近日，哈爾濱工業大學(威海)材料學院卞紅副教授在腐蝕領域頂級期刊《corrosion science》發表研究論文，題為“Improvement of biocompatible TA9/ZrO₂ joint by AuSn20 filler: Interfacial microstructure, mechanical properties, and corrosion resistance”。 哈爾濱工業大學為第一完成單位，哈爾濱工業大學(威海)博士研究生陳修凱為該論文的第一作者，卞紅副教授為該論文的通訊作者。

這一研究工作基于醫用TA9合金和ZrO₂陶瓷的生物相容性連接，分析了中間層優化對接頭界面組織、力學性能和耐腐蝕性的改善作用和影響規律，并利用第一性原理從原子尺度上揭示了接頭力學性能和耐腐蝕性的增強機制，為異種材料連接提供了跨尺度研究的新策略。

https://doi.org/10.1016/j.corsci.2024.112596

可植入設備在治療重大疾病、提升人類感知等方面起著舉足輕重的作用，可植入陶瓷/金屬組件作為可植入設備的重要組成部分，其性能提升對促進可植入設備制造發展有重要意義。

研究團隊采用不同生物相容性釬料體系成功實現了醫用鈦合金和ZrO₂陶瓷的高質量連接，系統研究了AuSn20釬料對TA9/ZrO₂接頭界面組織、力學性能和耐腐蝕性的增強作用，采用第一性原理構建了各物相的原子模型和界面(圖 1)，從原子尺度上解析了組織演變對接頭力學性能和耐腐蝕性的增強機制。

圖 1 (a)β-Sn，(b)ZrSn₂，(c)AuSn₂和(d)AuSn₄的晶體結構

研究發現：AuSn20釬料的加入，導致釬縫基體由β-Sn和ZrSn₂相轉變為AuSn₂和AuSn₄相，接頭抗剪強度提升了88%，阻抗提高了3.86倍，腐蝕電流密度下降了37%，接頭的抗剪強度和耐蝕性顯著提高(圖 2)。通過掃描電鏡準原位觀察發現(圖 3)，接頭腐蝕首先發生在ZrSn₂相上，之后AuSn₄相被腐蝕，而在鈍化膜的保護作用下AuSn₂相未受到腐蝕(圖 4)；通過EDS、XRD和XPS的多重表征分析，確定了接頭的腐蝕產物主要為SnO、SnO₂和少量的SnCl₂、SnCl₄及Zr(HPO₄)₂ (圖 5)。利用DFT計算了各物相的彈性性質和功函數(圖 6)：與β-Sn和ZrSn₂相比，AuSn₂和AuSn₄具有較低的彈性模量、較高的泊松比和較大的功函數，解析了β-Sn和ZrSn₂向AuSn₂和AuSn₄的組織轉變提高接頭的承載能力和耐腐蝕性的機制。最后體外細胞實驗(圖 7)表明，本研究制備的TA9/ZrO₂接頭可以有效的促進MC3T3-E1細胞的增殖、粘附和分化，具有良好的細胞相容性。

近年來，卞紅副教授團隊深耕于可植入異種材料連接技術的開發以及接頭界面組織調控和性能評價等方面的研究，并取得了一系列原創性研究成果，為可植入器件的制造和應用做出了突出貢獻。

圖 2 TA9合金和TA9/ZrO₂接頭電化學行為：
(a)開路電位，(b) 極化曲線，(c) Bode圖，(d) Nyquist圖

圖 3 TA9/ZrO₂接頭的腐蝕形貌：
(a-c) TA9/Sn-6Zr/ZrO₂, (d-f) TA9/AuSn20/Sn-6Zr/ZrO₂

圖 4. TA9/ZrO₂接頭(a)腐蝕機理示意圖及(b-d)腐蝕過程

圖 5 TA9/ZrO₂接頭腐蝕產物XPS分析：(a1-a4) O1s；(b1-b4) Sn3d；(c1-c4) Zr3d；(d1-d4) Cl2p；(e1-e4) P2p

圖 6 第一性原理計算結果：(a) 彈性性質，(b) 功函數

圖 7. TA9合金和TA9/ZrO₂接頭體外細胞試驗結果：
(左) 細胞毒性試驗，(右) 細胞黏附試驗