【摘要】：Zr基塊體金屬玻璃(BMGs)具有高強(qiáng)度、耐磨、耐蝕和優(yōu)良的生物相容性,有望發(fā)展成為一類重要的生物醫(yī)用器件材料。然而,該類材料存在制備條件苛刻、制作成本高等問(wèn)題。特別是:已知大玻璃形成能力(大GFA,特指臨界直徑達(dá)厘米級(jí))的Zr基塊體金屬玻璃通常含有Ni或貴金屬組元,且難以兼具高的室溫塑性。這嚴(yán)重制約了 Zr基BMGs實(shí)用化。針對(duì)這些問(wèn)題,本文首先總結(jié)了已有金屬玻璃的單團(tuán)簇模型,并針對(duì)其不足,基于大玻璃形成能力的多組元金屬玻璃與相關(guān)二元共晶點(diǎn)的成分與結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián),構(gòu)建了大玻璃形成能力金屬玻璃的雙團(tuán)簇模型,解析了具有大玻璃形成能力合金成分的典型特征,并從Zr-Al-Cu和Zr-Al-Co三元系出發(fā),發(fā)展出不含Ni和貴金屬組元、兼具大玻璃形成能力和高室溫塑性的Zr基塊體金屬玻璃;進(jìn)一步,通過(guò)添加適量合金化組元,在低真空條件下,采用工業(yè)級(jí)原料制備出大玻璃形成能力的Zr基塊體金屬玻璃,成本大為降低。細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)表明這些低成本、高性能Zr基塊體金屬玻璃的生物相容性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)醫(yī)用Ti-6Al-4V合金,適合作為新一代醫(yī)用器件材料。主要研究?jī)?nèi)容與成果如下:首先,針對(duì)單團(tuán)簇模型難以分析大GFA多組元塊體金屬玻璃合金成分的不足,構(gòu)建了塊體金屬玻璃合金的雙團(tuán)簇模型,通過(guò)解析已有超大玻璃形成能力的塊體金屬玻璃(常含Ni或貴金屬組元)的成分特征,提出了大玻璃形成能力金屬玻璃的成分設(shè)計(jì)方案和步驟。接著從共晶點(diǎn) Zr72.4Cu276 ≈[Cu-Zr14 + Zr-Cu4Zr9]Cu4 = Zr24Cu9 出發(fā),設(shè)計(jì)出無(wú) Ni和貴金屬組元的Zr63.5Al9Cu23Fe4.5合金成分,普通銅模鑄造條件下其臨界直徑達(dá)10 mm。進(jìn)而,以Zr63 5Al9Cu23Fe4.5成分為基礎(chǔ),通過(guò)適量添加Nb、Hf、Ti等合金化元素,采用工業(yè)純?cè)?在1 Pa級(jí)低真空下,成功獲得臨界直徑達(dá)厘米級(jí)的低成本Zr60.5Nb3Al9Cu23Fe4.5、Zr60.5Hf3Al9Cu23Fe4.5 及 Zr60.5Ti3Al9Cu23Fe4.5 塊體金屬玻璃合金,成本大幅下降。上述三種低成本塊體金屬玻璃還具有良好的室溫塑性、耐磨、耐蝕性和生物相容性。其中,Zr60.5Nb3Al9Cu23Fe4.5合金的室溫壓縮塑性約為5%;與傳統(tǒng)生物醫(yī)用材料Ti-6Al-4V合金相比,在同等條件下該合金的磨損量不及其1/2;在PBS中其自腐蝕電流密度比Ti-6Al-4V合金的低兩個(gè)數(shù)量級(jí);CCD-986sk細(xì)胞在該合金中存活率(～63.2%)也明顯高于Ti-6Al-4V合金(～46.6%)。最后,為獲得高比強(qiáng)度的生物醫(yī)用器件材料,從Zr-Co二元系出發(fā),利用塊體金屬玻璃的雙團(tuán)簇模型,設(shè)計(jì)出以Zr18Al6Co8-xCux為代表的一類適合用作生物器件材料的高強(qiáng)度、高剛度、高室溫塑性的Zr基塊體金屬玻璃(其室溫屈服強(qiáng)度2.0GPa,楊氏模量90GPa,塑性形變3.5%)。
【圖文】：

和鈦合金是當(dāng)前各類生物醫(yī)用器件最常用材料，但它們?cè)趶?qiáng)度、耐蝕與抗菌等性能方面逡逑還存在諸多問(wèn)題［４９］；由于Ｚｒ基ＢＭＧｓ在強(qiáng)度、耐蝕性、抗菌性等方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，這逡逑類材料適合用作新一代生物醫(yī)用器件材料［４（）］。下面列舉了如圖１．２所示的Ｚｒ基ＢＭＧｓ逡逑器件材料的主要性能優(yōu)勢(shì)。逡逑（１）外科手術(shù)刀？？逡逑Ｚｉ？基ＢＭＧｓ制成的外科手術(shù)刀具有刀刃薄且鋒利、抗菌好、耐腐蝕優(yōu)等諸多優(yōu)點(diǎn)。逡逑手術(shù)刀多為不銹鋼合金材質(zhì)。由于晶態(tài)不銹鋼合金中含有大量的晶界、位錯(cuò)等缺陷，逡逑易引發(fā)手術(shù)刀刃面及其邊緣粗糙化，這樣的手術(shù)刀在切割軟組織時(shí)，會(huì)加重傷口的組織逡逑損傷，不利于后續(xù)的傷口縫合和組織恢復(fù)�；冢冢蚧拢停牵蟮母邚�(qiáng)度、高剛度，加之逡逑該材料具有良好的精密成型性，這為手術(shù)刀的輕薄化提供了基礎(chǔ)。由其制成的手術(shù)刀，逡逑在不影響服役力學(xué)性能的前提下，刀刃可以做得更薄，刀口更鋒利，且表面質(zhì)量也更平逡逑整、光滑，這會(huì)顯著降低手術(shù)刀對(duì)生物體的次生傷害，，有利于傷口組織的快速恢復(fù)［５９］。逡逑－５邋－逡逑

媝逡逑ＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥ逡逑圖１．３玻璃化轉(zhuǎn)變中體積、黏度、比熱、自由能隨溫度的變化［９Ｑ］逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｖａｒｉａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｖｏｌｕｍｅ，邋ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ，邋ｓｐｅｃｉｆｉｃ邋ｈｅａｔ邋ａｎｄ邋ｆｒｅｅ邋ｅｎｅｒｇｙ邋ａｓ邋ａ邋ｆｕｎｃｔｉｏｎ邋ｏｆ逡逑ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋ｃｏｕｒｓｅ邋ｏｆ邋ｇｌａｓｓ邋ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ＾９０］逡逑１．３．２塊體金屬玻璃的形成經(jīng)驗(yàn)原則逡逑合金具有大ＧＦＡ（‘ａｘ＞邋１邋ｃｍ）是Ｚｒ基ＢＭＧｓ作為生物醫(yī)用器件材料的重要保證。下面逡逑詳細(xì)介紹了一些經(jīng)驗(yàn)性原則以期望在各體系中制備出具有大ＧＦＡ的Ｚｒ基ＢＭＧｓ。逡逑（１）
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG148;R318.08

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前4條

1 Shu-shen Wang;Yun-liang Wang;Yi-dong Wu;Tan Wang;Xi-dong Hui;;High plastic Zr Cu Fe Al Nb bulk metallic glasses for biomedical applications[J];International Journal of Minerals Metallurgy and Materials;2015年06期

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相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 趙兵兵;Zr-Al-Co-Cu塊體金屬玻璃的形成和力學(xué)性能[D];大連理工大學(xué);2011年

本文編號(hào)：2627840