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中科院金屬所楊春光課題組：抗菌不銹鋼表面與基體協(xié)作應(yīng)對(duì)菌致開裂

2024-12-27 11:41:07 作者：楊春光來(lái)源：材料科學(xué)和技術(shù) 分享至：

第一作者：趙焓羽

通訊作者：楊春光，席通

通訊單位：中國(guó)科學(xué)院金屬研究所

DOI: 10.1016/j.jmst.2024.02.023

01全文速覽

本研究重點(diǎn)針對(duì)硫酸鹽還原菌由于“銅毒化”效應(yīng)造成的抗菌失效及硫酸鹽呼吸造成的氫脆，通過(guò)高效利用合金化元素銅和鈰，設(shè)計(jì)了一種具備“雙抗”作用的雙相不銹鋼。該材料展現(xiàn)出抗菌表面和抗氫脆基體的協(xié)同特性，具備優(yōu)異的抗菌致開裂性能，研究成果為先進(jìn)防護(hù)材料的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

02研究背景

近年來(lái)，微生物腐蝕問(wèn)題受到越來(lái)越多研究人員的關(guān)注，全球每年超過(guò)2.7萬(wàn)億美元的損失歸因于微生物腐蝕[1]。當(dāng)材料受力服役時(shí)，微生物腐蝕與應(yīng)力相耦合，點(diǎn)蝕坑處優(yōu)先發(fā)生陽(yáng)極溶解，細(xì)菌代謝產(chǎn)物氫在應(yīng)力的作用下聚集到裂尖或缺陷處，由此產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕開裂問(wèn)題歸類為菌致開裂。其通常具備隱蔽、快速和突發(fā)等特點(diǎn)，使材料的塑性在服役過(guò)程中逐漸降低，引發(fā)的材料性能下降導(dǎo)致其使用壽命低于設(shè)計(jì)預(yù)期，從而帶來(lái)重大經(jīng)濟(jì)損失并構(gòu)成嚴(yán)重的安全隱患。因此，有必要加強(qiáng)工程用鋼的抗菌致開裂性能。

03本文亮點(diǎn)

通過(guò)Ce添加，降低Cu有效抑制SRB生物膜的濃度門檻，提升材料表面的抗菌性能，點(diǎn)蝕程度降低63.9%；通過(guò)微觀組織調(diào)控，納米級(jí)富Cu相在鐵素體內(nèi)單相析出并充當(dāng)氫的捕獲位點(diǎn)，縮小雙相結(jié)構(gòu)在抗氫脆性能上的差異，有效阻止SRB代謝生物氫擴(kuò)散誘導(dǎo)的氫脆。在整個(gè)共培養(yǎng)周期中，Ce彌補(bǔ)了Cu抑制SRB生物膜能力的不足，Cu補(bǔ)償了Ce對(duì)抗氫脆能力的削弱，兩元素相互補(bǔ)足，協(xié)同增效，為雙相不銹鋼提供“主動(dòng)進(jìn)攻的抗菌表面”與“被動(dòng)防御的抗氫脆基體”的功能集合。

04圖文解析

圖1 厭氧條件下的加載試樣及裝置

圖2 抗菌表面優(yōu)異的SRB生物膜抑制性能

圖3 抗菌表面腐蝕產(chǎn)物表征

圖4 2205雙相不銹鋼SSRT近表面斷口被點(diǎn)蝕與氫共同影響

05總結(jié)與展望

研究揭示了材料在微生物腐蝕環(huán)境下的抗菌致開裂機(jī)制，為未來(lái)開發(fā)高性能抗菌合金提供了理論基礎(chǔ)。研究團(tuán)隊(duì)下一步將量化富Cu相在氫捕獲中的具體貢獻(xiàn)，并探索Cu與其他稀土元素的潛在協(xié)同抗菌效應(yīng)。

06參考文獻(xiàn)

D. Xu, T. Gu, D.R. Lovley. Nat. Rev. Microbiol., 21 (2023), pp. 705-718.

07引用本文

Hanyu Zhao, Yueyang Gu, Xinrui Zhang, Boxin Wei, Tong Xi, Jinlong Zhao, Chunguang Yang, Ke Yang, Synergistic addition of Cu and Ce enhanced sulfate reducing bacteria-assisted corrosion cracking resistance of 2205 duplex stainless steel, J. Mater. Sci. Technol. 196 (2024) 1-11.