金屬所成功研發一種新型耐微生物腐蝕雙相不銹鋼

文章來源：金屬研究所    發布時間：2015-09-11  

由于海洋工程裝備及結構件是在苛刻的腐蝕性環境下服役，其水下結構長期受到海水的侵蝕及微生物的作用，因此對其耐蝕性提出了更高的要求。對海洋工程裝備用不銹鋼而言，海水中的氯離子腐蝕和微生物腐蝕一直是世界公認的難題，世界上主要發達國家因此均設立了國家戰略項目支持該領域的研究開發，但是都還沒有很好地解決該問題。海洋工程材料的微生物腐蝕和生物污損問題每年給國家造成近萬億元的經濟損失和30% 以上海中航行體的能源浪費，已成為嚴重制約重大海洋工程技術和裝備發展的技術瓶頸之一，其導致的材料失效問題更是嚴重地影響到海洋工程裝備的可靠性和壽命。因此，海洋工程材料的微生物腐蝕失效機理與防護技術已成為我國海洋工程領域中亟待解決的重大問題。

研究證實，導致海洋用金屬結構件微生物腐蝕的主要原因就是金屬表面細菌生物膜的生成。如果能有效抑制和殺滅粘附在金屬材料表面的細菌生物膜，就能有效緩解或抑制微生物腐蝕的發生。因此，利用抗菌不銹鋼的抗菌特性及其對細菌生物膜形成的抑制作用，從而提高不銹鋼的抗微生物腐蝕能力，是一個富有創新性的新思路。中國科學院金屬研究所的楊柯研究團隊利用銅離子的強烈殺菌特性，早在本世紀初就已經成功開發出奧氏體、鐵素體和馬氏體等多種類型含銅抗菌不銹鋼，這些抗菌不銹鋼對日常生活中常見的大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、白色念珠菌、氣單孢菌等細菌都有明顯的殺滅作用。

針對不銹鋼在海洋環境中形成的細菌生物膜，在研究員楊柯的指導下，該研究團隊的徐大可和楊春光近期成功地研發出一種具有耐微生物腐蝕能力的抗菌雙相不銹鋼（2205-Cu）。研究結果表明，2205-Cu不銹鋼在2216E培養基條件下與引起海洋微生物腐蝕的銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa)共培養7天后，殺菌率達到96.9%。共培養14天后，普通2205雙相不銹鋼表面上微生物腐蝕所導致的最深點蝕深度為9.50mm，而2205-Cu抗菌雙相不銹鋼表面上微生物腐蝕所導致的最深點蝕深度僅為1.44mm。通過極化曲線獲得的腐蝕電流密度結果也顯示，2205-Cu抗菌雙相不銹鋼具有極強的耐微生物腐蝕的能力，在2216E培養基條件下與銅綠假單胞菌共培養14天后，腐蝕電流密度僅為0.04μA cm-2，而普通2205雙相不銹鋼的腐蝕電流密度為0.20μA cm-2。

　　2205 雙相不銹鋼是海洋環境下目前使用最廣泛的雙相不銹鋼，近年來出現的關于海洋細菌腐蝕導致2205雙相不銹鋼失效的報道已經引起學者們的廣泛關注。2205-Cu這種耐微生物腐蝕能力極強的抗菌雙相不銹鋼的問世填補了我國在海洋抗菌工程材料領域中的空白，該研究成果具有重要的學術意義與實際應用價值。研究結果已在近期刊登在Biofouling（《生物污損》）（2015，31,481-492）上，并已申報國家發明專利。該項研究得到了國家重點基礎研究發展計劃（“973”計劃）、國家材料環境腐蝕平臺和中國科學院金屬研究所“所優秀學者”科研啟動金的資助。

   圖1：2205雙相不銹鋼(a)和2205-Cu抗菌雙相不銹鋼(b)在2216E培養基里與銅綠假單胞菌共培養7天后的細菌生物膜活/死染色后的生物膜形貌，其中綠色為活的細菌，紅色為死的細菌。從圖中可以明顯看到2205-Cu 抗菌雙相不銹鋼具有強烈的抑制細菌生物膜形成的作用。