Sci. Adv. 在Ti-Au合金體系中發現超高硬度生物材料


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在生物醫用材料領域中,鈦合金由于具有比強度低、生物相容性好、抗腐蝕性能優異等優點獲得了廣泛的應用。而對于用在人體植入方面的生物醫用鈦合金,大致可以分為兩類。一種是用于骨科植入上的鈦合金,這種鈦合金在力學性能方面的一個要求就是模量要低,因為人體骨骼的彈性模量大概為30GPa,如果材料的模量與骨骼模量相差太多,就會造成植入物與骨骼之間的彈性不匹配,產生所謂的“應力屏蔽”效應。而另外一種就是用于牙科植入的鈦合金,它在力學性能方面的最大要求就是硬度要高,從而才能充分利用牙齒咀嚼的能力,因此,目前關于牙種植體鈦合金的研究都致力于尋找高硬度的材料。

最近,來自美國萊斯大學的研究人員在Science Advances期刊上報道了他們的相關研究成果。他們在Ti-Au合金體系中發現,金屬間化合物β-Ti3Au擁有極高的硬度,硬度值大約為純鈦或者大多數鋼材料的四倍,此外,它還具有優異的抗摩擦磨損性能以及良好的生物相容性,在硬組織修復方面具有重要的潛在應用價值。

通過深入細致的分析,他們認為,更高的價電子密度、更短的結合鍵長度以及贗能隙的形成是促使β-Ti3Au擁有超高硬度的三個主要因素。

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圖1 Ti1-xAux材料和其他金屬間化合物及醫用合金材料的硬度對比
(上軸表示x數值的變化,下軸表示質量密度的變化,藍色正方形表示醫用合金材料的數據點,綠色三角形表示金屬間化合物數據的點)

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圖2 Ti0.75Au0.25合金的結構分析
(A): α-Ti3Au相的晶體結構,以及分別以Au原子(左插圖)和Ti原子(右插圖)為中心的立方八面體;
(B): β-Ti3Au相的晶體結構,以及分別以Au原子(左插圖)為中心的二十面體和以Ti原子(右插圖)為中心的Frank-Kasper多面體;
(C): XRD衍射圖譜符合β-Ti3Au相的衍射峰分布,同時存在非常少量的α-Ti3Au及α-Ti夾雜;
(D/E): Ti0.75Au0.25合金樣品分別沿[111]和[100]取向的高分辨透射電鏡照片;
(F/G): 分別沿[111]和[102]方向的選取電子衍射照片

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圖3 Ti-Au體系中幾種定比金屬間化合物的態密度曲線
(分別列出了β-TiAu、TiAu、TiAu4以及β-Ti3Au的態密度隨著能量變化曲線,通過灰色區域的放大圖可以明顯看出,β-Ti3Au在費米能級附近存在一個明顯的態密度值的低谷)

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圖4 Ti1-xAux合金與SiC的磨損性能評價
(A): 分別在x=0/0.25/0.3/0.5的情況下,摩擦系數隨著時間的變化情況,插圖的氧化鋁容器表明Ti1-xAux會附著在陶瓷構件的表面;
(B): Ti1-xAux與SiC的磨損體積對比

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圖5 磨損測試后的SEM照片
(分別列出了Ti1-xAux以及對應的SiC的磨損痕跡特征,紅色框表示的是摩擦副之間接觸的區域)

參考文獻:High hardness in the biocompatible intermetallic compound β-Ti3Au

感謝材料人編輯部提供素材.

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