牙科用块体钴银纳米双相合金的变形机理及生物适配机制研究

Bulk immiscible nanostructured binary alloys can overcome the grain growth defect of singe phase nanostructured metals, and can further combine the advantage of each phase and thus exhibit excellent comprehensive properties. Therefore, they are ideal candidates for dental application. However, the plastic deformation mechanism of the binary system with hexagonal close packed (HCP) metal as matrix and face centered cubic (FCC) metal as second phase during wear is not clear. The biocompatibility, corrosion mechanism in oral environment and tribological property of such alloys are yet to be studied. Using Co-Ag binary alloys as our model system, this project aims to study the deformation mechanism of bulk immiscible HCP-FCC nanostructured binary alloys during wear, in-depth explore the relationship among processing-chemical composition, microstructure and their mechanical, chemical, biological and tribological properties, and eventually reveal the bio-adapting mechanism of such alloys in oral environment. The results obtained from this project will have significant contributions to understand the deformation mechanism of binary nanostructured alloys, establish the framework of bio-adapting theory of dental alloys, and enhance the development of novel dental implants.

块体难混溶纳米双相合金能克服单相纳米合金晶粒容易长大的缺陷，并能结合各相的优点呈现出良好的综合性能，在牙科修复领域有着广阔的应用前景。然而，对以密排六方(HCP)金属为基体、面心立方(FCC)金属为第二相的难混溶纳米双相合金在磨损时的塑性变形机制仍不清楚，其生物相容性、在口腔环境中的腐蚀性能、摩擦学性能等有待研究。本项目以HCP钴为基体，FCC银为第二相作为模型体系，研究块体HCP-FCC难混溶纳米双相合金的协调变形机理，阐明该类合金加工-成分、微观结构-力学、化学、生物学、摩擦学性能之间的相互关系，揭示其在口腔环境中的生物适配机制。项目成果将对理解纳米双相合金的变形机制、完善牙科合金材料生物适配机制理论体系、促进新型牙科植入材料和器件的开发具有重要的科学与工程意义。

本项目拟在开发低成本、耐腐蚀、抗磨损、具有良好生物相容性和抑菌性的钴-银（Co-Ag）块体纳米双相合金制备新工艺，阐明以密排六方金属（HCP）为基体-面心立方（FCC）为第二相的难混溶纳米双相合金在摩擦磨损过程中的协调变形机制以及磨损剖面微观梯度结构演化规律，阐明工艺参数–成分、微观结构–力学、化学、生物学、摩擦学性能之间的相互关系。完成具体工作如下：1）利用高能球磨和真空低温高压烧结技术制备了块体纳米晶纯钴，研究了其力学及摩擦学性能和在模拟生理环境中的耐腐蚀性能，发现纳米晶纯钴为ε-Co（HCP）和γ-Co（FCC）双相结构，虽具有较高耐磨性，但耐腐蚀性较差；2）研究了Co-Cr和Co-Cr-Mo合金的摩擦磨损和腐蚀行为，发现加入Cr可抑制γ-Co的生成，但析出纳米σ相，具有高耐磨性和耐腐蚀性；3）制备了块体Co-Ag非互溶合金，利用热处理调控Ag相的颗粒尺寸，研究了其磨损变形机制以及在模拟生理环境中的腐蚀机理，发现Co-Ag合金中ε-Co的含量较低，且在人工唾液中无钝化区，腐蚀速率较高，产生大量难溶腐蚀产物；4）为抑制γ-Co的生成，提高Co-Ag合金的耐腐蚀性能，在原Co-Ag体系的基础上，加入30 at.%的Cr，开发出了高硬度、高强度、优异的耐磨性能和耐腐蚀性能的Co-30 at.% Cr-5 at.% Ag纳米晶合金，而且添加少量的Ag大幅度提高了合金的抗菌性，该合金有望成为一种新型的牙科合金； 5）利用分子动力学模拟方法，发展了晶界能的计算方法，研究了第二相颗粒和基体晶界的相互作用，对深入理解以HCP为基体- FCC为第二相的纳米双相合金的协调变形机制以及磨损剖面微观梯度结构演化规律具有重要意义。而且，进一步拓展至Nb-Ag、Ta-Cu以及含金属间化合物的Ti-Cu等二元合金体系，系统研究了其磨损变形机理以及应用于牙科合金的生物适配机制。项目成果将对理解纳米双相合金的变形机制、完善牙科合金材料生物适配机制理论体系、促进新型牙科植入材料和器件的开发具有重要的科学与工程意义。