM形貌Fig.3 TEM morphology at cell bands of unrolled silver-containing copper alloy: (a) at low magnification and (b) at high magnification

圖4 未軋制含銀銅合金的TEM明場(chǎng)像和暗場(chǎng)像Fig.4 TEM bright field image (a) and dark field image (b) of unrolled silver-containing copper alloy

由圖5可以看出：未軋制含銀銅合金基體為具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)的銅，晶帶軸為[011]，黑色顆粒為具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)的銀，晶帶軸為[100]。結(jié)合圖4可以判斷出，含銀銅合金中的顆粒為納米銀顆粒，且納米銀在缺陷密度較大的晶界處偏聚。常溫下銀在銅中的固溶度極低，極易析出導(dǎo)致基體中出現(xiàn)銀顆粒；同時(shí)銀原子溶入晶格內(nèi)導(dǎo)致晶格點(diǎn)陣畸變，產(chǎn)生應(yīng)力場(chǎng)，而在缺陷密度大的區(qū)域(位錯(cuò)墻、位錯(cuò)纏結(jié)等)會(huì)形成較強(qiáng)應(yīng)力場(chǎng)并與位錯(cuò)周圍的彈性應(yīng)力場(chǎng)交互作用，導(dǎo)致納米銀顆粒在缺陷附近偏聚[4]。ZHU等[7]和ZUO等[14]均發(fā)現(xiàn)，塑性變形會(huì)細(xì)化含銀銅合金晶粒，促使納米銀顆粒彌散分布。軋制變形后，合金中晶界密度增大，結(jié)合銀原子易富集在缺陷處的分布規(guī)律，可以推斷納米銀顆粒仍會(huì)偏聚于缺陷密度較大的晶界處，且其分布更加均勻。增加變形量會(huì)繼續(xù)提升晶界密度，從而進(jìn)一步促使納米銀顆粒均勻分布。

圖5 未軋制含銀銅合金不同區(qū)域的TEM明場(chǎng)像及對(duì)應(yīng)的選區(qū)電子衍射花樣Fig.5 Bright field images (a, c) and corresponding selected area electron diffraction patterns (b, d) of unrolled silver-containing copper alloy: (b) substrate and (d) black particles

2.3 抗菌性能

圖6中白色點(diǎn)狀物即為大腸桿菌。由圖6可以看出:與未軋制純銅表面作用6 h后的菌懸液經(jīng)培養(yǎng)后所得菌落大量繁殖，而與未軋制含銀銅合金及軋制后含銀銅合金表面接觸6 h后，菌落數(shù)量明顯減少，說明大腸桿菌的生長增殖受到了抑制;隨著軋制變形量的增加，菌落數(shù)量減少，與70%變形量軋制后含銀銅合金接觸并培養(yǎng)的菌懸液中幾乎沒有繁殖菌落。

由表2可以看出：與未軋制純銅表面接觸6，12 h后的菌懸液經(jīng)培養(yǎng)后所得菌落數(shù)分別為8.36×105，7.62×105cfu·mL-1，均大于原菌懸液菌落數(shù)，說明在與純銅接觸過程中，大腸桿菌處于生長繁殖的狀態(tài)，此時(shí)抗菌率可以認(rèn)為是0；與菌懸液接觸6 h后，不同變形量軋制前后含銀銅合金的抗菌率均大于90%，且軋制后含銀銅合金的抗菌率均大于99%，與菌懸液接觸12 h后，含銀銅合金的抗菌率均有所提高，且軋制后含銀銅合金的抗菌率高達(dá)99.9%以上。按照SN/T 2399-2010，抗菌率符合Ⅰ級(jí)(抗菌率不低于99%)的抗菌金屬材料可以認(rèn)為有強(qiáng)抗細(xì)菌作用，可知軋制可以提高含銀銅合金的抗菌效果。含銀銅合金在軋制過程中受到三向應(yīng)力(二向壓應(yīng)力和一向拉應(yīng)力)的強(qiáng)烈作用，晶粒被壓扁拉長而得到細(xì)化，晶界密度顯著增加，組織中形成大量位錯(cuò)纏結(jié)、位錯(cuò)墻、位錯(cuò)胞等缺陷，這些均促進(jìn)了納米銀顆粒均勻分布，使納米銀顆粒直接與細(xì)菌接觸的面積更大，破壞菌體結(jié)構(gòu)、紊亂新陳代謝的程度更高，從而表現(xiàn)出更強(qiáng)的抗菌效果[7-8]。提高軋制變形量會(huì)進(jìn)一步增加合金中的缺陷數(shù)量和晶界密度，進(jìn)一步促進(jìn)納米銀顆粒的彌散分布，增強(qiáng)合金的抗菌效果。此外，含銀銅合金的抗菌率隨與菌懸液接觸時(shí)間的延長而增大，這是由于納米銀顆粒對(duì)細(xì)菌的抑制/殺滅作用需要一定時(shí)間。

圖6 不同變形量軋制前后含銀銅合金和未軋制純銅與菌懸液接觸6 h后的抗菌效果Fig.6 Sterilization effect of silver-containing copper alloy (a-d) before (a) and after rolling with different deformation (b-d) and unrolled pure copper (e) after contact with bacterial suspension for 6 h

表1 不同變形量軋制前后含銀銅合金和未軋制純銅與菌懸液接觸不同時(shí)間的菌落數(shù)和抗菌率

由表2可知，第二次抗菌試驗(yàn)及經(jīng)過無菌蒸餾水沖洗再進(jìn)行抗菌試驗(yàn)的經(jīng)70%變形量軋制的含銀銅合金的抗菌率較前一次試驗(yàn)低，而經(jīng)砂紙打磨后，含銀銅合金的抗菌率仍超過99.9%。合金表面狀態(tài)對(duì)其抗菌性能有較大影響，第一次抗菌試驗(yàn)結(jié)束后，未對(duì)表面進(jìn)行處理，細(xì)菌殘骸、代謝產(chǎn)物等會(huì)殘留在合金表面，阻礙表面納米銀顆粒與大腸桿菌作用，降低合金的抗菌性能[15]。經(jīng)過第二次無菌蒸餾水沖洗后含銀銅合金第三次抗菌試驗(yàn)后的抗菌率低于第一次無菌蒸餾水沖洗+第二次抗菌試驗(yàn)后，這可能是因?yàn)楹y銅合金與大腸桿菌接觸后，表面會(huì)形成生物膜，且隨著接觸時(shí)間以及接觸次數(shù)的增加，生物膜密度增大，影響納米銀顆粒與大腸桿菌作用概率，降低合金的抗菌性能[16-17]。砂紙打磨后合金表面的生物膜等殘留物被清除干凈，表面恢復(fù)到試驗(yàn)前的狀態(tài)，因此抗菌率仍大于99.9%。

表2 不同方法處理后經(jīng)70%變形量軋制的含銀銅合金的抗菌率

3 結(jié) 論

(1) 軋制后含銀銅合金的晶粒尺寸隨軋制變形量的增加而減小，軋制變形量為70%時(shí)平均晶粒尺寸由未軋制的143 μm減小至1.4 μm，變形孿晶減少至基本消失；含銀銅合金中存在納米銀顆粒，且在晶界處位錯(cuò)墻、位錯(cuò)纏結(jié)等缺陷密度較大區(qū)域偏聚，軋制后分布更加均勻。

(2) 軋制有利于提高含銀銅合金的抗菌性能，且變形量越大，抗菌性能越好，70%變形量軋制后含銀銅合金與大腸桿菌懸液接觸6 h時(shí)的抗菌率超過99.9%，抗菌效果優(yōu)異，這與提高軋制變形量可增加合金中的缺陷數(shù)量和晶界密度，促進(jìn)了納米銀顆粒的彌散分布有關(guān)。含銀銅合金表面狀態(tài)對(duì)抗菌性能有較大影響，抗菌試驗(yàn)后表面未經(jīng)處理或僅用無菌蒸餾水沖洗時(shí)，含銀銅合金的抗菌效果降低，而經(jīng)表面打磨后抗菌率仍在99.9%以上。