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煙臺(tái)大學(xué)任萍《JMST》：具有優(yōu)異耐腐蝕性能以及生物相容性能的高熵合金薄膜

2025-02-28 15:06:15 作者：腐蝕與防護(hù) 來(lái)源：腐蝕與防護(hù) 分享至：

利用納米技術(shù)和復(fù)合材料在鈦合金表面制備一層保護(hù)膜，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)鈦合金基底的有效保護(hù)，從而得到所需的高性能材料。高熵合金薄膜因其特有的四大核心效應(yīng)，表現(xiàn)出了優(yōu)異的耐磨性以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。然而，現(xiàn)如今大多數(shù)的高熵合金薄膜都在有意設(shè)計(jì)用來(lái)改善其微觀結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能以及摩擦學(xué)性能，但它們的耐腐蝕性和生物相容性機(jī)制尚未得到深入研究。

為了進(jìn)一步強(qiáng)化高熵合金薄膜，煙臺(tái)大學(xué)任萍等人采用磁控濺射法在ZrNbTiCrCu高熵合金薄膜中構(gòu)建了BCC+富銅相的雙相沉積，顯著提高了薄膜的耐腐蝕性和生物相容性。研究結(jié)果表明，ZrNbTiCrCu高熵合金薄膜具備優(yōu)異的耐腐蝕性能。在一定的濺射條件下，薄膜表現(xiàn)出了高達(dá)95％的細(xì)胞活性以及接近99％的抗菌率。這種優(yōu)異的耐腐蝕性能主要?dú)w因于薄膜表面鈍化膜的形成，尤以雙金屬氧化物CuCrO₂為主。同時(shí)由于富銅相的沉積，ZrNbTiCrCu高熵合金薄膜表現(xiàn)出了優(yōu)異的生物性能。本研究通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)，建立了ZrNbTiCrCu高熵合金薄膜的結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系，并系統(tǒng)地評(píng)估了薄膜的耐腐蝕性、生物相容性和抗菌性能。相關(guān)研究以題為“A significant improvement in corrosion resistance and biocompatibility in ZrNbTiCrCu high-entropy films induced by the precipitation of Cu”發(fā)表在Journal of Materials Science & Technology上。

生物醫(yī)學(xué)材料的研究主要集中在開(kāi)發(fā)優(yōu)異的生物相容性和耐腐蝕的生物合金上。理想情況下，生物植入物應(yīng)具有優(yōu)異的生物相容性和耐腐蝕性能，且沒(méi)有細(xì)胞毒性。為了尋求更好的金屬生物材料，應(yīng)從以下兩個(gè)方面做出努力：(i) 獲得具有足夠機(jī)械和強(qiáng)度性能、防腐蝕、抗疲勞和無(wú)毒性的合金；(ii) 將生物活性薄膜濺射到合金表面。此種情況下，高熵合金薄膜成為“不二人選”，其因特有的四大核心效應(yīng)集多種性能為一體，為高熵合金薄膜在生物工程應(yīng)用中提供了新的思路。

作者通過(guò)調(diào)節(jié)不同的濺射參數(shù)，在適當(dāng)?shù)碾娏飨芦@得了具有BCC和富Cu相結(jié)構(gòu)的ZrNbTiCrCu高熵合金薄膜，顯著提高了材料的耐腐蝕以及生物性能。由于Cu元素的引入，薄膜在模擬體液中的腐蝕電流密度達(dá)到4.0×10^-7 A·cm^-2，鈍化膜內(nèi)產(chǎn)生了一種新的CuCrO₂雙金屬氧化物，大大提高了其耐腐蝕性。同時(shí)，使用L-929細(xì)胞研究了ZrNbTiCrCu高熵合金薄膜的細(xì)胞粘附和增殖行為，并討論了薄膜的抗菌性及其機(jī)制。