近日，中國科學(xué)院金屬研究所材料使役行為研究部仿生材料設(shè)計團隊與輕質(zhì)高強材料研究部及國內(nèi)外科研人員合作，選用兼具金屬和陶瓷特性并且與鎂界面潤濕性良好的MAX相陶瓷作為組元，利用含氧氣氛下的可控球磨工藝將MAX相剝離成亞微米尺度薄片，進而利用真空抽濾實現(xiàn)陶瓷薄片的擇優(yōu)定向排列，最后將鎂熔體浸滲入部分燒結(jié)的多孔陶瓷骨架中，研制了具有超細尺度三維互穿類貝殼結(jié)構(gòu)的新型鎂-MAX相仿生金屬陶瓷材料，如圖1所示，該仿生金屬陶瓷材料具有以下特點：仿生空間構(gòu)型：MAX相薄片擇優(yōu)定向排列，鎂填充薄片之間的空隙，形成類似天然貝殼的微觀軟硬交替層狀結(jié)構(gòu)，有助于減弱裂紋尖端的有效應(yīng)力強度水平，誘導(dǎo)裂紋沿鎂相發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并通過MAX相薄片的橋接與拔出阻礙裂紋面張開，從而起到有效的增韌作用；兩相三維互穿：鎂和MAX相各自保持連續(xù)，連續(xù)的鎂有助于保留其高阻尼性能，連續(xù)的MAX相有助于獲得高強化效率，并且兩相在三維空間相互貫穿，促進各相內(nèi)部以及兩相之間的應(yīng)力傳遞，減輕應(yīng)力集中，延緩因各單一相或兩相界面損傷導(dǎo)致整體過早斷裂；超細結(jié)構(gòu)尺度：鎂和MAX相的特征尺寸均在亞微米到納米范圍，實現(xiàn)金屬相細晶強化，同時減小MAX相中的缺陷尺寸，充分發(fā)揮陶瓷組元的強化作用，并且獲得高密度（~7.5×10³mm^-1）的兩相界面，通過促進位錯在界面處形成與可逆運動提高阻尼性能。 

上述組成與結(jié)構(gòu)的巧妙設(shè)計賦予仿生材料優(yōu)異的輕質(zhì)高強韌高阻尼性能，在密度與鋁合金相當?shù)臈l件下（2.79g·cm^-3），其室溫壓縮與彎曲強度均超過1GPa，即使在200°C下，其強度依然接近700MPa，均顯著高于各組元以及其他鎂-陶瓷復(fù)合材料，同時獲得了超過350MPa/(g·cm^-3)的超高比強度，高于絕大多數(shù)塊狀鎂及鎂合金、陶瓷以及其他金屬-陶瓷復(fù)合材料，并且仿生材料表現(xiàn)出超過單一鎂組元的優(yōu)異阻尼性能以及良好的斷裂韌性（16.4MPa·m^1/2），如圖2所示。 

新型鎂-MAX相仿生金屬陶瓷在承載、減振等方面具有獨特優(yōu)勢，有望應(yīng)用于航空航天、精密儀器等領(lǐng)域，該仿生設(shè)計思路也可為開發(fā)新型高性能金屬陶瓷材料提供有益啟示。相關(guān)研究成果近期發(fā)表在Materials Today，第一作者為博士研究生劉艷艷，并且申請發(fā)明專利一項（專利號：ZL202110727077.9）。 

圖1：鎂-MAX相仿生金屬陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)、彎曲力學(xué)性能與斷裂機制

圖2：鎂-MAX相仿生金屬陶瓷的力學(xué)性能及其與其他材料的比較