金属作为三大工程材料之一，被广泛应用于航空航天、军事装备、生物医疗等领域。然而，与其他工程材料类似，金属无法兼具高刚度和高阻尼，同时还具有较低的比模量和比硬度。此外，金属易发生腐蚀也限制其在苛刻环境中的使用。作为改善金属刚度和阻尼的通用策略，人们将高刚度组分和高阻尼组分结合到一起形成复合材料，但会在材料内部引入缺陷和界面，从而降低材料整体的刚度。最近，高熵合金或通过3D打印技术构建高性能金属能够提升材料的强度和刚度，但往往会牺牲材料的韧性和阻尼，且耐腐蚀性能没有明显改善。为了提高金属的服役时长，开发高刚度、高阻尼且耐腐蚀的金属材料显得格外重要，从而进一步促进金属的耐久性及工程应用范畴。
生物体已经进化出具有优异力学性能和高结构稳定性的生物材料，其性能往往优于人造材料。牙釉质作为最典型的生物材料之一，由平行排列的羟基磷灰石纳米线（96 wt%）、无机非晶间质以及极少量生物聚合物组成，表现出优异的刚度、硬度和阻尼（比单纯的羟基磷灰石陶瓷高出一个数量级），且能够在口腔环境中连续服役超过60年。规则排布的陶瓷阵列结构为牙釉质提供强支撑，晶体/非晶界面在受力过程中为牙釉质耗散能量。尽管通过电子束物理气相沉积和脉冲激光沉积策略能够在金属表面构筑陶瓷阵列结构，但陶瓷层中存在纳米级缺陷和孔隙，限制材料综合力学性能的提升。因此，引入仿生理念在金属表面原位构筑类牙釉质结构，将会是一种制备高刚度、高阻尼、耐腐蚀金属的有效方法。
北京航空航天大学郭林教授、赵赫威教授、郭天祺教授与加州大学伯克利分校Robert O. Ritchie教授合作，受高刚度、高阻尼牙釉质多级结构的启发，在金属表面原位构筑类牙釉质陶瓷层实现金属刚度、阻尼以及耐腐蚀性的同步提升。研究团队首先以锆箔（Zr foil）作为研究对象，通过水热法在Zr foil表面原位生长氧化锆（ZrO2）纳米棒阵列，随后通过可控水解法结合低温煅烧工艺在阵列间隙中填充非晶间质相，在Zr foil表面原位构筑了类牙釉质ZrO2陶瓷层，在提升金属拉伸强度的同时，未牺牲其固有的延展性和金属光泽。
图1. 类牙釉质陶瓷层强化Zr foil的制备过程、微观结构及拉伸性能
类牙釉质陶瓷层强化后的Zr foil兼具高刚度（121.3 GPa）和高阻尼（0.038），粘弹性品质因子达到了4.6 GPa，是传统工程材料（0.6 GPa）的7.6倍；同时具有优异的比模量（19.4 GPa/(g/cm3)）和比硬度（0.85 GPa/(g/cm3)），表明通过轻量化的强化策略能够同步提升金属的模量和硬度。
图2. 类牙釉质陶瓷层强化Zr foil的力学性能
研究团队系统分析了类牙釉质陶瓷层的永久变形区，发现晶体ZrO2阵列结构的强支撑作用以及晶体/非晶界面独特的能量耗散行为，是实现金属材料兼具优异力学性能的关键。
图3. 类牙釉质陶瓷层强化Zr foil的增强机制
此外，陶瓷材料固有的耐腐蚀性以及非晶间质相特有的长程无序结构特点，显著抑制了腐蚀性物质向金属基底的侵蚀，提高材料整体的耐腐蚀性。
图4. 类牙釉质陶瓷层强化Zr foil的耐腐蚀性及耐腐蚀机理
特别地，该强化策略具有良好的普适性，已推广至钛、锌、铜三种金属，并显著提升了这三种金属的综合力学性能和耐腐蚀性。其中，类牙釉质陶瓷层强化的金属钛的比模量达到了30.9 GPa/(g/cm3)，与轻质金属（例如镁和铝）相当，同时表现出良好的生物相容性，展现出潜在的临床应用前景。
图5. 类牙釉质陶瓷层强化策略的普适性探究
总之，该工作提出了一种新颖的金属强化策略，突破了金属材料刚度与阻尼难以兼得的技术瓶颈，同时提升了金属的比模量、比硬度以及耐腐蚀性，并具有良好的普适性，为开发高性能金属材料提供了巨大潜力，将促进金属在航空航天、军事装备以及生物医疗等领域的发展。该研究成果近期发表于Nature Communications 上，第一作者为北京航空航天大学博士后刘少佳和北京大学医学部博士后邓菁菁。
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Tooth enamel-inspired ceramic coating on metal surface for enhanced mechanical properties and corrosion resistance
Shaojia Liu, Jingjing Deng, Hewei Zhao, Tianbai Wang, Junfeng Lu, Baosen Ding, Tianqi Guo, Robert O. Ritchie & Lin Guo
Nat. Commun., 2025, 16, 5980, DOI: 10.1038/s41467-025-61060-1
研究团队简介
郭林，北京航空航天大学首批校长直聘教授（2001年），北航仿生智能界面教育部重点实验室副主任，化学一级学科带头人，教育部长江学者特聘教授，国家杰出青年基金、国务院政府特殊津贴、宝钢优秀教师奖获得者；新世纪百千万工程国家级人选、北京市优秀教师，北京市有突出贡献的科学技术管理人才，全国优秀教师，重点研发计划首席科学家。一直从事纳米材料的设计合成以及性能优化工作，在纳米材料的合成方法、可控组装技术、微结构调控原理、构效关系等关键科学技术问题方面具有丰富的研究经验和创新成果。现任Fundamental Research、Science China Materials、Nano Research 等期刊编委，中国化学会会士，英国皇家化学会会士。目前在Science、Nature（3篇）、Nat. Mater.、Nat. Catal.、PNAS、Chem、Matter、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.等国际知名期刊上发表SCI 论文420余篇，引用25000 余次，连续多年入选科睿唯安和爱思唯尔高被引学者；授权国家发明专利40 余项。受Wiley 出版社邀请独立撰写了一本英文学术专著《Amorphous Nanomaterials》，并获优秀作者奖。荣获教育部自然科学一等奖（2010）、国家自然科学二等奖（2013）、Dalton Horizon Prize（2024）、中国颗粒学会自然科学一等奖（2024）等荣誉奖励。
https://www.x-mol.com/university/faculty/19045
赵赫威，北京航空航天大学化学学院教授，博士生导师，基金委优秀青年基金获得者。近年来主要从事微纳米材料的设计、制备、力学性能表征、机理揭示等方面的研究工作，在高强高韧纳米材料、微纳结构增强复合材料领域开展了较为系统的探索。现阶段的主要研究方向是纳米材料物相及形貌的协同控制、以及仿生复合材料的设计制备及构效关系揭示、结构功能（光、热、生物等）一体化复合材料。迄今发表SCI论文50余篇，一作/通讯在Science、Nat. Mater.、Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Matter、ACS Nano等国际权威刊物发表SCI论文近40篇，两篇论文入选ESI高被引论文。部分成果得到了Science News、Scientific American、新华网、《中国日报》等国内外160余家著名媒体的专题报导。授权发明专利11项，其中1项专利正与投资人合作，积极推进科技成果转化。获得中国化学会青年化学奖、中国颗粒学会自然科学一等奖（2/10）、RSC Dalton Horizon Prize（2/36）等学术奖励。担任Nano Research、Carbon Energy、BMEMat、《复合材料学报》青年编委。
https://www.x-mol.com/university/faculty/373958
郭天祺，北京航空航天大学国际前沿交叉科学研究院教授，博士生导师。近年来发展了多种非晶微纳米材料可控合成的新策略，合成出一系列高性能非晶微纳米催化剂，探究了非晶结构与性能之间的构效关系。以第一/共一/通讯作者发表SCI论文30篇，包括Adv. Mater. 9篇、Angew. Chem. Int. Ed. 3篇、PNAS 1篇、Chem 2篇、J. Am. Chem. Soc. 1篇、Energy Environ. Sci. 1篇、Adv. Energy. Mater. 1篇等，其中3篇论文SCI他引过百次。
