21世纪的一个重大挑战是开发新型轻质高强韧结构材料,以满足空天、建筑和交通等领域的应用。金属/陶瓷复合材料由于兼具金属的塑韧性和陶瓷的高刚度、高强度等优点是最理想的材料之一。然而,受材料、结构和工艺等多重因素影响,制备高性能复合材料需解决以下三方面问题:一是传统的金属基复合材料多以均匀复合为特征,不利于发挥组分之间的协同耦合响应机制;二是由于传统设计方法和制备工艺的约束,导致材料制造困难;三是缺乏具有普适性的精准制备策略,常需因材而异。如何解决这些共性问题一直是复合材料制备科学的研究难点。“师法自然”是解决上述问题的有效途径。本论文着眼于这一点,以三种自然生物材料为指引,分析了贝壳、羊角和骨骼的多级次结构与其优异性能的响应关系,通过提取其结构单元为设计模板,用于构筑具有仿生结构特征的高性能金属/陶瓷复合材料。首先,从制备技术的角度综述了近年来仿生材料的研究现状,重点阐述了定向冷冻技术的研究进展及其在仿生复合材料结构调控方面的技术优势。将新兴定向冷冻技术与传统熔体浸渗工艺相结合,并融合润湿性调控、乳液溶剂模板和固相梯度分布等思想,开发了多种仿生材料制造新方法。采用Al-B4C、Al-Al2O3为材料研究体系,创制了多种仿生结构金属/陶瓷复合材料,并研究了制备过程的关键因素与调控策略。主要研究结果如下:（1）受贝壳层状结构和强韧化机制的启发,发展了一种可通用于多种材料体系的定向冷冻-反应烧结-压力浸渗工艺,制备了轻质高强韧层状Al/B4C复合材料。将定向冷冻技术与反应烧结相结合,以原位转化物相的方式解决了B4C骨架成型难、易坍塌的问题。反应生成的Ti B2改善了Al与B4C的润湿性,在低温（850 oC）较小压力（2 MPa）下制备了致密的Al/B4C复合材料。骨架中游离碳（来自碳化硼原料和分散剂碳化）的消除,避免了复合材料中Al4C3的形成;Ti B2的生成,减缓了Al与B4C的化学反应。探明了复合材料物相组成和微观结构对其力学性能的影响。得益于脆性反应产物的减少和层状结构的完整,Ti O2加入量为20 wt.%的复合材料强度和韧性均达到最大。通过对裂纹扩展路径和断口形貌进行分析,发现层状复合材料良好的韧性源于纯Al的固有高延性和层状构型带来的裂纹偏转、金属桥接等外增韧机制。（2）受羊角层状/管状结构和吸能增韧机制的启发,开发了一种乳液定向冷冻-压力浸渗技术,制备了具有层状/管状结构的Al/Al2O3复合材料。首次将乳液溶剂模板与定向冷冻以及压力浸渗技术进行了结合,突破了传统定向冷冻仅能获得单一构型的约束。研究了溶剂组分（水和环己烷）对结晶体几何特征和骨架微观结构的影响。随环己烷加入量增大,浆料粘度变大,骨架由层状结构逐渐转变为均匀构型,同时在环己烷:水体积比为50:50时,获得了最接近羊角的层状/管状复合结构。分析了层状/管状Al/Al2O3复合材料微观结构与其力学性能的响应关系。层状/管状结构的协同变形行为提高了材料的能量吸收能力,赋予了复合材料优异的力学性能,其单位体积能量吸收量、压缩屈服强度、弯曲强度和断裂韧性(KIc),分别达到了107±11 MJ/m3、188±9MPa、262±9 MPa和8.1±0.3 MPa×m1（14）2,远高于天然羊角材料,在很大程度上实现了师法自然而又在某一方面超越自然的目标。（3）受骨骼层状/梯度结构和轻质强韧特征的启发,结合定向冷冻技术和溶质传输思想,开发了一种沉降或离心-定向冷冻-压力浸渗新技术,制备了具有层状/梯度结构的金属/陶瓷复合材料。在沉降-定向冷冻中,以莫来石纤维和氧化铝颗粒为例,重力沉降造成纤维梯度分布,再定向冷冻锁定并引入层状结构。研究了陶瓷分布与几何形貌对骨架微观结构的影响,发现冰晶可以推动氧化铝颗粒,但难以推动莫来石纤维。在离心-定向冷冻中,氧化铝颗粒在离心力作用下梯度分布,研究了离心旋转速率和离心旋转时间对骨架结构的影响。增大旋转速率或增长旋转时间都可以使陶瓷骨架的梯度特征更明显。压力浸渗Al或Al合金至陶瓷骨架中,制备了具有与骨相似结构和功能特征的复合材料。揭示了复合材料组分分布和微观结构与其力学性能之间的关系。复合材料强度、硬度和耐磨性的逐渐增大归因于陶瓷相含量的增大,而断裂韧性的提高归因于金属相含量的增大和层状结构带来的裂纹偏转、金属桥接、片层拉拔等增韧行为。总之,本文利用定向冷冻-熔体浸渗技术探索制备了仿生金属基复合材料,在一定程度上实现了金属与陶瓷的仿生复合化,以期为发展轻质高性能复合材料及其制备技术提供些许参考。