港城大 l 具有三重周期最小外表构型的Mg-NiTi互穿相复合资料的强韧化规划与功能研讨

发布日期：2026-01-25 11:16:15　作者：星空平台

镁合金的密度（≈1.8 g/cm³）和弹性模量（≈45 GPa）与人体骨安排（密度 1.7–2.1 g/cm³、模量 15–30 GPa）高度匹配，可明显减轻应力屏蔽效应，促进骨愈合。经过 TPMS-NiTi 支架增强后，抗压强度、能量耗散和变形恢复才能均大幅度进步，使其能够担任负重部位的固定或支撑使命，如骨钉、骨板、椎间交融器等。镁基互穿相复合资料兼具“力学适配-可控降解-可定制-生物友爱”四大优势，估计将在可吸收骨钉、脊柱/关节交融器、颌面修正支架等高端医疗器械中首先落地，并有望拓宽诚意血管支架等软安排工程范畴。”

镁（Mg）是最轻的结构金属，在轻量化高端配备使用中展现出巨大潜力，并在完成碳中和方面发挥着要害作用。但是，与钢、钛合金等其他结构资料比较，其固有的强度缺乏，这对更广泛的工程使用构成了严重妨碍。因而，开发高功能镁基资料已成为资料科学与工程范畴的要点研讨方向。

当时镁基资料的强化战略大致上能够分为两类：本征改性和增强复合资料。前者经过合金规划和优化加工工艺调控微观结构来提高功能。例如，构建非晶—纳米晶双相微观结构已使镁基薄膜的强度挨近其理论极限。后者则是经过颗粒、晶须或纤维增强镁及其合金，制备金属基复合资料以打破功能瓶颈。虽然这些增强复合资料远景宽广，但由于增强体聚会导致的应力会集以及不受控的界面反响构成的脆性相，其稳定性往往受到影响。

为处理这一问题，香港城市大学吕坚院士团队提出一种新式镁基互穿相复合资料，该资料以具有三重周期最小外表（TPMS）构型的镍钛（NiTi）支架作为增强体。

经过实验研讨与有限元模仿相结合的办法，研讨人员体系阐明晰支架单胞尺度（a）对制作可行性和力学功能增强的两层影响。为补偿因单胞尺度减小而导致的浸透动力学下降问题，研讨提出1×10⁻⁸ m²的临界浸透率阈值是复合资料成功制备的要害。

在力学功能方面，减小单胞尺度可增强支架与基体之间的相互作用：TPMS结构的NiTi支架能改进应力传递、偏转裂纹扩展并促进损害涣散，而镁基体则可坚持结构完整性并完成载荷再分配。

该复合资料的功能明显优于纯镁，且减小单胞尺度能更明显地提高复合资料的抗住压力的强度、能量耗散才能和变形恢复才能。本研讨为高功能镁基资料的规划与制备供给了名贵见地，适用于结构和生物医学范畴的使用。

• 选用增材制作与浸透工艺制备出具有TPMS结构的镁-镍钛（Mg–NiTi）复合资料。

• 与纯镁比较，该复合资料的峰值强度和能量耗散才能别离提高了170%和100%。

图1.具有TPMS构型的Mg–NiTi互穿相复合资料的规划与制备。（a）镍钛合金中可逆马氏体相变的暗示图。（b）在蝴蝶翅膀中观察到的螺旋桨型TPMS结构。（c）不同单胞尺度（a）的螺旋桨型模型构建。BD表明镍钛支架的制作方向。（d）镁-镍钛复合资料的制备流程暗示图：采取了激光粉末床熔融（LPBF）技能制备镍钛支架，随后经过镁的浸透与凝结构成互穿相复合资料。

图2.镁-镍钛复合资料的描摹表征。（a）镁浸透前镍钛支架的扫描电子显微镜（SEM）描摹。（b）单胞尺度a=8 mm样品的微观描摹、SEM描摹及界面元素散布。（c）单胞尺度a=4 mm、2.7 mm和2 mm样品的SEM图画。单胞尺度a=1.6 mm的样品浸透作用较差，此处未展现。（d）单胞尺度a=2.7 mm样品的核算机断层扫描（CT）重建图。（e）镍钛支架外表积（S）和孔径（D）随单胞尺度a的改变联系。

图3.镁熔体在镍钛支架内活动特性的核算流体动力学（CFD）模仿。（a）浸透率（K）随单胞尺度（a）的改变。（b）浸透率（K）随支架结构参数的改变。Vf和Sspc别离表明支架的体积分数和比外表积。（c）单胞尺度a=2.7 mm和a=1.6 mm的支架代表性体积单元暗示图。（d）（i）压力、（ii）流速和（iii）剪切应力散布的可视化成果。

图4.单轴紧缩实验成果。（a）应力-应变曲线。（b）峰值应力（σpeak）、峰值应力对应应变（εpeak）及总耗散能量（Econ）的暗示图。（c）σpeak、（d）εpeak和（e）Econ的计算成果。蓝色暗影区域代表纯镁的标准差。参考文献中镁-镍钛复合资料的σpeak、εpeak和Econ别离为320 MPa、16%和115 MJ·m⁻³。