中科院金屬所：仿生材料研究取得系列進(jìn)展！

結(jié)構(gòu)材料的性能不僅決定裝備的工作深度、運(yùn)行速度和負(fù)載能力等關(guān)鍵指標(biāo)，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(fù)雜，結(jié)構(gòu)材料在強(qiáng)度、韌性、阻尼、耐疲勞以及導(dǎo)電、耐熱等多個(gè)方面性能要求不斷提升，材料設(shè)計(jì)由滿足單一性能指標(biāo)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(xué)性能層面，強(qiáng)度與韌性往往難以兼顧，強(qiáng)度的提高通常伴隨著塑性和損傷容限的下降；同時(shí)，力學(xué)性能與電、熱等功能之間也常相互制約，進(jìn)一步加劇了材料綜合性能協(xié)同提升的難度。

與此同時(shí)，傳統(tǒng)的成分設(shè)計(jì)、組織調(diào)控及常規(guī)復(fù)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(qiáng)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(xué)組成簡(jiǎn)單、形成條件溫和，但在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中形成了由宏觀至原子尺度的復(fù)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(jì)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(tuán)隊(duì)成員劉增乾研究員聯(lián)合所內(nèi)鋁鎂合金、特種復(fù)合材料、鈦合金等研究部以及北京航空航天大學(xué)、山東大學(xué)、中國(guó)醫(yī)科大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校等開(kāi)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(qiáng)韌機(jī)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(jì)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(jī)制，為高性能仿生材料設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。針對(duì)復(fù)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(wèn)題，提出了“骨架構(gòu)筑+熔體浸滲”的兩步法制備策略（圖1），并研發(fā)出相應(yīng)的金屬基仿生材料制備技術(shù)，通過(guò)將微觀結(jié)構(gòu)構(gòu)建與材料整體成型有效解耦，為復(fù)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。

圖1. 仿生三維互穿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與相應(yīng)仿生材料的制備策略

在此基礎(chǔ)上，以生物材料強(qiáng)韌機(jī)理為指導(dǎo)開(kāi)展仿生設(shè)計(jì)，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(xiàng)性能極限（圖2）。例如，模仿貝殼與螃蟹殼的梯度結(jié)構(gòu)，研制出“外剛強(qiáng)、內(nèi)柔韌”的梯度仿生陶瓷材料，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)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(jì)制備出結(jié)構(gòu)-功能一體化仿生骨植入材料，同步實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定力學(xué)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(fù)合析出強(qiáng)化的仿生多尺度結(jié)構(gòu)鑄造高熵合金，同步實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)超同體系其他材料的高強(qiáng)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(xiàn)有材料的多項(xiàng)性能極限

進(jìn)一步將仿生設(shè)計(jì)策略拓展應(yīng)用于多類工程材料體系，實(shí)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(shí)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(fù)合材料，其室溫強(qiáng)度超過(guò)1200 MPa、高溫（500°C）強(qiáng)度超過(guò)700 MPa，均突破現(xiàn)有鎢銅材料極限；通過(guò)設(shè)計(jì)構(gòu)筑晶體-非晶三維連續(xù)網(wǎng)絡(luò)復(fù)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(shí)現(xiàn)超高室溫與高溫強(qiáng)度及優(yōu)異熱穩(wěn)定性，300度下比強(qiáng)度超過(guò)鈦合金，蠕變速率比多數(shù)鋁合金降低1-3個(gè)數(shù)量級(jí)。

上述研究可為實(shí)現(xiàn)材料協(xié)同強(qiáng)韌化與結(jié)構(gòu)-功能一體化提供仿生設(shè)計(jì)新思路、理論基礎(chǔ)與技術(shù)路徑，并為工程應(yīng)用提供新型高性能材料儲(chǔ)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(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體、重大和面上項(xiàng)目，以及國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)優(yōu)秀會(huì)員、中國(guó)科學(xué)院未來(lái)伙伴網(wǎng)絡(luò)專項(xiàng)等項(xiàng)目的資助。

本文來(lái)自“中國(guó)科學(xué)院金屬研究所”。

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