近年来，多组分合金逐渐成为工程和生物医学应用领域中最具发展潜力的一类材料。相较于传统合金，多组分合金的成分设计更为复杂，需要验证的合金体系更为庞大；此外，多组分合金的混合熵与性能之间为非线性关系，即无法通过混合熵值来进行结构及性能的有效预测，这使得高效、准确地筛选理想合金成分变得更加困难。基于此，高通量技术是解决这一问题的有效途径。最近一项研究，在物理掩膜版的辅助下，成功地通过共溅射技术实现了Ti-Zr-Nb合金的成分和杨氏模量的快速筛选。

图1 (a) 平行制备示意图，(b) 物理掩膜版

    相关的研究论文题为“High-throughput screening for biomedical applications in a Ti-Zr-Nb alloy system through masking co-sputtering”，刊登在2019年SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy杂志的第9期，第一作者是北京科技大学的博士生闫薛卉，第二作者是深圳大学的马将博士，由北京科技大学张勇教授担任通讯作者。研究者在多靶共溅射法的基础上，加以物理掩膜版的辅助，成功实现了独立样品的高通量制备，并对制备出的合金体系进行了成分及性能的筛选（图1）。

    材料的发展呈“熵增加”的趋势，多组分材料逐渐成为合金材料设计和研究的热点。然而材料的筛选是一个耗时费力、效率低下的过程，采用传统的“试错法”无法满足高效设计和筛选材料的需求。另一方面，由于传统研究方法的局限性，在设计的一组实验中只能获得几个特定材料组分。因此，实验所得的性能或数据只可能是该成分区域内相对低的值，而非整个体系的最低值；这不可避免地导致了研究结果的不完整性和偶然性。

    该项工作将多靶共溅射技术与物理掩膜版结合，实现了生物医用Ti-Zr-Nb系合金的平行制备。同时，对平行制备获得的16个样品进行了成分、相结构、微观结构、力学性能以及耐蚀性能的分析与表征。值得注意的是，该工作通过对合金的杨氏模量变化趋势进行拟合分析，获得了整个合金体系的模量变化趋势（图2）。分析发现，在制备的合金成分中存在一个明显的低杨氏模量区域。为了确定是否存在具有更低模量的成分，随后对样品之间的空白区进行了成分优化；并最终在该区域中获得了具有更低杨氏模量的合金成分。通过高通量制备技术来筛选具有理想结构或性能的合金，不但保证了筛选过程的高效性，也保证了实验结果的完整性。

图2  (a) 杨氏模量变化三维曲面图，(b)杨氏模量变化等高图，(c) 具有较低杨氏模量值的合金具体成分。

    需要指出的是，该工作使用了物理掩膜版加以辅助，在单次制备获得不同成分合金的同时，保证了获得的样品为独立单元，避免了样品单元间的成分扩散，保证了各个样品单元间的成分差异。

    这项工作不仅为实际应用提供了具有突出特性的新型合金，而且还为高通量制备技术的发展提供了依据。

    该研究得到了中国国家自然科学基金 (NSFC, Grant No. 51671020)的资助。

原文链接：

Xue-Hui Yan, Jiang Ma, and Yong Zhang, High-throughput screening for biomedical applications in a Ti-Zr-Nb alloy system through masking co-sputtering, Sci. China-Phys. Mech.Astron. 62, 996111 (2019), https://doi.org/10.1007/s11433-019-9387-7

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