微结构是影响材料宏观力学性能的关键因素之一,经过精心设计的微结构基于简单的组分就能为材料带来非凡的力学性能。微孔结构作为一种简单又典型的微结构,是实现材料轻量化的一种直接有效手段。自然界很多性能优异的生物材料内部都存在微孔结构,如很多动物的角、农作物的秸秆、骨头、蜂窝结构等等。学习和模仿自然界生物材料是人类探索微结构设计快捷而有效的途径之一。本文选择两种典型具有微孔结构特点且兼具优异力学性能的生物材料——甲虫角和麦秆,以及人工微孔结构的功能性材料——微胶囊自修复材料作为研究对象。采用高分辨率同步辐射SR-CT技术,对微孔洞的三维结构特征及内部微结构在外载荷作用下的变形损伤演化过程进行了三维原位力学表征,并对其内部裂纹萌生、裂纹扩展、孔洞破裂、损伤愈合以及结构断裂失效等损伤演化力学行为进行了连续的跟踪观测和定量分析。结合力学原理分析了微孔洞结构在材料承载和吸能等方面的微观力学作用机制,对多种类型孔洞结构在拓扑形貌、取向、三维空间排布、与其它微观结构和损伤裂纹之间的力学耦合作用机制进行了综合分析和讨论。这些研究结果将为新型复合材料的轻质强韧化设计提供有价值的优化策略。本文的主要内容和创新点包括以下四个方面:一、提出了甲虫角内部“密质外角质层——多孔内角质层——交叉叠层内角质层”梯度层级结构由脆性断裂和渐进破坏共同调控下的强韧化力学机制。基于SR-CT技术获得了甲虫角内部微结构的三维形貌,对其变形和破坏过程进行了连续追踪分析。观察到了甲虫角的层级梯度结构,即密质的外角质层、梯度孔结构和交叉叠层结构的内角质层。实验发现分层结构在不同的内部区域同时存在脆性断裂和渐进破坏现象,可以有效地调节不同区域的应力分布和破坏模式。这种类型的结构可以实现轻量、承重和吸能的完美结合。这些结果为层级复合材料设计提供了有价值的优化策略。二、揭示了麦秆内层多孔结构增韧、外层纤维结构承载和中间层“多孔+纤维”组合结构协调过渡的多层梯度结构轻量化力学调控机制。采用SR-CT技术对小麦秸秆在拉伸过程内部复杂梯度微结构的变形和断裂行为进行了原位观测和机理分析。实验观察到一些重要的变形和破坏演化现象,如内层裂纹多次萌生、被纤维阻断的裂纹扩展和中间层裂纹跳跃以及外层裂纹的挠曲和最终断裂等。这些重要的变形破坏现象本质是内部微结构的梯度分布所引起的力学行为以及中间层结构在协调整体结构力学性能方面的关键作用。这些研究成果对于理解麦秸的轻量化设计原理,获得薄壁材料微观结构的优化设计策略具有积极意义。三、探索了微胶囊自修复材料在三维应力场、微胶囊几何因素和内部缺陷等因素诱导下的损伤愈合力学机理。采用原位SR-CT实验研究了胺——二异氰酸酯快速化学愈合的双微胶囊自愈合材料在加载过程中内部微观结构演变和损伤愈合过程。实验观察到了一些重要的内部微观组织演化现象,如微胶囊的破裂、裂纹的扩展以及加载过程中修复剂的流动和融合等现象。探索了微胶囊自修复材料的应力场梯度分布、几何因素和内部缺陷引起的破裂和愈合机理。最后提出了该材料制备和服役过程中的性能优化策略,为微胶囊自愈材料的制备、内部微观结构设计和愈合性能提升提供有价值的指导。四、通过对前述材料内部微孔结构关键参数的综合分析,提出几类典型微孔结构的基本力学特征及其在材料轻量化中的优化策略。基于前述含有微孔结构材料的原位力学加载实验结果,结合有限元模拟方法,研究了微孔结构的几何参量、空间分布、微孔结构与其它结构的耦合,以及微孔结构与微裂纹间的相互作用对材料力学性能影响机制,初步探索了微孔结构的优化策略,为设计微孔结构提供相关的理论支持和指导。