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《Acta Materialia》：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

2025-04-18 15:35:33 作者：本網(wǎng)發(fā)布來(lái)源：中國(guó)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(guó)家重大工程領(lǐng)域裝備安全運(yùn)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(diǎn)，被稱為材料失效的“隱形殺手”。在強(qiáng)腐蝕介質(zhì)、動(dòng)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(zhǎng)期面臨強(qiáng)度、耐蝕性與抗菌性能難以兼顧的困境。開(kāi)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(guó)際材料科學(xué)領(lǐng)域亟待突破的關(guān)鍵技術(shù)難題。

針對(duì)這一重大需求，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所孫成研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合王威研究員團(tuán)隊(duì)及新加坡南洋理工大學(xué)Upadrasta Ramamurty教授團(tuán)隊(duì)，創(chuàng)新性地提出“析出調(diào)控—耐蝕設(shè)計(jì)—表面功能”三位一體協(xié)同設(shè)計(jì)理念。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)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(jì)體現(xiàn)在：（1）通過(guò)精準(zhǔn)的材料設(shè)計(jì)和熱處理工藝，實(shí)現(xiàn)Cu元素在鋼基體中的納米級(jí)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(shí)，通過(guò)Cu離子的緩釋作用賦予材料持久的抗菌性能；（3）通過(guò)微觀組織結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)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(shí)保持優(yōu)異的耐蝕性能。在模擬SRB腐蝕環(huán)境的加速試驗(yàn)中，新型鋼材的腐蝕速率較對(duì)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(guò)調(diào)控材料表面微區(qū)電化學(xué)環(huán)境，實(shí)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(jì)開(kāi)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(mèng)超項(xiàng)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(guó)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(xiàng)目的資助支持。該技術(shù)的工程化應(yīng)用將為我國(guó)重大基礎(chǔ)設(shè)施的長(zhǎng)期安全服役提供重要的材料保障。