结构材料的性能不仅决定装备的工作深度、运行速度和负载能力等关键指标，更直接影响其服役安全性、可靠性及使用寿命。随着服役环境日趋极端、任务工况愈加复杂，结构材料在强度、韧性、阻尼、耐疲劳以及导电、耐热等多个方面性能要求不断提升，材料设计由满足单一性能指标为主转向多维性能的同步提升，结构-功能一体化需求日益凸显。然而，材料不同性能之间普遍存在相互制约关系：在力学性能层面，强度与韧性往往难以兼顾，强度的提高通常伴随着塑性和损伤容限的下降；同时，力学性能与电、热等功能之间也常相互制约，进一步加剧了材料综合性能协同提升的难度。

与此同时，传统的成分设计、组织调控及常规复合等方法在材料性能提升方面已逐渐逼近理论或工程极限，难以从根本上突破结构-功能一体化所面临的约束。因此，亟需探索材料协同强韧化与结构-功能一体化的新原理与新方法。自然界中的贝壳、骨骼、竹子等生物材料虽然化学组成简单、形成条件温和，但在长期进化过程中形成了由宏观至原子尺度的复杂多尺度结构，从而展现出优异的综合性能，可为人造材料设计提供宝贵启示。

近期，金属研究所材料疲劳与断裂研究部张哲峰研究员团队成员刘增乾研究员联合所内铝镁合金、特种复合材料、钛合金等研究部以及北京航空航天大学、山东大学、中国医科大学、加州大学伯克利分校等开展系列合作研究，在揭示生物材料多尺度结构特征及其强韧机理的基础上，提炼出多尺度、三维互穿等仿生结构设计关键要素，阐明了仿生结构在提升材料综合性能方面的作用机制，为高性能仿生材料设计提供了理论依据。针对复杂仿生结构在人造材料中构筑难度大、可控性不足的问题，提出了“骨架构筑+熔体浸渗”的两步法制备策略（图1），并研发出相应的金属基仿生材料制备技术，通过将微观结构构建与材料整体成型有效解耦，为复杂仿生结构在金属材料中的构筑提供了可行的技术路径。

在此基础上，以生物材料强韧机理为指导开展仿生设计，并利用所研发的新型仿生结构构筑技术，在不同材料体系中研制出系列高性能仿生材料，突破了现有材料的多项性能极限（图2）。例如，模仿贝壳与螃蟹壳的梯度结构，研制出“外刚强、内柔韧”的梯度仿生陶瓷材料，实现了强度、吸能、断裂韧性与冲击韧性的协同提升，突破了不同性能在均质材料中的制约关系；模仿天然骨的三维互穿结构，设计制备出结构-功能一体化仿生骨植入材料，同步实现稳定力学支撑与促成骨、抗炎等生物功能；模仿生物材料的多尺度结构，研制出微纳米梯次复合析出强化的仿生多尺度结构铸造高熵合金，同步实现远超同体系其他材料的高强度（>1600 MPa）与高塑性（~11%）匹配。

进一步将仿生设计策略拓展应用于多类工程材料体系，实现了材料综合性能的显著提升，为突破工程材料性能瓶颈与实现极端环境下的可靠服役提供了创新解决方案。例如，研制出高压电接触用多尺度三维互穿仿生结构钨铜复合材料，其室温强度超过1200 MPa、高温（500°C）强度超过700 MPa，均突破现有钨铜材料极限；通过设计构筑晶体-非晶三维连续网络复合结构，引入仿生纳米空间限域作用，在3D打印铝合金中同步实现超高室温与高温强度及优异热稳定性，300度下比强度超过钛合金，蠕变速率比多数铝合金降低1-3个数量级。

上述研究可为实现材料协同强韧化与结构-功能一体化提供仿生设计新思路、理论基础与技术路径，并为工程应用提供新型高性能材料储备与选择。相关成果发表于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。

相关研究得到了国家自然科学基金创新研究群体、重大和面上项目，以及国家重点研发计划课题、中国科学院青年创新促进会优秀会员、中国科学院未来伙伴网络专项等项目的资助。

图1. 仿生三维互穿结构设计与相应仿生材料的制备策略

图2. 研制的系列新型仿生材料突破现有材料的多项性能极限