3D科學(xué)谷洞察

鎂合金的密度（≈1.8 g/cm3）和彈性模量（≈45 GPa）與人體骨組織（密度 1.7–2.1 g/cm3、模量 15–30 GPa）高度匹配，可顯著減輕應(yīng)力屏蔽效應(yīng)，促進(jìn)骨愈合。通過(guò) TPMS-NiTi 支架增強(qiáng)后，抗壓強(qiáng)度、能量耗散和變形恢復(fù)能力均大幅提高，使其能夠勝任負(fù)重部位的固定或支撐任務(wù)，如骨釘、骨板、椎間融合器等。鎂基互穿相復(fù)合材料兼具“力學(xué)適配-可控降解-可定制-生物友好”四大優(yōu)勢(shì)，預(yù)計(jì)將在可吸收骨釘、脊柱/關(guān)節(jié)融合器、頜面修復(fù)支架等高端醫(yī)療器械中率先落地，并有望拓展至心血管支架等軟組織工程領(lǐng)域?！?/p>

鎂（Mg）是最輕的結(jié)構(gòu)金屬，在輕量化高端裝備應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大潛力，并在實(shí)現(xiàn)碳中和方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。然而，與鋼、鈦合金等其他結(jié)構(gòu)材料相比，其固有的強(qiáng)度不足，這對(duì)更廣泛的工程應(yīng)用構(gòu)成了重大障礙。因此，開(kāi)發(fā)高性能鎂基材料已成為材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向。

當(dāng)前鎂基材料的強(qiáng)化策略主要分為兩類：本征改性和增強(qiáng)復(fù)合材料。前者通過(guò)合金設(shè)計(jì)和優(yōu)化加工工藝調(diào)控微觀結(jié)構(gòu)來(lái)提升性能。例如，構(gòu)建非晶—納米晶雙相微觀結(jié)構(gòu)已使鎂基薄膜的強(qiáng)度接近其理論極限。后者則是通過(guò)顆粒、晶須或纖維增強(qiáng)鎂及其合金，制備金屬基復(fù)合材料以突破性能瓶頸。盡管這些增強(qiáng)復(fù)合材料前景廣闊，但由于增強(qiáng)體團(tuán)聚導(dǎo)致的應(yīng)力集中以及不受控的界面反應(yīng)形成的脆性相，其穩(wěn)定性往往受到影響。

成果速覽

為解決這一問(wèn)題，香港城市大學(xué)呂堅(jiān)院士團(tuán)隊(duì)提出一種新型鎂基互穿相復(fù)合材料，該材料以具有三重周期最小表面（TPMS）構(gòu)型的鎳鈦（NiTi）支架作為增強(qiáng)體。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究與有限元模擬相結(jié)合的方法，研究人員系統(tǒng)闡明了支架單胞尺寸（a）對(duì)制造可行性和力學(xué)性能增強(qiáng)的雙重影響。為彌補(bǔ)因單胞尺寸減小而導(dǎo)致的滲透動(dòng)力學(xué)下降問(wèn)題，研究提出1×10?? m2的臨界滲透率閾值是復(fù)合材料成功制備的關(guān)鍵。

在力學(xué)性能方面，減小單胞尺寸可增強(qiáng)支架與基體之間的相互作用：TPMS結(jié)構(gòu)的NiTi支架能改善應(yīng)力傳遞、偏轉(zhuǎn)裂紋擴(kuò)展并促進(jìn)損傷分散，而鎂基體則可保持結(jié)構(gòu)完整性并實(shí)現(xiàn)載荷再分配。

該復(fù)合材料的性能顯著優(yōu)于純鎂，且減小單胞尺寸能更顯著地提升復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度、能量耗散能力和變形恢復(fù)能力。本研究為高性能鎂基材料的設(shè)計(jì)與制備提供了寶貴見(jiàn)解，適用于結(jié)構(gòu)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。

該工作以「Robust and resilient Mg–NiTi interpenetrating-phase composites with triply periodic minimal surface configuration」為題發(fā)表于

Journal of Magnesium and Alloys

工作亮點(diǎn)

? 采用增材制造與滲透工藝制備出具有TPMS結(jié)構(gòu)的鎂-鎳鈦（Mg–NiTi）復(fù)合材料。

? 較小的單胞會(huì)阻礙熔體滲透，但能提升復(fù)合材料的整體力學(xué)性能。

? 1×10?? m2的滲透率閾值是復(fù)合材料制備的關(guān)鍵條件。

? 與純鎂相比，該復(fù)合材料的峰值強(qiáng)度和能量耗散能力分別提升了170%和100%。

? 得益于鎳鈦支架，復(fù)合材料的變形恢復(fù)能力優(yōu)于純鎂。

圖文解析

圖1.具有TPMS構(gòu)型的Mg–NiTi互穿相復(fù)合材料的設(shè)計(jì)與制備。（a）鎳鈦合金中可逆馬氏體相變的示意圖。（b）在蝴蝶翅膀中觀察到的螺旋槳型TPMS結(jié)構(gòu)。（c）不同單胞尺寸（a）的螺旋槳型模型構(gòu)建。BD表示鎳鈦支架的建造方向。（d）鎂-鎳鈦復(fù)合材料的制備流程示意圖：采用激光粉末床熔融（LPBF）技術(shù)制備鎳鈦支架，隨后通過(guò)鎂的滲透與凝固形成互穿相復(fù)合材料。

圖2.鎂-鎳鈦復(fù)合材料的形貌表征。（a）鎂滲透前鎳鈦支架的掃描電子顯微鏡（SEM）形貌。（b）單胞尺寸a=8 mm樣品的宏觀形貌、SEM形貌及界面元素分布。（c）單胞尺寸a=4 mm、2.7 mm和2 mm樣品的SEM圖像。單胞尺寸a=1.6 mm的樣品滲透效果較差，此處未展示。（d）單胞尺寸a=2.7 mm樣品的計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）重建圖。（e）鎳鈦支架表面積（S）和孔徑（D）隨單胞尺寸a的變化關(guān)系。

圖3.鎂熔體在鎳鈦支架內(nèi)流動(dòng)特性的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬。（a）滲透率（K）隨單胞尺寸（a）的變化。（b）滲透率（K）隨支架結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化。Vf和Sspc分別表示支架的體積分?jǐn)?shù)和比表面積。（c）單胞尺寸a=2.7 mm和a=1.6 mm的支架代表性體積單元示意圖。（d）（i）壓力、（ii）流速和（iii）剪切應(yīng)力分布的可視化結(jié)果。

圖4.單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果。（a）應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（b）峰值應(yīng)力（σpeak）、峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)應(yīng)變（εpeak）及總耗散能量（Econ）的示意圖。（c）σpeak、（d）εpeak和（e）Econ的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。藍(lán)色陰影區(qū)域代表純鎂的標(biāo)準(zhǔn)差。參考文獻(xiàn)中鎂-鎳鈦復(fù)合材料的σpeak、εpeak和Econ分別為320 MPa、16%和115 MJ·m?3。

圖5.本研究中鎂-鎳鈦復(fù)合材料（單胞尺寸a=2 mm）的峰值應(yīng)力（σpeak）與其他鎂基材料的對(duì)比。AM指增材制造。

圖6.應(yīng)變≤8%時(shí)的循環(huán)壓縮試驗(yàn)結(jié)果。（a）應(yīng)力-應(yīng)變曲線，插圖示意性地展示了可恢復(fù)應(yīng)變（εrec）和部分能量耗散（Edis）。（b）Edis、（c）Econ和（d）εrec的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

圖7.應(yīng)變?cè)鲋?0%時(shí)的循環(huán)壓縮試驗(yàn)結(jié)果。（a）應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（b）εrec、（c）Edis和（d）Econ的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

總結(jié)展望

本研究通過(guò)調(diào)控TPMS結(jié)構(gòu)鎳鈦支架的單胞尺寸，揭示了其對(duì)滲透動(dòng)力學(xué)和力學(xué)性能的雙重調(diào)控機(jī)制：較小單胞雖增加熔體滲透難度，但能增強(qiáng)支架與基體的相互作用，通過(guò)優(yōu)化應(yīng)力傳遞、抑制裂紋擴(kuò)展、促進(jìn)損傷分散等協(xié)同效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)性能提升。同時(shí)，明確1×10?? m2的滲透率閾值是材料制備的關(guān)鍵。

該復(fù)合材料在輕量化承重結(jié)構(gòu)、可生物降解植入物、井下密封工具等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。未來(lái)可通過(guò)壓力輔助滲透增強(qiáng)界面結(jié)合、設(shè)計(jì)梯度 TPMS 結(jié)構(gòu)優(yōu)化應(yīng)力分布、對(duì)基體合金化定制性能等方向進(jìn)一步提升材料性能，以滿足更高要求的應(yīng)用場(chǎng)景。

https://doi.org/10.1016/j.jma.2025.06.020

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