港城大 l 具有三重周期最小表面构型的Mg-NiTi互穿相复合材料的强韧化设计与性能研究

| 3DScienceValley · 2025/07/31

谷专栏

3D科学谷洞察

“ 镁合金的密度（≈1.8 g/cm³）和弹性模量（≈45 GPa）与人体骨组织（密度 1.7–2.1 g/cm³、模量 15–30 GPa）高度匹配，可显著减轻应力屏蔽效应，促进骨愈合。通过 TPMS-NiTi 支架增强后，抗压强度、能量耗散和变形恢复能力均大幅提高，使其能够胜任负重部位的固定或支撑任务，如骨钉、骨板、椎间融合器等。镁基互穿相复合材料兼具“力学适配-可控降解-可定制-生物友好”四大优势，预计将在可吸收骨钉、脊柱/关节融合器、颌面修复支架等高端医疗器械中率先落地，并有望拓展至心血管支架等软组织工程领域。”

镁（Mg）是最轻的结构金属，在轻量化高端装备应用中展现出巨大潜力，并在实现碳中和方面发挥着关键作用。然而，与钢、钛合金等其他结构材料相比，其固有的强度不足，这对更广泛的工程应用构成了重大障碍。因此，开发高性能镁基材料已成为材料科学与工程领域的重点研究方向。

当前镁基材料的强化策略主要分为两类：本征改性和增强复合材料。前者通过合金设计和优化加工工艺调控微观结构来提升性能。例如，构建非晶—纳米晶双相微观结构已使镁基薄膜的强度接近其理论极限。后者则是通过颗粒、晶须或纤维增强镁及其合金，制备金属基复合材料以突破性能瓶颈。尽管这些增强复合材料前景广阔，但由于增强体团聚导致的应力集中以及不受控的界面反应形成的脆性相，其稳定性往往受到影响。

成果速览

为解决这一问题，香港城市大学吕坚院士团队提出一种新型镁基互穿相复合材料，该材料以具有三重周期最小表面（TPMS）构型的镍钛（NiTi）支架作为增强体。

通过实验研究与有限元模拟相结合的方法，研究人员系统阐明了支架单胞尺寸（a）对制造可行性和力学性能增强的双重影响。为弥补因单胞尺寸减小而导致的渗透动力学下降问题，研究提出1×10⁻⁸ m²的临界渗透率阈值是复合材料成功制备的关键。

在力学性能方面，减小单胞尺寸可增强支架与基体之间的相互作用：TPMS结构的NiTi支架能改善应力传递、偏转裂纹扩展并促进损伤分散，而镁基体则可保持结构完整性并实现载荷再分配。

该复合材料的性能显著优于纯镁，且减小单胞尺寸能更显著地提升复合材料的抗压强度、能量耗散能力和变形恢复能力。本研究为高性能镁基材料的设计与制备提供了宝贵见解，适用于结构和生物医学领域的应用。

该工作以「Robust and resilient Mg–NiTi interpenetrating-phase composites with triply periodic minimal surface configuration」为题发表于Journal of Magnesium and Alloys。

工作亮点

采用增材制造与渗透工艺制备出具有TPMS结构的镁-镍钛（Mg–NiTi）复合材料。
较小的单胞会阻碍熔体渗透，但能提升复合材料的整体力学性能。
1×10⁻⁸ m²的渗透率阈值是复合材料制备的关键条件。
与纯镁相比，该复合材料的峰值强度和能量耗散能力分别提升了170%和100%。
得益于镍钛支架，复合材料的变形恢复能力优于纯镁。

图文解析

图1. 具有TPMS构型的Mg–NiTi互穿相复合材料的设计与制备。（a）镍钛合金中可逆马氏体相变的示意图。（b）在蝴蝶翅膀中观察到的螺旋桨型TPMS结构。（c）不同单胞尺寸（a）的螺旋桨型模型构建。BD表示镍钛支架的建造方向。（d）镁-镍钛复合材料的制备流程示意图：采用激光粉末床熔融（LPBF）技术制备镍钛支架，随后通过镁的渗透与凝固形成互穿相复合材料。

图2. 镁-镍钛复合材料的形貌表征。（a）镁渗透前镍钛支架的扫描电子显微镜（SEM）形貌。（b）单胞尺寸a=8 mm样品的宏观形貌、SEM形貌及界面元素分布。（c）单胞尺寸a=4 mm、2.7 mm和2 mm样品的SEM图像。单胞尺寸a=1.6 mm的样品渗透效果较差，此处未展示。（d）单胞尺寸a=2.7 mm样品的计算机断层扫描（CT）重建图。（e）镍钛支架表面积（S）和孔径（D）随单胞尺寸a的变化关系。

图3. 镁熔体在镍钛支架内流动特性的计算流体动力学（CFD）模拟。（a）渗透率（K）随单胞尺寸（a）的变化。（b）渗透率（K）随支架结构参数的变化。Vf和Sspc分别表示支架的体积分数和比表面积。（c）单胞尺寸a=2.7 mm和a=1.6 mm的支架代表性体积单元示意图。（d）（i）压力、（ii）流速和（iii）剪切应力分布的可视化结果。

图4. 单轴压缩试验结果。（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）的示意图。（c）σpeak、（d）εpeak和（e）Econ的统计结果。蓝色阴影区域代表纯镁的标准差。参考文献中镁-镍钛复合材料的σpeak、εpeak和Econ分别为320 MPa、16%和115 MJ·m⁻³。