{首页主词},&

中科院金屬所楊春光課題組：抗菌不銹鋼表面與基體協作應對菌致開裂

2024-12-27 11:41:07 作者：楊春光來源：材料科學和技術分享至：

第一作者：趙焓羽

通訊作者：楊春光，席通

通訊單位：中國科學院金屬研究所

DOI: 10.1016/j.jmst.2024.02.023

01全文速覽

本研究重點針對硫酸鹽還原菌由于“銅毒化”效應造成的抗菌失效及硫酸鹽呼吸造成的氫脆，通過高效利用合金化元素銅和鈰，設計了一種具備“雙抗”作用的雙相不銹鋼。該材料展現出抗菌表面和抗氫脆基體的協同特性，具備優異的抗菌致開裂性能，研究成果為先進防護材料的設計與開發提供了技術基礎。

02研究背景

近年來，微生物腐蝕問題受到越來越多研究人員的關注，全球每年超過2.7萬億美元的損失歸因于微生物腐蝕[1]。當材料受力服役時，微生物腐蝕與應力相耦合，點蝕坑處優先發生陽極溶解，細菌代謝產物氫在應力的作用下聚集到裂尖或缺陷處，由此產生的應力腐蝕開裂問題歸類為菌致開裂。其通常具備隱蔽、快速和突發等特點，使材料的塑性在服役過程中逐漸降低，引發的材料性能下降導致其使用壽命低于設計預期，從而帶來重大經濟損失并構成嚴重的安全隱患。因此，有必要加強工程用鋼的抗菌致開裂性能。

03本文亮點

通過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，點蝕程度降低63.9%；通過微觀組織調控，納米級富Cu相在鐵素體內單相析出并充當氫的捕獲位點，縮小雙相結構在抗氫脆性能上的差異，有效阻止SRB代謝生物氫擴散誘導的氫脆。在整個共培養周期中，Ce彌補了Cu抑制SRB生物膜能力的不足，Cu補償了Ce對抗氫脆能力的削弱，兩元素相互補足，協同增效，為雙相不銹鋼提供“主動進攻的抗菌表面”與“被動防御的抗氫脆基體”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 抗菌表面優異的SRB生物膜抑制性能

圖3 抗菌表面腐蝕產物表征

圖4 2205雙相不銹鋼SSRT近表面斷口被點蝕與氫共同影響

05總結與展望

研究揭示了材料在微生物腐蝕環境下的抗菌致開裂機制，為未來開發高性能抗菌合金提供了理論基礎。研究團隊下一步將量化富Cu相在氫捕獲中的具體貢獻，并探索Cu與其他稀土元素的潛在協同抗菌效應。

06參考文獻

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.