【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】結(jié)構(gòu)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(guān)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(huán)境日趨極端、任務(wù)工況愈加復雜，結(jié)構(gòu)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(shè)計由滿足單一性能指標為主轉(zhuǎn)向多維性能的同步提升，結(jié)構(gòu)-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(guān)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(xié)同提升的難度。
 

　　與此同時，傳統(tǒng)的成分設(shè)計、組織調(diào)控及常規(guī)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(jié)構(gòu)-功能一體化所面臨的約束。因此，亟需探索材料協(xié)同強韌化與結(jié)構(gòu)-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(jié)構(gòu)，從而展現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能，可為人造材料設(shè)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(lián)合所內(nèi)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(yī)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(jié)構(gòu)特征及其強韌機理的基礎(chǔ)上，提煉出多尺度、三維互穿等仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵要素，闡明了仿生結(jié)構(gòu)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(shè)計提供了理論依據(jù)。針對復雜仿生結(jié)構(gòu)在人造材料中構(gòu)筑難度大、可控性不足的問題，提出了“骨架構(gòu)筑+熔體浸滲”的兩步法制備策略，并研發(fā)出相應的金屬基仿生材料制備技術(shù)，通過將微觀結(jié)構(gòu)構(gòu)建與材料整體成型有效解耦，為復雜仿生結(jié)構(gòu)在金屬材料中的構(gòu)筑提供了可行的技術(shù)路徑。
 

　　在此基礎(chǔ)上，以生物材料強韌機理為指導開展仿生設(shè)計，并利用所研發(fā)的新型仿生結(jié)構(gòu)構(gòu)筑技術(shù)，在不同材料體系中研制出系列高性能仿生材料，突破了現(xiàn)有材料的多項性能極限。例如，模仿貝殼與螃蟹殼的梯度結(jié)構(gòu)，研制出“外剛強、內(nèi)柔韌”的梯度仿生陶瓷材料，實現(xiàn)了強度、吸能、斷裂韌性與沖擊韌性的協(xié)同提升，突破了不同性能在均質(zhì)材料中的制約關(guān)系；模仿天然骨的三維互穿結(jié)構(gòu)，設(shè)計制備出結(jié)構(gòu)-功能一體化仿生骨植入材料，同步實現(xiàn)穩(wěn)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(jié)構(gòu)，研制出微納米梯次復合析出強化的仿生多尺度結(jié)構(gòu)鑄造高熵合金，同步實現(xiàn)遠超同體系其他材料的高強度(>1600 MPa)與高塑性(~11%)匹配。
 

　　進一步將仿生設(shè)計策略拓展應用于多類工程材料體系，實現(xiàn)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(xiàn)極端環(huán)境下的可靠服役提供了創(chuàng)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(jié)構(gòu)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(xiàn)有鎢銅材料極限；通過設(shè)計構(gòu)筑晶體-非晶三維連續(xù)網(wǎng)絡(luò)復合結(jié)構(gòu)，引入仿生納米空間限域作用，在3D打印鋁合金中同步實現(xiàn)超高室溫與高溫強度及優(yōu)異熱穩(wěn)定性，300度下比強度超過鈦合金，蠕變速率比多數(shù)鋁合金降低1-3個數(shù)量級。
 

　　上述研究可為實現(xiàn)材料協(xié)同強韌化與結(jié)構(gòu)-功能一體化提供仿生設(shè)計新思路、理論基礎(chǔ)與技術(shù)路徑，并為工程應用提供新型高性能材料儲備與選擇。相關(guān)成果發(fā)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(guān)研究得到了國家自然科學基金創(chuàng)新研究群體、重大和面上項目，以及國家重點研發(fā)計劃課題、中國科學院青年創(chuàng)新促進會優(yōu)秀會員、中國科學院未來伙伴網(wǎng)絡(luò)專項等項目的資助。