近日，哈尔滨工业大学(威海)材料学院卞红副教授在腐蚀领域顶级期刊《corrosion science》发表研究论文，题为“Improvement of biocompatible TA9/ZrO₂ joint by AuSn20 filler: Interfacial microstructure, mechanical properties, and corrosion resistance”。 哈尔滨工业大学为第一完成单位，哈尔滨工业大学(威海)博士研究生陈修凯为该论文的第一作者，卞红副教授为该论文的通讯作者。

这一研究工作基于医用TA9合金和ZrO₂陶瓷的生物相容性连接，分析了中间层优化对接头界面组织、力学性能和耐腐蚀性的改善作用和影响规律，并利用第一性原理从原子尺度上揭示了接头力学性能和耐腐蚀性的增强机制，为异种材料连接提供了跨尺度研究的新策略。

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

可植入设备在治疗重大疾病、提升人类感知等方面起着举足轻重的作用，可植入陶瓷/金属组件作为可植入设备的重要组成部分，其性能提升对促进可植入设备制造发展有重要意义。

研究团队采用不同生物相容性钎料体系成功实现了医用钛合金和ZrO₂陶瓷的高质量连接，系统研究了AuSn20钎料对TA9/ZrO₂接头界面组织、力学性能和耐腐蚀性的增强作用，采用第一性原理构建了各物相的原子模型和界面(图 1)，从原子尺度上解析了组织演变对接头力学性能和耐腐蚀性的增强机制。

图 1 (a)β-Sn，(b)ZrSn₂，(c)AuSn₂和(d)AuSn₄的晶体结构

研究发现：AuSn20钎料的加入，导致钎缝基体由β-Sn和ZrSn₂相转变为AuSn₂和AuSn₄相，接头抗剪强度提升了88%，阻抗提高了3.86倍，腐蚀电流密度下降了37%，接头的抗剪强度和耐蚀性显著提高(图 2)。通过扫描电镜准原位观察发现(图 3)，接头腐蚀首先发生在ZrSn₂相上，之后AuSn₄相被腐蚀，而在钝化膜的保护作用下AuSn₂相未受到腐蚀(图 4)；通过EDS、XRD和XPS的多重表征分析，确定了接头的腐蚀产物主要为SnO、SnO₂和少量的SnCl₂、SnCl₄及Zr(HPO₄)₂ (图 5)。利用DFT计算了各物相的弹性性质和功函数(图 6)：与β-Sn和ZrSn₂相比，AuSn₂和AuSn₄具有较低的弹性模量、较高的泊松比和较大的功函数，解析了β-Sn和ZrSn₂向AuSn₂和AuSn₄的组织转变提高接头的承载能力和耐腐蚀性的机制。最后体外细胞实验(图 7)表明，本研究制备的TA9/ZrO₂接头可以有效的促进MC3T3-E1细胞的增殖、粘附和分化，具有良好的细胞相容性。

近年来，卞红副教授团队深耕于可植入异种材料连接技术的开发以及接头界面组织调控和性能评价等方面的研究，并取得了一系列原创性研究成果，为可植入器件的制造和应用做出了突出贡献。

图 2 TA9合金和TA9/ZrO₂接头电化学行为：
(a)开路电位，(b) 极化曲线，(c) Bode图，(d) Nyquist图

图 3 TA9/ZrO₂接头的腐蚀形貌：
(a-c) TA9/Sn-6Zr/ZrO₂, (d-f) TA9/AuSn20/Sn-6Zr/ZrO₂

图 4. TA9/ZrO₂接头(a)腐蚀机理示意图及(b-d)腐蚀过程

图 5 TA9/ZrO₂接头腐蚀产物XPS分析：(a1-a4) O1s；(b1-b4) Sn3d；(c1-c4) Zr3d；(d1-d4) Cl2p；(e1-e4) P2p

图 6 第一性原理计算结果：(a) 弹性性质，(b) 功函数

图 7. TA9合金和TA9/ZrO₂接头体外细胞试验结果：
(左) 细胞毒性试验，(右) 细胞黏附试验