第４１卷第１期佳木斯大学学报（自然科学版）Ｖｏｌ．４１Ｎｏ．１２０２３年０１月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＪｉａｍｕｓｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）Ｊａｎ．２０２３文章编号：１００８－１４０２（２０２３）０１－０１２９－０６第一性原理计算生物医用β钛合金的弹性性质与稳定性①赵垒，李维汉，疏达＊，江本赤，戴思超（安徽工程大学机械工程学院，安徽芜湖２４１０００）摘要：β钛合金具备低杨氏模量特性，在外科手术中可有效降低人体骨骼与金属假体的应力屏蔽问题。基于第一性原理密度泛函理论计算了β钛合金Ｔｉ－Ｎｂ－Ｔａ体系的弹性性质与稳定性。计算结果表明，随着Ｔａ元素含量的增加，结合能与生成能逐渐降低，总态密度（ＤＯＳ）费米能级附近峰值总能量逐渐降低，表明体系的稳定性逐渐提升。杨氏模量与剪切模量趋势大体一致，当Ｔａ元素浓度为２５％时，杨氏模量达到最低２７．２３ＧＰａ，剪切模量达到最低９．２８ＧＰａ；当Ｔａ元素浓度为１２．５％时，杨氏模量达到最高５８．８９ＧＰａ，剪切模量达到最高２０．７１ＧＰａ。Ｔａ元素对体系各向异性有重大影响，Ｔｉ－２５Ｎｂ－６．２５Ｔａ体系在＜１００＞，＜０１０＞，＜００１＞晶向杨氏模量最高，＜１１１＞晶向杨氏模量最低；Ｔｉ－２５Ｎｂ－１２．５Ｔａ，Ｔｉ－２５Ｎｂ－１８．７５Ｔａ，Ｔｉ－２５Ｎｂ－２５Ｔａ，Ｔｉ－２５Ｎｂ－３１．２５Ｔａ体系在＜１００＞，＜０１０＞，＜００１＞晶向杨氏模量最低，＜１１１＞晶向杨氏模量最高。关键词：第一性原理；弹性性质；杨氏模量；β钛合金中图分类号：ＴＧ１４６２＋３文献标识码：Ａ０引言β钛合金具有低杨氏模量、耐腐蚀性强、良好的生物相容性、高屈服强度、耐疲劳，在生物医学上被广泛应用［１－３］。常见的医用钛合金材料Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ杨氏模量约为（１５０Ｇｐａ）［４］，远高于人体骨骼（１０～３０ＧＰａ）标准。然而，由于钛合金假体与人体骨骼杨氏模量数值相差较大，二者相互作用时，容易使钛合金假体优先吸收外界施加的力而产生“应力屏蔽”现象［５］，结果导致人体骨萎缩。此外Ａｌ、Ｖ元素均为毒性材料［６］，对人类健康产生影响，因此寻找无毒、低杨氏模量、能更好的与人体骨融合的钛合金假体是目前的研究热点之一。针对医用钛合金Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ的高杨氏模量，与人体骨不匹配，产生“应力屏蔽”现象，国内外学者利用第一性原理、实验等方...
