除了高比強度、比剛度以及優(yōu)異的導(dǎo)熱與電磁屏蔽等性能，鎂的阻尼性能顯著優(yōu)于大多數(shù)工程金屬材料，甚至可比肩一些常用的高分子材料，但其強度與耐熱性明顯高于高分子材料，因此在減震、吸能、降噪等方面突顯優(yōu)勢。鎂及其合金的強度、剛度、塑性和斷裂韌性仍低于鋼鐵和鋁合金，且抗高溫蠕變能力差，制約了其廣泛應(yīng)用。眾所周知，金屬材料的強度與阻尼性能表現(xiàn)為相互矛盾的倒置關(guān)系，一方面通過對位錯運動的限制可實現(xiàn)強度的提高，另一方面阻尼則要求位錯易于運動和擺脫釘扎，這導(dǎo)致依賴經(jīng)典的材料強化手段必然以犧牲阻尼性能為代價。如何在不顯著提高密度且不降低阻尼性能的前提下，實現(xiàn)鎂和鎂合金強韌化成為具有挑戰(zhàn)性的關(guān)鍵科學(xué)問題。

與人造材料相比，天然生物材料的宏觀力學(xué)性能通常顯著優(yōu)于其基本結(jié)構(gòu)單元的簡單加和，本源在于其復(fù)雜、多尺度的自組裝結(jié)構(gòu)。諸如貝殼、骨骼等在微觀上呈現(xiàn)三維相互貫穿式結(jié)構(gòu)，各組成相保持連通且相互穿插，由此實現(xiàn)各組成相在性能與功能上的優(yōu)勢互補，以及材料的同步強韌化。對自然界神奇“結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系”的理解為設(shè)計綜合性能優(yōu)異的新材料提供了獨到的思路。

最近，針對航空航天、精密儀器等領(lǐng)域?qū)τ诓牧蠝p震、吸能等方面的性能需求，中國科學(xué)院金屬研究所材料疲勞與斷裂實驗室劉增乾、張哲峰，鈦合金研究部李述軍、楊銳等與美國加州大學(xué)伯克利分校、中國工程物理研究院開展合作，借鑒天然生物材料三維互穿微觀結(jié)構(gòu)的理念，將鎂熔融浸滲至增材制造的鎳鈦合金骨架，構(gòu)筑成輕質(zhì)、高強、高阻尼、高吸能鎂-鎳鈦仿生復(fù)合材料（見圖1）。

微觀三維互穿仿生結(jié)構(gòu)不僅實現(xiàn)了鎳鈦增強相與鎂基體在性能優(yōu)勢上的互補與結(jié)合，而且賦予材料形狀記憶與自修復(fù)功能。首先，組成相在三維空間相互穿插有利于促進相互間的應(yīng)力傳遞，弱化應(yīng)力集中，使兩相的變形更加協(xié)調(diào)，更好地發(fā)揮了鎳鈦增強相的強化效果，仿生復(fù)合材料的強度顯著高于基于混合定律的簡單疊加。其次，仿生復(fù)合材料中基體與增強相之間不僅依靠界面的冶金結(jié)合，而且存在三維穿插的機械互鎖，有效地避免了因界面開裂造成的過早失效，賦予材料良好的損傷容限。再次，仿生復(fù)合材料中組成相在三維空間的貫通，不僅充分保留了鎂基體的阻尼性能，而且兩相之間的弱界面結(jié)合可引入微屈服、微裂紋等新的阻尼機制，進一步提高阻尼性能。此外，在特定溫度范圍（>150℃），鎳鈦增強相骨架的形狀記憶效應(yīng)與鎂基體的蠕變行為具有耦合效應(yīng)，鎳鈦的回復(fù)應(yīng)力遠高于基體的蠕變應(yīng)力，使得形變損傷后的仿生復(fù)合材料可通過常規(guī)熱處理恢復(fù)其初始形狀和強度，達到形狀記憶兼具自修復(fù)功能的雙重效果，并且可往復(fù)循環(huán)利用。

通過多重機制分別提高強度和阻尼性能，新型仿生復(fù)合材料突破了兩者之間的相互制約關(guān)系，實現(xiàn)了鎂合金的強度、阻尼和能量吸收效率等多種性能的良好結(jié)合，綜合性能優(yōu)于目前已知的工程材料，有望成為精密儀器、航空航天等領(lǐng)域需求的新型阻尼減震材料。