在陶瓷材料的设计和研究中，引入仿生结构设计的思想，通过简单组成、复杂结构的精细组合，实现材料的高韧性、抗破坏及使用可靠特性。陶瓷材料的仿生结构设计，改善了陶瓷材料的脆性本质，为陶瓷材料的强韧化提供了新的研究和设计思路。

1988年，W.科布伦茨在天然生物材料结构研究的基础上，提出了纤维独石（即块体）结构设计。即纤维状的胞体根据一定方式排布，由一些相对很薄的胞界面分隔并结合成为一个块体结构材料。1993年，以碳化硅（SiC）为胞体材料，石墨（C）为胞界面材料，制备了SiC/C纤维独石结构陶瓷复合材料，其断裂功可达到1340焦/米²以上，比常规的碳化硅陶瓷高十几倍。并研究指出纤维独石结构比层状结构更加复杂，因而在结构设计上也拥有更多的自由度，经开发可用于多种用途。1993年，中国清华大学黄勇教授课题组率先开展纤维独石结构陶瓷材料的研究，以氮化硅（Si₃N₄）陶瓷为胞体材料、以氮化硼（BN）为胞界面材料，制备和研究了Si₃N₄/BN纤维独石结构陶瓷材料，断裂韧性高达20兆帕·米^1/2以上，断裂功高达4000焦/米²以上。1990年，W.J.克莱格^[注]开展层状结构陶瓷复合材料的设计，将厚度0.2毫米的SiC薄片压叠起来，并采用石墨纸作为薄片的分隔材料，构成了一种具有简单层状结构的陶瓷复合材料。其断裂韧性达15兆帕·米^1/2，断裂功更达4625焦/米²，是常规碳化硅陶瓷材料的几十倍。此后，以纤维独石结构和层状结构为代表的仿生结构陶瓷材料的研究成为一个重要的研究方向，在材料制备、断裂行为和增韧机制、拉伸与剪切性能、抗热冲击性能等方面形成了很多观点，从各个角度揭示了层状结构增韧的优点，取得了一定的研究成果。

仿生结构陶瓷按结构分主要有纤维独石结构陶瓷和层状结构陶瓷。

仿照竹木的纤维状结构（图1），将陶瓷粉体制成的纤维状胞体以一定的方式排布，中间间隔有很薄的界面层，最终形成块体的结构陶瓷。其制备工艺为：首先将粉体制成陶瓷纤维的前驱体，然后再通过工艺控制在其表面涂覆一定设计厚度的软相隔离层，最后经过有序的排列、排胶、压制、烧结而成块体。纤维独石结构陶瓷在宏观结构上与常规的陶瓷材料有本质的不同。以Si₃N₄/BN纤维独石结构复合陶瓷为例，在热压面上，纤维被压扁平铺于面上，形成一个个不连续的胞面，胞体间被不均匀的界面层所分隔。在垂直于热压方向的两个面上，一个面上纤维呈规则的轴向排列，整齐而均匀，界面分隔层厚度均一。在另一面，即纤维的横截面上，纤维断面与界面层分隔得非常清晰，每一根纤维的截面都近似为压扁的六边形。

图1 竹木的纤维结构

纤维独石结构陶瓷结构复杂，其性能影响因素有组成结构的各单元的大小、强度、界面分隔层的薄厚、结合牢固程度等。与Si₃N₄基体材料相比，Si₃N₄/BN纤维独石结构陶瓷具有非线性断裂的特点，其断裂功可提高数十倍至上百倍，表观断裂韧性可达到20兆帕·米^1/2，显著改善了材料的脆性，提高了材料抵抗破坏的能力。

仿照贝壳的层状结构（图2），将陶瓷硬质相（如SiC、Si₃N₄）制备成层片状坯体，然后在层片上涂覆一层弱界面相（如C或BN），叠层后经热压烧结制成SiC/C或Si₃N₄/BN层状结构的陶瓷。制备工艺主要包括基体片层的成型、界面层的涂覆、片层的排布、排胶和烧结等几个环节，每个环节中对最终材料的性能均有较大的影响。Si₃N₄/BN层状结构陶瓷具有由两种不同的材料（基体层和界面层）交替排列的层状结构，其中基体Si₃N₄片层的厚度约为80～100微米，BN界面层的厚度约为10～20微米。基体层和界面隔离层的基本性质、层数、层厚比、界面结合状态以及二者之间的物理和化学相容性等因素都会明显地影响层状结构陶瓷最终的力学性能。与基体Si₃N₄相比，Si₃N₄/BN层状结构陶瓷具有较高的强度、高断裂韧性（可达到28兆帕·米^1/2）、很好的抗冲击性能，断裂功可以提高数十倍至上百倍。

图2 贝壳珍珠层的层状结构

仿生结构陶瓷材料独特的结构特征决定了其具有独特的增韧机制。以Si₃N₄/BN纤维独石结构和Si₃N₄/BN层状结构陶瓷为例，其中存在着不同尺度的多级增韧机制的协同作用：弱界面层对裂纹的偏折、尾流区中基体片层中的桥接和摩擦滑动等一级增韧机制，作用区尺寸较大，与界面层厚度相当；当裂纹扩展到基体片层时，基体片层中添加的增强体晶须也可以通过拔出和桥接机制起作用，其作用区尺寸与裂纹尖端尾流区尺寸相当，为二级增韧机制；此外，基体层片中长柱状β-Si₃N₄晶粒也可进一步起到增韧作用，其尺寸小于晶须，属于三级增韧机制。不同尺度多级增韧机制的协同作用是使得该类仿生结构陶瓷材料具有高韧性和断裂功的主要原因。

仿生结构陶瓷材料具有独特的结构、力学性能和抗破坏能力，可望作为在高温和有机械冲击下使用的部件的表面材料，用于宇航、交通、军事、石油、化工、机械等领域。