Sci. Adv. 在Ti-Au合金体系中发现超高硬度生物材料

张金睿 8年前 (2016-07-30) 6846浏览

在生物医用材料领域中，钛合金由于具有比强度低、生物相容性好、抗腐蚀性能优异等优点获得了广泛的应用。而对于用在人体植入方面的生物医用钛合金，大致可以分为两类。一种是用于骨科植入上的钛合金，这种钛合金在力学性能方面的一个要求就是模量要低，因为人体骨骼的弹性模量大概为30GPa，如果材料的模量与骨骼模量相差太多，就会造成植入物与骨骼之间的弹性不匹配，产生所谓的“应力屏蔽”效应。而另外一种就是用于牙科植入的钛合金，它在力学性能方面的最大要求就是硬度要高，从而才能充分利用牙齿咀嚼的能力，因此，目前关于牙种植体钛合金的研究都致力于寻找高硬度的材料。

最近，来自美国莱斯大学的研究人员在Science Advances期刊上报道了他们的相关研究成果。他们在Ti-Au合金体系中发现，金属间化合物β-Ti3Au拥有极高的硬度，硬度值大约为纯钛或者大多数钢材料的四倍，此外，它还具有优异的抗摩擦磨损性能以及良好的生物相容性，在硬组织修复方面具有重要的潜在应用价值。

通过深入细致的分析，他们认为，更高的价电子密度、更短的结合键长度以及赝能隙的形成是促使β-Ti3Au拥有超高硬度的三个主要因素。

图1 Ti1-xAux材料和其他金属间化合物及医用合金材料的硬度对比
（上轴表示x数值的变化，下轴表示质量密度的变化，蓝色正方形表示医用合金材料的数据点，绿色三角形表示金属间化合物数据的点）

图2 Ti0.75Au0.25合金的结构分析
(A): α-Ti3Au相的晶体结构，以及分别以Au原子（左插图）和Ti原子（右插图）为中心的立方八面体；
(B): β-Ti3Au相的晶体结构，以及分别以Au原子（左插图）为中心的二十面体和以Ti原子（右插图）为中心的Frank-Kasper多面体；
(C): XRD衍射图谱符合β-Ti3Au相的衍射峰分布，同时存在非常少量的α-Ti3Au及α-Ti夹杂；
(D/E): Ti0.75Au0.25合金样品分别沿[111]和[100]取向的高分辨透射电镜照片；
(F/G): 分别沿[111]和[102]方向的选取电子衍射照片