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羟基磷灰石(HA)是人体骨骼的主要无机成分,具有良好的生物活性和生物相容性,在整形外科和牙齿种植上应用十分广泛。但其脆性大,疲劳性能差,在承载骨组织中的应用受到限制。因此,HA通常在承载种植体上用作涂层材料,如钛和钛合金,结合种植体材料力学性能优势和HA的生物活性优势来满足整体关节替换,牙种植体等的应用要求。HA和钛金属物理性能和热力学性能差异较大,涂层和基体之间化学结合强度和界面剪切强度较低,在受到高剪切力和拉伸力时可能会造成涂层从微观金属基体上剥离以及界面裂纹、界面处的磨粒磨损等缺陷,限制了HA/Ti涂层材料用作种植体的寿命。使用HA涂层来增加钛合金作为膝关节和其他种植体使用寿命的关键因素是增加涂层和基体表面之间的附着力,即界面的结合强度。而界面结合强度主要取决于化学键,因此问题的关键是HA涂层和金属基体二者之间界面的电子特性。所以,深入理解体相HA、HA表面、HA和金属基体界面的电子特性具有重大的科学价值。本文采用第一性原理方法分析HA/Ti界面体系的稳定性,弹性性质,界面结合力学性能及电子结构,从电子层面揭示涂层和基体界面的结合机制,为医用HA/Ti复合涂层材料设计开发、生物活化改性提供原理支持。本文主要内容包括:①HA块体性能,②HA和Ti表面性能,③HA/Ti界面性质。研究HA晶体内H、O、OH、Ca、以及Ca2+五种固有空位对晶体稳定性和弹性性质的影响机制,计算了空位缺陷形成能,结果表明五种空位中Ca2+空位最稳定。通过总能—应变关系曲线,计算了空位体系的弹性常数,由弹性常数计算了体系的体弹性模量、剪切模量、杨氏模量及泊松比并和实验值比较。空位缺陷对HA弹性性质影响较大,可以减小弹性模型,软化晶体。在所涉及的几种空位中,Ca2+空位缺陷的HA晶体最软,电子结构分析揭示了空位软化机制。人体骨骼中含有各种微量元素,为了提高生物活性,降低炎性反应等,常常在水溶液合成的HA涂层材料中掺入各种异类元素。本文采用第一性原理计算结合热力学模型研究水溶液环境合成的HA不同掺杂元素,不同掺杂浓度及掺杂位点对晶体稳定性和弹性性质的影响。从掺杂超胞总能及HA饱和溶液内下各种离子的化学势计算了掺杂能,结果表明,掺杂浓度为5at%掺杂浓度时,Zn2+、Sr2+和Mg2+替代易实现,而10at%时,掺杂不能自发生;掺杂具有位点倾向性,Sr2+掺杂例外,考虑的其他九种元素均在Ca(2)位点掺杂更稳定;不同元素掺杂难易差别较大,H+、Ag+、Mn2+三类离子的掺杂能为负值,易于实现掺杂;弹性性质计算结果揭示Ca(2)位点Zn掺杂及两个H替代Ca显著降低HA晶体的弹性常数和弹性模量。对元素掺杂体系的电子结构进行了分析,来解释掺杂机制。在HA体相及异类元素掺杂HA体相研究的基础上,研究HA及Ti的低指数表面,HA(0001)、)0101(、)1110(以及Ti(0001),优化表面的超胞结构,计算了表面能。在所计算的表面中,HA(0001)是最稳定的表面。然后研究了掺杂元素对HA低指数表面稳定的影响。不同元素对HA表面稳定性的影响差别很大,可分为三类,第一类加H掺杂,包括(Ag++H+)、CO32-+H+和2H+,掺入元素为表面稳定性元素;第二类Sr和Zn元素掺杂,掺杂对HA(0001)表面的稳定性影响较小;第三类由Mg2+、Y3+、和失去(H++OH-)组成,此类掺入可降低表面体系的总能,但掺杂元素处于表面上,损害表面的稳定性。(Ag++H+)和Zn2+掺杂后带隙宽度减小,Ag-O和Zn-O离子键强于Ca-O离子键。在HA低指数表面及Ti(0001)表面计算及分析的基础上,对HA和α-Ti两表面间的结合性进行基本的研究。建立了HA(0001)/Ti(0001)界面的两类模型,半周期边界界面模型和全周期边界界面模型,采用完全弛豫和普适结合能关系曲线两种方法确定了界面间距和界面区原子排布。计算了HA不同截止面/Ti界面的结合能,结果显示HA(0001)/Ti(0001)界面的结合能受HA表面的化学环境影响较大。没有Ca原子的终端、单个Ca原子终端和两个Ca原子终端的HA界面的结合能分别为-2.33、-1.52和-0.80 J/m2。讨论了弛豫方式对结合能及界面平衡间距的影响,单个Ca原子终端的HA/Ti界面的全周期边界界面模型,弛豫所有原子的方式,结合能和界面最佳间距分别为-1.99 J/m2和0.220 nm,而近界面处部分原子弛豫的方式,相应值为-1.14 J/m2和0.235 nm。电子结构分析揭示HA/Ti界面形成时存在界面电荷转移,产生穿过界面的Ti-O键和Ti-Ca相互作用,使得HA/Ti界面具有金属特性,HA侧最外层O原子数目较多时,界面体系能量低。本文还探讨了异类元素掺杂对HA/Ti体系的界面结合性的影响机制。Y、Ag和Zn掺杂的界面最负界面结合能绝对值均高于对应未掺杂界面,可提高HA/Ti界面结合强度,改善界面剥离问题;C和Sr掺杂对HA/Ti界面结合性影响较小,而HA表面失水或者掺入H+会减弱HA/Ti界面结合性。