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雙相不鏽鋼用什麼腐蝕劑

來源:科技日報

實習記者 都 芃

黃明欣團隊采用粉末冶金的生産工藝，将不鏽鋼中銅的含量提升至20%，獲得了具有抗新冠病毒特性的不鏽鋼。這樣制得的高含銅量不鏽鋼，不僅能避免“銅脆”現象，而且其富銅沉澱物能均勻分布在整個金屬制品中，即使制品表面磨損也不會影響其抗病毒效果。

新冠肺炎疫情暴發以來，“物傳人”成為新冠病毒傳播的重要途徑之一。曾有研究顯示，新冠病毒能在普通不鏽鋼材料表面存活3天之久。因此，研發出能夠殺滅新冠病毒的不鏽鋼材料，成為業界和學界的一大目标。

近期，香港大學工程學院機械工程系黃明欣教授領導的團隊與香港大學(李嘉誠醫學院)免疫與感染研究中心潘烈文教授的研究團隊合作，通過調整不鏽鋼的化學成分和微觀組織結構，成功令不鏽鋼能殺滅表面附着的新冠病毒和其他常見病原體微生物。

新型不鏽鋼含銅20% 顯示出強大的抗新冠病毒特性

自20世紀初被發明後，憑借着在硬度、耐腐蝕性、可加工性等方面的優異性能，從公共場所的基礎設施，到家庭生活的日常裝潢，不鏽鋼成為公衆最常接觸的材料之一。

但随着新冠肺炎疫情席卷全球，不鏽鋼這個公共場所随處可見的基礎材料，已成為新冠病毒擴散傳播的載體——攜帶病毒的飛沫和呼吸道分泌物會附着在不鏽鋼材料上，使其成為潛在的病毒傳播媒介。

例如，此前中國疾病預防控制中心曾對一起新冠病毒感染案例進行分析，認為同一單元樓内的住戶極有可能因共用一部電梯，共同觸摸不鏽鋼材質的電梯按鍵而造成病毒在住戶中擴散。

在具體研究中，為了更好地比較不同不鏽鋼材料之間的抗菌抗病毒性能，黃明欣團隊制備了多份樣品，分别是常規的316不鏽鋼、含銀0.3%和0.6%的不鏽鋼、4種含銅1%—20%不等的不鏽鋼以及純銀和純銅。并且為了凸顯其實用價值，他們還專門将其制備成了電梯按鈕樣式，以模拟在最常見的使用環境下，不同種類不鏽鋼的抗新冠病毒性能。

最終，研究結果顯示，常規316不鏽鋼、純銀和含銀不鏽鋼對新冠病毒和甲型H1N1流感病毒沒有明顯的抑制作用。而相比之下，純銅和含銅不鏽鋼則表現出了十分顯著的抗病毒特性。尤其是含銅量20%的不鏽鋼，其可以在3小時和6小時内分别顯著減少其表面99.75%和99.99%的活體新冠病毒，顯示出了強大的抗新冠病毒特性。

黃明欣表示，由于高含銅量不鏽鋼的制備采用的是粉末冶金的方式，這使得其可以不受材料表面磨損的影響，能在較長的時間範圍内持續擁有抗新冠病毒特性。

從抗菌到抗病毒 把握不鏽鋼中的銅含量很重要

其實早在這種抗新冠病毒不鏽鋼研發之前，能夠抗菌的不鏽鋼就已十分普遍，并早早開始了工業化生産，而其中也是添加了銅和銀。

中國科學院金屬研究所研究員楊珂指出，銅和銀已是業界公認的優秀抗菌材料，對包括大腸杆菌等在内的常見緻病菌有着出色的抵抗能力。比如含銅量僅5%的抗菌不鏽鋼，便具有99%的抗菌率。因為密集的富銅沉澱物會永久留存在不鏽鋼基質中，産生持久的抗菌效果。而銀的抗菌能力則更強，隻要在不鏽鋼基質中添加0.3%的銀，便可産生強大的抗菌效果。但抗菌不鏽鋼要想達到抗新冠病毒的效果，還需增加其中的銅含量。

不鏽鋼作為一種鐵基合金，以鐵為基本，生産過程中會加入鎳、鉻等元素以增強其性能。如果一味加入大量的銅，會使其基礎性能發生改變，從而導緻其不再具備不鏽鋼的特性，無法進行大規模應用。楊珂表示，生産抗病毒不鏽鋼，其最大挑戰在于如何在加入足量的抗病毒元素的同時，又不改變不鏽鋼的核心性能。

銅雖然是不鏽鋼的核心元素之一，但加入過量也會嚴重影響不鏽鋼的核心性能。楊珂向記者介紹道，鋼鐵的熱加工鍛造過程，需要在1200℃左右的高溫下進行，而銅本身的熔點大約為1080℃。銅加入過多會導緻鋼材在熱加工時的鍛造性變差，出現通常意義上的“銅脆”現象。

為了避免“銅脆”現象，同時又保證加入含量足夠抗病毒效果的銅，有研究人員改用物理氣相沉積、冷噴塗、離子注入等方法，為不鏽鋼塗上一層抗病毒塗層。但這些方法生産的塗層，厚度小于1毫米，很容易被磨損導緻其抗病毒性能大幅下降，因此這類不鏽鋼材料無法取得長期的抗病毒效果，不具備大規模應用的價值。

而黃明欣團隊此次采用了粉末冶金工藝，将不鏽鋼中銅的含量提升至20%，獲得了具有抗新冠病毒特性的不鏽鋼。楊珂表示，粉末冶金方法是将金屬粉末采用模具進行高壓壓制，随後再以較高的溫度燒結定型。采用這種方法制造的高含銅量不鏽鋼，不光不會出現“銅脆”現象，而且其富銅沉澱物也不隻分布在表面，而是均勻分布在整個金屬制品中，因此即使制品表面磨損也并不影響其抗病毒效果。

市場空間仍待挖掘 擴大産業化規模應從兩方面發力

楊珂介紹，雖然實驗效果顯著，但抗病毒不鏽鋼要形成規模化、産業化，仍有很長的路要走。即使是目前工業生産已十分成熟的抗菌不鏽鋼，其仍有較大的市場空間等待挖掘。

“與我們合作的一家企業，2020年就生産和銷售了5000噸抗菌不鏽鋼。”楊珂說，目前抗菌不鏽鋼工業已具有較大規模，且形成了相關的行業标準。2020年底，工信部已正式發布“含銅抗菌不鏽鋼”行業标準YB/T 4171-2020，涵蓋含銅系列抗菌不鏽鋼的訂貨内容、技術要求、試驗方法、檢驗規則等方面。但目前抗菌不鏽鋼仍主要應用于生産餐飲領域的餐具、廚具，如抗菌不鏽鋼筷子、菜刀等，且消費市場主要集中在江蘇、浙江、廣東，應用規模仍較小，使用場景較為單一。

楊珂還指出，生産抗病毒不鏽鋼所用的粉末冶金方法，工藝複雜、成本較高，無法成為主流的生産方式，并且過多銅元素的加入也會使得不鏽鋼的耐腐蝕性下降，使其無法用于生産高端産品，一定程度上限制了其應用場景。

楊珂認為，該研究成果雖然距離大規模應用仍需時日，但其打開了一扇新的窗口，使銅在不鏽鋼材料中的作用被更大程度顯現了出來，并給予了不鏽鋼材料新的可能。“我們國家的抗菌不鏽鋼生産技術在世界範圍内是領先的，抗菌不鏽鋼未來還可以有更大的用途，其中在醫療器械抗感染方面的應用最被看好。”

目前，楊珂等人也在與深圳地鐵進行合作，開發抗菌不鏽鋼制成的把手、欄杆等。他認為，未來要想實現抗菌、抗病毒不鏽鋼的規模化應用，還應在兩方面發力。一是在應用端找到合适的應用場景，比如可以在醫院中用抗菌不鏽鋼建設樣闆房，起到示範效果。另一方面則是要加強基礎研究。目前，銅離子抗菌抗病毒的作用機制仍然沒有摸清，各種理論自成一派，沒有統一的、具有廣泛說服力的作用機制，一定程度上制約了抗菌、抗病毒不鏽鋼的發展。

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