低模量锆基硬组织替代生物医用合金相关相图、新材料设计与性能优化

Zr alloys have good combinational properties including low elastic modulus close to that of human bone, and so are considered as promising candidates for hard tissue replacements (HTR). However, related fundamental research still remains to be further explored. Based on the previous 5-year exploration, a theory-guided materials design method which is based upon both thermodynamics of phase diagram and first principle calculation, will be used in this project to improve the efficiency and quality of materials research. Phase relationships and formation mechanism of the Zr–(Mo, Nb)–Ti–M (Ta, Sn etc.) multicomponental system will be firstly investigated. Then stability and elastic properties of the Zr alloys with various compositions will be studied using first principle method, and compared with experimental results to obtain the criteria of materials design. The elastic behaviors of both single phase polycrystalline aggregate and multiphase alloys will be theoretically investigated, to design Zr-based biomaterials for HTR. Based upon the above results, effects of alloying elements on the microstructural evolution of the Zr–(Mo, Nb)-based alloys will be discussed, so as to obtain a good combination of mechanical properties, biocompatibility, magnetic susceptibility and corrosion resistance, through accurate selection of chemical composition and process parameters.

锆基合金有接近于人骨组织的弹性模量和优良的综合性能，是理想的硬组织替代用生物材料，然而相关基础研究还比较缺乏。本项目在历经五年的探索基础上，以提高锆合金的研发效率和质量为出发点，对多组元Zr–(Mo, Nb)–Ti–M (Ta, Sn等)系生物医用材料的相图、相结构、合金相的形成机理和微观组织的稳定性进行实验与理论研究；采用第一性原理方法来研究不同成分的锆基合金相的稳定性和弹性模量，并与实验结果相互验证，获得多元锆基生物医用材料设计的元素种类和成分选择的依据。理论计算单相多晶聚合体的弹性能，探讨多相合金的匀质弹性行为，设计出符合硬组织替代用合金性能要求的材料。研究合金元素对Zr–(Mo, Nb)基合金微观组织演变的影响机理，通过精确的成分和工艺参数设计来控制显微组织，获得力学性能、生物相容性、磁化率和抗腐蚀性的最佳组合，从而指导低模量锆基生物医用材料的设计与性能优化。

拥有接近于人骨组织弹性模量的和优良综合性能的锆合金是理想的硬组织替代用生物材料，开展相关的基础研究有重要的意义。本项目在前期的工作基础上开展了Zr-(Mo,Cu)-Ti-M (Nb,Sn)体系相图及其热力学数据库的研究，验证了相关的三元和多元体系相平衡关系，以及与该体系合金设计密切相关的富锆区的相图，测定了Zr-Si-TM（Cr、Y、Ho）等一系列等温平衡相图及相结构。. 在实验研究的基础上，采用第一性原理方法研究合金的重要相的体相结构、电子结构、能量等属性以及重要化合物之间结合的界面特性，探讨其稳定性、形成机理、力学性能、以及合金化改性的途径，并通过实验手段进行验证，以探索新型生物医用合金相或组织。根据研究发现，增加了含Si元素的合金相图与合金制备的研究以及NbIr3、ZrC等金属间化合物结构与性能的研究。探讨了一条由理论计算来指导新型锆基硬组织替代生物医用合金材料的设计途径，获得了元素选择和成分范围确定的依据以及显微组织控制的有效途径，制备了一系列具备优异综合性能的Zr-(Mo,Cu)-Ti-Si-M (Nb,Sn)系生物医用合金或生物医用复合材料。. 本研究成果已发表学术论文共53篇，其中在SCI和EI收录的国际期刊发表50篇、中文期刊3篇；获得授权国家发明专利3项。培养博士研究生1名、硕士研究生14名。