强磁场下生物医用锌合金晶体取向行为及耐蚀性调控

Due to the excellent biodegradability, Zn alloys are expected to become a new generation of biomedical materials. The control of corrosion resistance is the key to realize the requirements of the degradation rates of Zn alloys for different service periods and environments. The corrosion resistance of Zn alloys is related to the crystal orientations, which provides the possibility to regulate the corrosion resistance of zinc alloys. This project proposes that high magnetic fields are applied to the solidification processes of biomedical zinc alloys. The action laws of high magnetic fields on the orientation behavior and the morphological evolution of the diamagnetic primary Zn phase and the eutectic phases will be studied. The relationship between the orientation behavior of the primary Zn phase and the eutectic phases will be clarified. The action mechanism of the high magnetic fields on the orientation behavior and the morphological evolution of each phase will be revealed. The relationship between the corrosion resistance and the orientation behavior & morphologies will be established. A method to control the orientation behavior and thus the corrosion resistance of a kind of biomedical Zn alloys by high magnetic fields will be proposed. This project can enrich the orientation theory of diamagnetic crystals under a high magnetic field, and provide a new idea to control the corrosion resistance of the biomedical Zn alloys.

由于具有优异的生物可降解性，Zn合金有望成为新一代生物医用材料。耐蚀性可控是实现不同服役期和服役环境对Zn合金降解速率要求的关键。Zn合金耐蚀性同晶体取向行为存在依赖关系，这为调控Zn合金耐蚀性提供了可能。本课题提出将强磁场施加到生物医用Zn合金的凝固过程，研究强磁场对抗磁性初生Zn相和共晶相的取向行为和形貌演变的作用规律；探明初生Zn相取向行为同后续生长的共晶相取向行为之间的联系；揭示强磁场对合金中各个相取向行为和形貌演变的作用机制；建立合金取向行为和形貌演变同耐蚀性变化之间的关系；提出利用强磁场调控生物医用Zn合金晶体取向行为进而调控合金耐蚀性能的方法。该项目可丰富强磁场下抗磁性晶体的取向理论，并为生物医用Zn合金的耐蚀性调控提供新思路。

由于具有优异的生物可降解性，Zn合金有望成为新一代生物医用材料。耐蚀性可控是实现不同服役期和服役环境对Zn合金降解速率要求的关键。Zn合金耐蚀性同晶体取向行为存在依赖关系（不同Zn晶面具有不同的腐蚀激活能），这为调控Zn合金的耐蚀性提供了可能。本课题将稳态强磁场施加到生物医用Zn合金的凝固过程中，以期利用强磁场调控其晶体取向行为，进而实现对合金耐蚀性能的有效控制。该课题系统研究了强磁场对抗磁性Zn晶体取向行为和形貌演变的影响规律，发现在强磁场作用下初生Zn相和共晶Zn相的c轴均沿与磁场垂直的方向择优取向，且初生Zn相的长轴沿磁场方向规则排列；随之，从强磁场诱发的力和能效应角度深入揭示了初生Zn相取向行为和规则排列的变化机理，并从界面能各向异性角度揭示了初生Zn枝晶的三维生长机制。同时，通过电化学测试考察了强磁场作用后Zn合金的耐蚀性，并建立了合金取向行为同耐蚀性变化之间的关系：由于择优取向的形成，在垂直于磁场方向的截面暴露出易腐蚀的晶体学面，从而加速了合金的腐蚀速率，进而为骨修复器械类植入物的耐蚀性调控提供了有利条件。本课题的研究丰富了稳态强磁场下抗磁性晶体的取向理论，完善了Zn相的晶体学生长特征信息，并为生物医用Zn合金的耐蚀性调控提供了新思路和实验、数据支持。此外，在本项目支持下，还探索性地扩展研究了高压脉冲强磁场对生物医用Zn合金宏微观组织和腐蚀性能的影响，并探讨了相应的脉冲磁场作用机理。