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《Acta Materialia》：打造“钢铁抗菌盾”！兼具超高强度、耐蚀性与抗菌性能的纳米析出相强化钢

2025-04-18 科技资讯

微生物腐蚀（MIC）已成为威胁海洋工程、油气输送和医疗器械等国家重大工程领域装备安全运行的重大挑战。其中，硫酸盐还原菌（SRB）等微生物引发的局部腐蚀因其隐蔽性强、破坏性大等特点，被称为材料失效的“隐形杀手”。在强腐蚀介质、动态载荷与微生物膜协同作用的极端工况下，传统高强钢材料长期面临强度、耐蚀性与抗菌性能难以兼顾的困境。开发兼具超高强度、优异耐蚀性和高效抗菌性能的新型结构材料，已成为国际材料科学领域亟待突破的关键技术难题。

针对这一重大需求，中国科学院金属研究所孙成研究员团队联合王威研究员团队及新加坡南洋理工大学Upadrasta Ramamurty教授团队，创新性地提出“析出调控—耐蚀设计—表面功能”三位一体协同设计理念。研究团队通过精确调控Cu元素在钢中的富集行为，成功构建了以Cu富集纳米析出相为核心的“力学性能-耐蚀性-抗菌性”协同增强机制，研制出具有突破性性能的新型超高强纳米析出相强化钢。该材料的创新设计体现在：（1）通过精准的材料设计和热处理工艺，实现Cu元素在钢基体中的纳米级析出相可控分布；（2）利用析出相的弥散强化效应提升材料强度的同时，通过Cu离子的缓释作用赋予材料持久的抗菌性能；（3）通过微观组织结构的优化设计，实现材料强度、耐蚀性和抗菌性能的协同提升。

系统的研究表明，富Cu纳米析出相在钢材性能提升中发挥着多重关键作用：首先，持续释放的Cu离子能有效快速杀菌，从而抑制SRB在钢表面的黏附和繁殖；其次，纳米析出相的弥散分布使钢材获得高达1.8 GPa的抗拉强度，同时保持优异的耐蚀性能。在模拟SRB腐蚀环境的加速试验中，新型钢材的腐蚀速率较对照组（未含铜纳米析出相）降低约14倍，展现出卓越的抗局部腐蚀能力。研究还建立了析出相结构调控与抗菌/耐蚀机制的定量关系模型，阐明了Cu富集纳米析出相通过调控材料表面微区电化学环境，实现抑制生物膜形成和延缓腐蚀进程的协同作用机理。

这一成果不仅解决了超高强钢在微生物腐蚀环境中性能失衡的技术瓶颈，更为设计开发新一代多功能结构材料提供了重要的理论指导和工程借鉴。相关研究成果以“Cu-rich nano precipitates simultaneously enhance the tensile properties,antibacterial efficacy,and corrosion resistance of ultra-high strength steel”为题，发表于金属材料科学领域著名期刊《Acta Materialia》。金属研究所韦博鑫副研究员和牛梦超项目研究员为论文共同第一作者，金属研究所王威研究员、湘潭大学吴堂清教授和新加坡南洋理工大学Upadrasta Ramamurty教授担任共同通讯作者。

本研究获得了国家自然科学基金和新加坡科学、技术和研究局结构金属合金项目的资助支持。该技术的工程化应用将为我国重大基础设施的长期安全服役提供重要的材料保障。

图1. 钢中Ni₃Ti与富Cu析出相的原子探针层析(APT)三维重构分析

图2. 钢的工程应力-应变曲线

图3. 含铜钢的抗菌性能测试

图4. 钢在SRB接种溶液中浸泡14天后的腐蚀失重结果

图5. 钢的局部腐蚀形貌及蚀坑深度分析

图6. 含Cu钢的抗菌机制示意图