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  2. 金屬所:耐候鋼銹層組分時(shí)空分布演化規(guī)律研究取得新進(jìn)展!
    2022-05-10 11:04:21 作者:新材料科技資訊 來源:中科院金屬所 分享至:

    生物引發(fā)的食品腐敗不僅損害了食品的食用價(jià)值,更會(huì)嚴(yán)重危害人類的生命健康。開發(fā)具有自潔性的食品接觸金屬材料對(duì)阻斷微生物的繁殖及傳播具有重要的意義。 期,中國科學(xué)院金屬研究所師昌緒先進(jìn)材料創(chuàng)新中心前沿材料研究部楊柯研究員帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在含銅抗菌不銹鋼的食品保鮮功能方面取得了創(chuàng)新研究進(jìn)展,對(duì)發(fā)展新型結(jié)構(gòu)/功能一體化的食品接觸金屬材料起到了重要引領(lǐng)作用。相關(guān)研究成果分別以“New strategy to delay food spoilage: Application of new food contact material with antibacterial function(延緩食品腐敗的新策略:具有抗菌功能的新型食品接觸材料的應(yīng)用)和”Novel Cu-bearing stainless steel: a promising food preservation material(新型含銅不銹鋼:一種有前景的食品保存材料)為題發(fā)表在Journal of Materials Science & Technology上。 


    大氣腐蝕是工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中最普遍的腐蝕行為,也是造成經(jīng)濟(jì)損失最為嚴(yán)重的腐蝕形式之一,其本質(zhì)是大氣環(huán)境在金屬表面發(fā)生干濕交替作用而導(dǎo)致銹蝕。作為腐蝕產(chǎn)物的銹層在金屬表面的沉積將顯著地影響大氣腐蝕的后續(xù)進(jìn)程,甚至對(duì)其腐蝕熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)起到?jīng)Q定性的作用。耐候鋼便是通過調(diào)控鋼中的合金元素和相組織來改善銹層組分從而抑制大氣腐蝕的低合金鋼。長(zhǎng)期以來,人們對(duì)耐候鋼銹層由內(nèi)到外的時(shí)空分布、致密性及離子選擇性等耐候機(jī)制尚不十分明確,對(duì)銹層內(nèi)在演化規(guī)律的認(rèn)識(shí)也較為淺顯,這嚴(yán)重地限制了耐候鋼的設(shè)計(jì)與開發(fā)。  

    近期,金屬所沈陽材料科學(xué)國家研究中心聯(lián)合研究部董俊華研究員帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在耐候鋼銹層組分時(shí)空分布演化規(guī)律方面取得了創(chuàng)新性研究進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)首次通過同步輻射XRD、原位微區(qū)拉曼光譜、電子探針和電化學(xué)測(cè)試等研究手段準(zhǔn)確地表征出碳鋼和耐候鋼表面銹層組分的初期分布及演化規(guī)律。研究結(jié)果表明:Q235B的銹層為雙層結(jié)構(gòu),內(nèi)層為α-FeOOH、β-FeOOH和Fe3O4的混合銹層,外層為-FeOOH。β-FeOOH的還原是低碳鋼腐蝕加速的原因。MnCuP耐候鋼的內(nèi)銹層主要為穩(wěn)定的α-FeOOH,在內(nèi)銹層與鋼基體之間存在由α-FeOOH和Fe3O4組成的納米膜。MnCuP耐候鋼的次外層由-Fe2O3與α-FeOOH組成,最外層為γ-FeOOH。此項(xiàng)研究還發(fā)現(xiàn)元素Cu的添加促進(jìn)了MnCu鋼銹層中α-FeOOH組分的生成,減少了靠近基體處銹層中β-FeOOH組分的生成。同時(shí),Cu的摻雜使Fe3O4具有離子選擇性,可阻擋外部腐蝕性介質(zhì)向鋼的基體輸運(yùn)。元素P能進(jìn)一步促進(jìn)銹層中α-FeOOH的生成,并更為明顯地抑制β-FeOOH及Fe3O4在內(nèi)銹層中的存在。另外Cu、P的添加不僅提高了MnCuP鋼基體的腐蝕電位,而且使帶銹電極的腐蝕電位在腐蝕前期迅速正移,顯著地抑制了陰、陽極過程,從而降低了腐蝕速率。該部分工作為構(gòu)建耐候鋼設(shè)計(jì)理論體系及相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。相關(guān)工作分別發(fā)表在J. Mater. Sci. Technol., 76 (2021) 41-50和Corros. Sci., 193 (2021) 109912上。 

    上述工作得到了國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、遼寧省科技重大專項(xiàng)計(jì)劃、沈陽材料科學(xué)國家研究中心基礎(chǔ)前沿及共性關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目等項(xiàng)目的資助。 
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    圖1. MnCuP耐候鋼、MnCu耐候鋼與16Mn鋼在大氣腐蝕初期的腐蝕速率演變規(guī)律
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    圖2. Q235鋼在模擬海岸大氣環(huán)境下60CCT后的銹層截面拉曼光譜及銹層深度方向上的成分結(jié)構(gòu)示意圖,(a) 拉曼光譜作用位置,(b) 銹層截面的拉曼光譜,(c)銹層深度方向上的成分結(jié)構(gòu)示意圖
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    圖3. MnCuP耐候鋼在模擬海岸工業(yè)大氣環(huán)境下10CCT后的銹層截面拉曼光譜及銹層深度方向上的成分結(jié)構(gòu)示意圖,(a) 拉曼光譜作用位置,(b) 銹層截面的拉曼光譜,(c)銹層深度方向上的成分結(jié)構(gòu)示意圖

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