中科院金属所杨春光课题组：抗菌不锈钢表面与基体协作应对菌致开裂

2024-12-27 11:41:07 作者：杨春光来源：材料科学和技术分享至：

第一作者：赵焓羽

通讯作者：杨春光，席通

通讯单位：中国科学院金属研究所

DOI: 10.1016/j.jmst.2024.02.023

01全文速览

本研究重点针对硫酸盐还原菌由于“铜毒化”效应造成的抗菌失效及硫酸盐呼吸造成的氢脆，通过高效利用合金化元素铜和铈，设计了一种具备“双抗”作用的双相不锈钢。该材料展现出抗菌表面和抗氢脆基体的协同特性，具备优异的抗菌致开裂性能，研究成果为先进防护材料的设计与开发提供了技术基础。

02研究背景

近年来，微生物腐蚀问题受到越来越多研究人员的关注，全球每年超过2.7万亿美元的损失归因于微生物腐蚀[1]。当材料受力服役时，微生物腐蚀与应力相耦合，点蚀坑处优先发生阳极溶解，细菌代谢产物氢在应力的作用下聚集到裂尖或缺陷处，由此产生的应力腐蚀开裂问题归类为菌致开裂。其通常具备隐蔽、快速和突发等特点，使材料的塑性在服役过程中逐渐降低，引发的材料性能下降导致其使用寿命低于设计预期，从而带来重大经济损失并构成严重的安全隐患。因此，有必要加强工程用钢的抗菌致开裂性能。

03本文亮点

通过Ce添加，降低Cu有效抑制SRB生物膜的浓度门槛，提升材料表面的抗菌性能，点蚀程度降低63.9%；通过微观组织调控，纳米级富Cu相在铁素体内单相析出并充当氢的捕获位点，缩小双相结构在抗氢脆性能上的差异，有效阻止SRB代谢生物氢扩散诱导的氢脆。在整个共培养周期中，Ce弥补了Cu抑制SRB生物膜能力的不足，Cu补偿了Ce对抗氢脆能力的削弱，两元素相互补足，协同增效，为双相不锈钢提供“主动进攻的抗菌表面”与“被动防御的抗氢脆基体”的功能集合。

04图文解析

图1 厌氧条件下的加载试样及装置

图2 抗菌表面优异的SRB生物膜抑制性能

图3 抗菌表面腐蚀产物表征

图4 2205双相不锈钢SSRT近表面断口被点蚀与氢共同影响

05总结与展望

研究揭示了材料在微生物腐蚀环境下的抗菌致开裂机制，为未来开发高性能抗菌合金提供了理论基础。研究团队下一步将量化富Cu相在氢捕获中的具体贡献，并探索Cu与其他稀土元素的潜在协同抗菌效应。

06参考文献

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.