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【進(jìn)展】打造“鋼鐵抗菌盾”！兼具超高強(qiáng)度、耐蝕性與抗菌性能的納米析出相強(qiáng)化鋼取得新進(jìn)展

2025-04-17 14:35:53 作者：中國科學(xué)院金屬研究所來源：中國科學(xué)院金屬研究所分享至：

微生物腐蝕（MIC）已成為威脅海洋工程、油氣輸送和醫(yī)療器械等國家重大工程領(lǐng)域裝備安全運行的重大挑戰(zhàn)。其中，硫酸鹽還原菌（SRB）等微生物引發(fā)的局部腐蝕因其隱蔽性強(qiáng)、破壞性大等特點，被稱為材料失效的“隱形殺手”。在強(qiáng)腐蝕介質(zhì)、動態(tài)載荷與微生物膜協(xié)同作用的極端工況下，傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼材料長期面臨強(qiáng)度、耐蝕性與抗菌性能難以兼顧的困境。開發(fā)兼具超高強(qiáng)度、優(yōu)異耐蝕性和高效抗菌性能的新型結(jié)構(gòu)材料，已成為國際材料科學(xué)領(lǐng)域亟待突破的關(guān)鍵技術(shù)難題。

針對這一重大需求，中國科學(xué)院金屬研究所孫成研究員團(tuán)隊聯(lián)合王威研究員團(tuán)隊及新加坡南洋理工大學(xué)Upadrasta Ramamurty教授團(tuán)隊，創(chuàng)新性地提出“析出調(diào)控—耐蝕設(shè)計—表面功能”三位一體協(xié)同設(shè)計理念。研究團(tuán)隊通過精確調(diào)控Cu元素在鋼中的富集行為，成功構(gòu)建了以Cu富集納米析出相為核心的“力學(xué)性能-耐蝕性-抗菌性”協(xié)同增強(qiáng)機(jī)制，研制出具有突破性性能的新型超高強(qiáng)納米析出相強(qiáng)化鋼。該材料的創(chuàng)新設(shè)計體現(xiàn)在：（1）通過精準(zhǔn)的材料設(shè)計和熱處理工藝，實現(xiàn)Cu元素在鋼基體中的納米級析出相可控分布；（2）利用析出相的彌散強(qiáng)化效應(yīng)提升材料強(qiáng)度的同時，通過Cu離子的緩釋作用賦予材料持久的抗菌性能；（3）通過微觀組織結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)材料強(qiáng)度、耐蝕性和抗菌性能的協(xié)同提升。

系統(tǒng)的研究表明，富Cu納米析出相在鋼材性能提升中發(fā)揮著多重關(guān)鍵作用：首先，持續(xù)釋放的Cu離子能有效快速殺菌，從而抑制SRB在鋼表面的黏附和繁殖；其次，納米析出相的彌散分布使鋼材獲得高達(dá)1.8 GPa的抗拉強(qiáng)度，同時保持優(yōu)異的耐蝕性能。在模擬SRB腐蝕環(huán)境的加速試驗中，新型鋼材的腐蝕速率較對照組（未含銅納米析出相）降低約14倍，展現(xiàn)出卓越的抗局部腐蝕能力。研究還建立了析出相結(jié)構(gòu)調(diào)控與抗菌/耐蝕機(jī)制的定量關(guān)系模型，闡明了Cu富集納米析出相通過調(diào)控材料表面微區(qū)電化學(xué)環(huán)境，實現(xiàn)抑制生物膜形成和延緩腐蝕進(jìn)程的協(xié)同作用機(jī)理。

這一成果不僅解決了超高強(qiáng)鋼在微生物腐蝕環(huán)境中性能失衡的技術(shù)瓶頸，更為設(shè)計開發(fā)新一代多功能結(jié)構(gòu)材料提供了重要的理論指導(dǎo)和工程借鑒。相關(guān)研究成果以“Cu-rich nano precipitates simultaneously enhance the tensile properties,antibacterial efficacy,and corrosion resistance of ultra-high strength steel”為題，發(fā)表于金屬材料科學(xué)領(lǐng)域著名期刊《Acta Materialia》。金屬研究所韋博鑫副研究員和牛夢超項目研究員為論文共同第一作者，金屬研究所王威研究員、湘潭大學(xué)吳堂清教授和新加坡南洋理工大學(xué)Upadrasta Ramamurty教授擔(dān)任共同通訊作者。

本研究獲得了國家自然科學(xué)基金和新加坡科學(xué)、技術(shù)和研究局結(jié)構(gòu)金屬合金項目的資助支持。該技術(shù)的工程化應(yīng)用將為我國重大基礎(chǔ)設(shè)施的長期安全服役提供重要的材料保障。