最具生物相容性和多用途的复合材料“优等生”

　　在金属基复合材料领域，有一款复合材料综合性能十分卓越，具有较高的比强/刚度、优异的耐腐蚀性、极端环境下的稳定性以及良好的生物相容性、耐高温性和抗蠕变性等，成为航空航天、海洋工程、生物医疗、能源以及化工等众多高科技领域的关键材料。它就是被称为新型材料界“优等生”的钛基复合材料。从制备技术上看，钛基复合材料是以金属钛为基体，以高分子材料、纤维、无机非金属材料等为增强体合成的新型材料。根据增强体的不同，可分为连续纤维增强钛基复合材料、非连续颗粒增强钛基复合材料。

钛基复合材料应用示意图(a)为航空发动机，(b)为钛合金曲轴，(c)为钛基复合材料软骨植入物（图片来源：复合材料科学杂志）

  许多人对钛基复合材料的认知，更多的是关注到其在骨科植入等医学领域中的创新应用与发展。这也正是得益于钛合金具有的良好生物相容性。钛作为重要的金属元素,其密度为4.51g/cm3,与人体骨骼等硬组织十分接近,相比传统的不锈钢、钴合金等金属植入物材料，钛合金具有较低的弹性模量,在生物环境下具有更加良好的耐腐蚀性、抗疲劳性等，使得钛合金作为医用植入物材料备受青睐，在临床中得到广泛应用。目前，医学科技人员正在验证开发具备更高生物相容性、低弹性模量的新型β钛合金和多孔钛合金等创新技术、钛合金表面构型改进和功能化改性等技术。他们采用在钛合金医用植入材料中添加无机材料、有机材料、药物等先进方法，通过改变元素组成、增加表面改性、优化生产工艺等方式,使钛合金材料在促进成骨过程、提升抗菌性能和增强体内复杂环境适应性等方面实现重大技术突破。相信在不久的将来，具有自动消炎杀菌、有效促进骨骼及其邻近组织生长融合以及成本低廉、性能卓越的钛合金医用植入物材料，将在骨科植入领域大放异彩。

日趋成熟的钛合金医用植入物材料（图片来源：复合材料科学杂志）

  同时我们应该看到，良好的生物相容性只是钛基复合材料为人类提供的优质服务中的“九牛一毛”。其重要应用还深入到航空航天、机械制造、电子设备、军事装备和农业、体育、汽车等众多领域。首先我们看一下航空航天领域。钛基复合材料利用其轻量化和高强度特性可极大提高飞行效率和安全性，大量应用于飞机结构件、发动机叶片和航天器框架等的制造上。钱学森早在1961年就在《星际航行概论》中指出：“航天器每一个零件减少1克重量都是贡献，协调重量是总设计师的首要任务。”相较于钢和镍基等传统材料，钛基复合材料具有较高的比强度和刚度，在同等体积下可减重40%以上，同时可在喷气发动机推进系统中保持同等的强度和刚度，是实现航空航天高端装备轻量化、提高装备功效和武器战术性能的关键战略材料之一。

2023年空军航空开放活动·长春航空展展出的超轻型60mm钛合金迫击炮（图片来源：中国军网）

  接下来我们了解一下军事装备领域。钛基复合材料兼顾轻量化和耐用性等有点，广泛应用于水面舰艇、潜艇、飞机、坦克和枪械等的装甲、防护结构及高强度机械部件等制造。钛基复合材料的广泛应用，保障了武器装备性能的大幅提升，如大量采用钛合金制造的俄国的685级潜艇——K270号，曾在1986年创下的1300米潜艇下潜记录，该记录至今仍然没有被其他军用潜艇打破。另外，电子设备领域，钛基复合材料利用其耐高温和耐腐蚀等特性，大量应用于高端电子产品的散热器、外壳及结构件中；汽车工业领域，在高性能汽车和赛车中用于发动机零部件、底盘和车身结构的制造，确保了减重强体和提升燃油经济性等多重优势的实现。

钛合金手术刀片特有的精确性和表面光滑度便于其与人体融合并保证其具有长期耐用性（图片来源：高新技术网站）

  随着材料科学技术的迭代更新，新型钛基复合材料，如钛合金复合陶瓷颗粒、碳纤维增强钛复合材料等相继研发成果，提高了材料的综合性能，拓宽了应用领域。未来钛基复合材料的发展将侧重于成本效益的提升和生产工艺的优化，特别是在3D打印、粉末冶金等先进制造技术的加持下，可以实现复杂结构的低成本、高精度制造，促进具有更佳生物相容性和环境适应性的新型钛基复合材料研发速度，将进一步推动其在生物医疗、海洋工程等领域的深入应用。（梁春晖）