镓合金化增强Mg-Zn-Ca-Sr-Ga块体非晶合金的玻璃形成能力与力学性能

本研究针对Mg-Zn-Ca块体非晶合金(BMGs)玻璃形成能力(GFA)不足的瓶颈问题，通过镓(Ga)合金化策略系统优化Mg66Zn30-xCa3Sr1Gax体系。发现1.5 at% Ga可使临界直径(Dc)提升至7 mm，断裂强度提高7%达802 MPa，为可降解植入物材料设计提供了原子级相互作用机制新见解。

　　

在生物医用材料领域，镁基块体非晶合金(Bulk Metallic Glasses, BMGs)正引发革命性变革。这类材料凭借无晶界结构带来的均匀腐蚀特性、接近人体骨骼的弹性模量，以及镁(Mg)、锌(Zn)、钙(Ca)等生物必需元素的天然优势，被视为下一代可降解骨科植入物的理想候选。然而历经近二十年发展，Mg-Zn-Ca系BMGs的玻璃形成能力(Glass-Forming Ability, GFA)始终徘徊在临界直径(D_c)6 mm水平，这严重制约了其在临床的规模化应用。更棘手的是，GFA与力学性能往往存在此消彼长的矛盾关系——如何在不牺牲强度的前提下突破尺寸限制，成为横亘在研究者面前的科学难题。

河北某高校研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表的研究给出了破局方案。该团队以目前GFA最优的Mg₆₆Zn₃₀Ca₃Sr₁为基底，创新性引入镓(Ga)元素进行锌位替代，制备出系列Mg₆₆Zn_30-xCa₃Sr₁Ga_x (x=0-7 at.%)合金。通过铜模铸造法获得直径梯度样品，结合X射线衍射(XRD)、差示扫描量热法(DSC)等表征手段，发现1.5 at.% Ga的添加使D_c突破至7 mm，同时将断裂强度从750 MPa提升至802 MPa，首次实现GFA与力学性能的协同增强。

关键技术方法
研究采用高纯度元素(纯度≥99.9%)通过电弧熔炼制备母合金，铜模吸铸法控制冷却速率制备直径1-8 mm的圆柱样品。通过XRD确认非晶结构，DSC测定玻璃转变温度(T_g)和晶化温度(T_x)，压缩试验评估力学性能。结合电负性计算和混合焓理论解析原子相互作用机制。

Material preparation
表面处理后的Mg、Zn、Ca、Sr、Ga原料经精确称量(精度±0.0001 g)，在氩气保护下进行熔炼。通过控制铜模温度(293 K)和注射压力(0.04 MPa)确保样品均质性，制备出12种Ga含量梯度合金。

Microstructure characterization
XRD结果显示≤6 at.% Ga样品均呈现典型非晶漫散射峰(2θ≈38°)，无晶体衍射峰。但Ga含量达7 at.%时出现Mg₅₁Zn₂₀相衍射峰，表明过量Ga反而诱发晶化。透射电镜(TEM)选定区域衍射(SAED)进一步验证1.5 at.% Ga样品完全非晶特征。

Macroscopic thermodynamic analysis
DSC揭示1.5 at.% Ga使过冷液相区(ΔT_x=T_x-T_g)拓宽至48 K，γ参数(GFA评价指标)提升12%。理论计算表明Ga的引入使体系平均电负性差增大0.15，混合焓降低至-8.7 kJ/mol，这种强原子相互作用有效抑制晶核形成。

Conclusions
该研究确立1.0-3.0 at.%为Ga最优添加区间，其中Mg₆₆Zn_28.5Ca₃Sr₁Ga_1.5表现最佳。Ga通过三重机制发挥作用：(1) 增大原子尺寸差异阻碍原子重排；(2) 增强电负性驱动电子局域化；(3) 负混合焓促进短程有序。这种"成分-结构-性能"的精准调控策略，为开发新一代可降解BMGs植入物提供了理论依据和技术路径。