微生物腐蝕（MIC）已成為威脅海洋工程、油氣輸送和醫療器械等國家重大工程領域裝備安全運行的重大挑戰。其中，硫酸鹽還原菌（SRB）等微生物引發的局部腐蝕因其隱蔽性強、破壞性大等特點，被稱為材料失效的“隱形殺手”。在強腐蝕介質、動態載荷與微生物膜協同作用的極端工況下，傳統高強鋼材料長期面臨強度、耐蝕性與抗菌性能難以兼顧的困境。開發兼具超高強度、優異耐蝕性和高效抗菌性能的新型結構材料，已成為國際材料科學領域亟待突破的關鍵技術難題。

針對這一重大需求，中國科學院金屬研究所孫成研究員團隊聯合王威研究員團隊及新加坡南洋理工大學Upadrasta Ramamurty教授團隊，創新性地提出“析出調控—耐蝕設計—表面功能”三位一體協同設計理念。研究團隊通過精確調控Cu元素在鋼中的富集行為，成功構建了以Cu富集納米析出相為核心的“力學性能-耐蝕性-抗菌性”協同增強機制，研制出具有突破性性能的新型超高強納米析出相強化鋼。該材料的創新設計體現在：（1）通過精準的材料設計和熱處理工藝，實現Cu元素在鋼基體中的納米級析出相可控分布；（2）利用析出相的彌散強化效應提升材料強度的同時，通過Cu離子的緩釋作用賦予材料持久的抗菌性能；（3）通過微觀組織結構的優化設計，實現材料強度、耐蝕性和抗菌性能的協同提升。

系統的研究表明，富Cu納米析出相在鋼材性能提升中發揮著多重關鍵作用：首先，持續釋放的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1.8 GPa的抗拉強度，同時保持優異的耐蝕性能。在模擬SRB腐蝕環境的加速試驗中，新型鋼材的腐蝕速率較對照組（未含銅納米析出相）降低約14倍，展現出卓越的抗局部腐蝕能力。研究還建立了析出相結構調控與抗菌/耐蝕機制的定量關系模型，闡明了Cu富集納米析出相通過調控材料表面微區電化學環境，實現抑制生物膜形成和延緩腐蝕進程的協同作用機理。

這一成果不僅解決了超高強鋼在微生物腐蝕環境中性能失衡的技術瓶頸，更為設計開發新一代多功能結構材料提供了重要的理論指導和工程借鑒。相關研究成果以“Cu-rich nano precipitates simultaneously enhance the tensile properties,antibacterial efficacy, and corrosion resistance of ultra-high strength steel”為題，發表于金屬材料科學領域著名期刊《Acta Materialia》。金屬研究所韋博鑫副研究員和牛夢超項目研究員為論文共同第一作者，金屬研究所王威研究員、湘潭大學吳堂清教授和新加坡南洋理工大學Upadrasta Ramamurty教授擔任共同通訊作者。

本研究獲得了國家自然科學基金和新加坡科學、技術和研究局結構金屬合金項目的資助支持。該技術的工程化應用將為我國重大基礎設施的長期安全服役提供重要的材料保障。

圖1.?鋼中Ni?Ti與富Cu析出相的原子探針層析(APT)三維重構分析

圖2.?鋼的工程應力-應變曲線

圖3.?含銅鋼的抗菌性能測試

圖4.?鋼在SRB接種溶液中浸泡14天后的腐蝕失重結果

圖5.?鋼的局部腐蝕形貌及蝕坑深度分析

圖6. 含Cu鋼的抗菌機制示意圖

本文來自：中科院金屬所。