|
近日，南方科技大学机械与能源工程系逯文君研究员团队、瑞典皇家理工学院Xiaoqing Li（李晓庆）等联合在国际高水平期刊Advanced Materials发表论文，报道了一种兼具低弹性模量与良好塑性的亚稳TiZrHfTa生物高熵合金（弹性模量29-37GPa，塑性~25%）。该工作通过第一性原理计算，筛选由无毒害元素构成具有低BCC（体心立方）相稳定性、低原子键结合力的单相亚稳BCC TiZrHfTa合金成分，实现合金的低弹性模量。同时在合金中引入应力诱发马氏体相变，马氏体孪晶，非晶相变机制，使合金具有良好的塑性。该亚稳TiZrHfTa生物高熵合金突破了传统生物医用合金无法兼顾低弹性模量和高塑性的瓶颈，在医用域具有重大应用前景。 论文链接： https:///10.1002/adma.202310926
生物医用合金因其出色的机械性能，被广泛用于医学植入材料和治疗设备中，尤其是在需要替代硬组织（如骨组织等）的生物植入体。通常医用合金的弹性模量远高于人体骨骼，在长期使用中会产生“应力屏蔽”现象，可能会导致植入体松动，甚至植入体周围骨骼骨折。医用合金的塑性也是其服役及生产过程中的十分重要指标。因此理想生物医用合金应该兼具低弹性模量和较高的塑性。然而传统合金的弹性模量有限（45-210GPa），与人体骨骼（~30GPa）尚有较大差距，且弹性模量低的合金往往塑性有限。因此如何获得兼具接近人体骨骼的低弹性模量及良好的塑性，成为了发展生物医用合金亟待解决的技术难点。 为此，逯文君研究员及其合作者，通过第一性原理计算与实验相结合的方法，设计并制备了一种由无毒无害组成，兼具低弹性模量和高塑性的亚稳BCC TiZrHfTa生物高熵合金。通过第一性原理计算设计合金成分，使该合金初始状态为低弹性模量的单相BCC结构且具有低于传统钛合金的原子键结合力，最终使合金具有低弹性模量。通过原位电镜技术对材料在拉伸过程中微观组织变化进行细致表征，发现合金在拉伸过程中极易发生应力诱发马氏体相变、马氏体孪晶、最终使合金具备极高的加工硬化和良好的塑性。在大形变区域，马氏体中的非晶化相变过程也分别在宏观及微观拉伸试样被观察到，非晶化相变有助于减缓裂纹拓展，提高塑性。此外本工作也对TiZrHfTa生物高熵合金进行了生物毒性分析，证明其具有优异的生物相容性。相关研究成果以题为：An ultra-low modulus of ductile TiZrHfTa biomedical high-entropy alloys
through deformation induced martensitic transformation/twinning /amorphization发表在国际高水平期刊Advanced Materials。
图1. TiZrHfTa生物高熵合力学曲线图及其弹性模量与塑性对比图（相比于其他类型的生物医用合金）。
图2. 应力诱发马氏体相变及马氏体孪晶的多尺度表征图。
图3. 原位纳米/原子级拉伸表征图。 南方科技大学钱柄男博士后为论文第一作者，逯文君研究员为论文唯一通讯作者，南方科技大学机械与能源工程系为唯一通讯单位。第一性原理计算工作由瑞典皇家理工学院Xiaoqing Li完成，生物毒性测试实验由苏州大学王玉完成，该工作获得国家自然科学基金、松山湖实验室开放基金、广东省基础与应用基础研究基金、深圳市科技创新局、南方科技大学测试中心、瑞典研究委员会、Göran Gustafssons基金会、Carl Tryggers基金会和瑞典战略研究基金会的资助与支持。 招聘信息： 逯文君课题组长期招聘研究助理教授、博士后和研究助理，有意者请将个人简历（PDF）等相关材料发送至luwj@sustech.edu.cn，邮件标题请注明“姓名+毕业学校+应聘职位”，我们期待您的加盟！ 逯文君研究员及团队介绍： 逯文君研究员于2020年10月加入南方科技大学独立建组，任博士生导师。主要研究领域为金属材料的结构亚稳化、高强轻质化及多维表征技术的研究，在亚稳多主元合金的强韧化设计、新型高强轻质钢的开发、以及多维电镜表征方法三方面取得了一系列创新性的研究成果。近年来，在Nature Materials, Advanced Materials, Nature Communications, Science Advances, Advanced Functional Materials, Physical Review Letters, Acta Materialia等期刊上发表论文100余篇。先后获得国家级青年人才、深圳市海外高层次人才以及新材料国际发展趋势高层论坛优秀青年科学家奖（2021）。担任《Materials Research Letters》、《Advanced Powder Materia》、《中国有色金属学报》与《粉末冶金材料科学与工程》期刊青年编委；连续三年（2021 -2023）入选全球前2%顶尖科学家名单。 |
|
|
