来源：IFJ PAN

镁的表面机械磨损处理（SMAT）提高了其强度和耐蚀性。（图片来源：IFJ PAN）

用于生物医学的材料必须具有可控制的生物降解性、足够的强度和对人体完全没有毒性的特点。因此，寻找这些材料并不是一项简单的任务。在这种情况下，科学家们对镁很感兴趣。近期，利用正电子湮没光谱等技术，研究人员能够证明经过表面机械磨损处理的镁获得了生物相容性材料所需的性能。

腐蚀速率可控的材料越来越受到人们的关注。这尤其适用于生物医学，在那里植入物由天然或合成聚合物制成。它们的优点是在生理条件下可以很容易地调节分解速率。另一方面，这些材料的力学性能在人体环境中恶化，不适合高应力应用。基于这个原因，基于镁的对人体完全无害的金属植入物似乎是一个不错的选择。

镁是结构应用中非常轻的金属。由于其机械、热学和电学特性以及生物降解性和腐蚀速率可控性，它引起了研究人员对生物相容性植入物的极大兴趣。尽管有这些优点，但由于镁在人体环境中的腐蚀速率相对较高，镁作为一种生物材料用于植入物的生产并不容易。然而，这个问题可以通过使用适当的涂层来克服。

在多年的研究中，人们注意到材料的细晶组织不仅可以改善材料的力学性能，而且可以显著提高材料的耐蚀性。这就是为什么由波兰克拉科夫科学院核物理研究所的Ewa Dryzek教授领导的国际研究小组设定了量化商业级镁的表面机械磨损处理（SMAT）对其耐腐蚀性的影响的原因。在这种方法中，大量直径几毫米的不锈钢球撞击目标材料的表面，造成次表层的塑性变形。塑性变形伴随着大量晶格缺陷的产生。

采用典型的研究技术，如光镜和电子显微镜、X射线衍射（XRD）、电子背散射衍射（EBSD）和显微硬度测量来描述微观结构。

显微镜检查显示，在SMAT加工过程中，材料表层的微观结构逐渐发生变化。我们观察到靠近处理表面的晶粒明显细化。变形孪晶在更深的地方可见，其密度随着与表面距离的增加而降低”，Dryzek教授解释道。

作为这项工作的一部分，使用了正电子湮没光谱（PAS）。这种技术是无损的，可以在原子水平上识别晶格缺陷。它包含了这样一个事实：当正电子被植入到一个材料样品中并与它们的反粒子，即电子相遇时，它们湮灭并变成可以被记录的光子。正电子在途中发现晶格中的一个开体积缺陷，就可以被困在里面。这会延长时间直到它消失。通过测量正电子的寿命，研究人员可以在原子水平上了解样品的结构。

使用该方法的目的是，特别是获得表面层中由于SMAT处理而产生的晶格缺陷分布的信息。此外，它还被用于研究厚度为几微米的材料层，位于处理表面的正下方，并将获得的信息与腐蚀性能联系起来。这一点很重要，因为晶格缺陷决定了材料的关键性能，例如在冶金或半导体技术中。

“120秒SMAT处理获得的200微米层中正电子的平均寿命显示出244皮秒的高恒定值。这意味着，从源发射到这一层的所有正电子都湮没在结构缺陷中，也就是说，晶格中被称为空位的缺失原子，在这种情况下，空位与位错有关。这一层对应于具有细晶粒的强烈变形区域。更深入地说，正电子的平均寿命缩短，这表明缺陷的浓度在降低，在离表面约1毫米的距离处，达到了我们的参考材料、退火良好的镁的数值特征，结构缺陷密度相对较低，这是我们的参考材料”，文章的主要作者和研究的发起者，描述了工作的细节。

在电化学腐蚀试验中，SMAT工艺显著影响了镁样品的行为。SMAT引起的结构变化增加了镁对阳极氧化的敏感性，加剧了表面氢氧化物膜的形成，从而提高了耐蚀性。俄罗斯杜布纳联合核研究所利用正电子束获得的结果证实了这一点。结果表明，除表面存在晶界和亚晶界外，位错、空位等晶体缺陷也对镁的腐蚀行为起着重要作用。

“我们目前正在对钛进行类似的研究。钛是一种广泛应用于航空航天、汽车、能源和化学工业的金属。它也被用作生产生物医学设备和植入物的材料。Dryzek 教授说：“一种经济上可接受的方法，即在靠近表面的层中获得具有纳米颗粒的梯度微观结构的纯钛，可能会为钛在对全球经济和改善人类生活舒适性至关重要的产品中的应用开展更广阔的前景。”。

论文链接：https://www.mdpi.com/1996-1944/13/18/4002

原文链接：https://press.ifj.edu.pl/en/news/2020/12/17/

声明：本文由 Newfellow 编译，中文内容仅供参考，一切内容以英文原版为准。