中科院金屬所：仿生材料研究取得系列進展！

結構材料的性能不僅決定裝備的工作深度、運行速度和負載能力等關鍵指標，更直接影響其服役安全性、可靠性及使用壽命。隨著服役環境日趨極端、任務工況愈加復雜，結構材料在強度、韌性、阻尼、耐疲勞以及導電、耐熱等多個方面性能要求不斷提升，材料設計由滿足單一性能指標為主轉向多維性能的同步提升，結構-功能一體化需求日益凸顯。然而，材料不同性能之間普遍存在相互制約關系：在力學性能層面，強度與韌性往往難以兼顧，強度的提高通常伴隨著塑性和損傷容限的下降；同時，力學性能與電、熱等功能之間也常相互制約，進一步加劇了材料綜合性能協同提升的難度。

與此同時，傳統的成分設計、組織調控及常規復合等方法在材料性能提升方面已逐漸逼近理論或工程極限，難以從根本上突破結構-功能一體化所面臨的約束。因此，亟需探索材料協同強韌化與結構-功能一體化的新原理與新方法。自然界中的貝殼、骨骼、竹子等生物材料雖然化學組成簡單、形成條件溫和，但在長期進化過程中形成了由宏觀至原子尺度的復雜多尺度結構，從而展現出優異的綜合性能，可為人造材料設計提供寶貴啟示。

近期，金屬研究所材料疲勞與斷裂研究部張哲峰研究員團隊成員劉增乾研究員聯合所內鋁鎂合金、特種復合材料、鈦合金等研究部以及北京航空航天大學、山東大學、中國醫科大學、加州大學伯克利分校等開展系列合作研究，在揭示生物材料多尺度結構特征及其強韌機理的基礎上，提煉出多尺度、三維互穿等仿生結構設計關鍵要素，闡明了仿生結構在提升材料綜合性能方面的作用機制，為高性能仿生材料設計提供了理論依據。針對復雜仿生結構在人造材料中構筑難度大、可控性不足的問題，提出了“骨架構筑+熔體浸滲”的兩步法制備策略（圖1），并研發出相應的金屬基仿生材料制備技術，通過將微觀結構構建與材料整體成型有效解耦，為復雜仿生結構在金屬材料中的構筑提供了可行的技術路徑。

圖1. 仿生三維互穿結構設計與相應仿生材料的制備策略

在此基礎上，以生物材料強韌機理為指導開展仿生設計，并利用所研發的新型仿生結構構筑技術，在不同材料體系中研制出系列高性能仿生材料，突破了現有材料的多項性能極限（圖2）。例如，模仿貝殼與螃蟹殼的梯度結構，研制出“外剛強、內柔韌”的梯度仿生陶瓷材料，實現了強度、吸能、斷裂韌性與沖擊韌性的協同提升，突破了不同性能在均質材料中的制約關系；模仿天然骨的三維互穿結構，設計制備出結構-功能一體化仿生骨植入材料，同步實現穩定力學支撐與促成骨、抗炎等生物功能；模仿生物材料的多尺度結構，研制出微納米梯次復合析出強化的仿生多尺度結構鑄造高熵合金，同步實現遠超同體系其他材料的高強度（>1600 MPa）與高塑性（~11%）匹配。

圖2. 研制的系列新型仿生材料突破現有材料的多項性能極限

進一步將仿生設計策略拓展應用于多類工程材料體系，實現了材料綜合性能的顯著提升，為突破工程材料性能瓶頸與實現極端環境下的可靠服役提供了創新解決方案。例如，研制出高壓電接觸用多尺度三維互穿仿生結構鎢銅復合材料，其室溫強度超過1200 MPa、高溫（500°C）強度超過700 MPa，均突破現有鎢銅材料極限；通過設計構筑晶體-非晶三維連續網絡復合結構，引入仿生納米空間限域作用，在3D打印鋁合金中同步實現超高室溫與高溫強度及優異熱穩定性，300度下比強度超過鈦合金，蠕變速率比多數鋁合金降低1-3個數量級。

上述研究可為實現材料協同強韌化與結構-功能一體化提供仿生設計新思路、理論基礎與技術路徑，并為工程應用提供新型高性能材料儲備與選擇。相關成果發表于Progress in Materials Science 144 (2024) 101281、Advanced Materials 38 (2026) e14145、Materials Today 81 (2024) 70、Materials Today 87 (2025) 1、Materials Today 95 (2026) 103267、Interdisciplinary Materials 4 (2025) 502、Advanced Functional Materials 35 (2025) 2421057、Bioactive Materials 57 (2026) 54、Composites Part B 279 (2024) 111458、Scripta Materialia 259 (2025) 116544等。

相關研究得到了國家自然科學基金創新研究群體、重大和面上項目，以及國家重點研發計劃課題、中國科學院青年創新促進會優秀會員、中國科學院未來伙伴網絡專項等項目的資助。

本文來自“中國科學院金屬研究所”。

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