基于雕鸮翼羽轻质高强特性的仿生纤维增强复合材料设计与制备随着人类科技的不断进步,航空航天、轨道交通等领域对轻质高强材料的需求日益增加,传统材料已难以充分满足其性能要求。纤维增强复合材料具有良好的比强度、比刚度和比模量,在保证强度要求的前提下,能够大幅减重,尤其碳纤维增强复合材料已得到广泛使用。但碳纤维增强复合材料仍有一些问题亟待解决,如碳纤维质脆,韧性差,容易断裂;碳纤维与基体间界面强度低等。因此,新型轻质高强纤维复合材料的理性设计急需寻求新的理论指导。师法自然,大型猛禽翼羽是其进行飞行运动的重要部分,具有重量轻、硬度大、强度高等特点,这些恰好是许多高性能结构材料设计追求的目标。特别地,典型猛禽翼羽的构效关系研究不仅为深入理解生物优异功能特性提供了独特的科学视角,也可以为设计轻质高强材料提供可靠的参考借鉴与理论依据。本文以大型鸮类雕鸮（Bubo bubo）为仿生原型,揭示了雕鸮翼羽羽轴基于髓质层和皮质层精细微观结构的轻质高强机理。在此基础上,通过有限元模拟分析和力学试验验证,设计制造了基于羽轴轻质高强机理的仿生夹芯复合材料,并对其力学性能及失效模式进行分析,进一步揭示了仿生夹芯复合材料轻质高强特性的内在机理。本文的主要研究内容如下:首先,选取雕鸮翼羽为研究对象,对其羽轴及羽片进行形态表征,并从轴向、径向两个不同维度对羽轴进行多尺度观察与参数化测量。研究发现,羽轴沿轴向具有截面渐变的特性,即从羽根处的近圆形逐渐过渡到羽尖处的近方形;羽轴沿径向具有典型的三明治夹芯结构特性,由外及内可分为致密皮质层及疏松髓质层,二者均呈现纤维状结构,而且皮质层与髓质层间由于纤维支柱结构的存在而保持紧密的结合。研究表明,雕鸮翼羽羽轴层间密度梯度变化的结构特性赋予羽轴整体轻质高强的优异性能。在此基础上,对羽轴的力学性能进行测试分析,并提取羽轴结构的关键力学参数进行物理模型的构建与优化,结合有限元方法,对羽轴轻质高强的功能特性进行仿真模拟与机理解析。然后,基于羽轴三明治夹芯结构及层间纤维支柱结构,设计并制造了具有微纳米纤维支柱结构的仿生夹芯复合材料。这种仿生夹芯复合材料由蒙皮、芯材及连接界面组成,蒙皮为碳纤维增强树脂基复合材料,芯材为聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）闭孔泡沫板。为了提升材料整体力学性能,模仿羽轴纤维支柱结构,以短切碳纤维（SCFs）为载体,将其加入纤维布间以及蒙皮与芯材的界面处,并在短切碳纤维表面负载羧基多壁碳纳米管（MWCNTs）,使二者形成微-纳网络,从而增加纤维拔出或断裂时所需时间与能量,进一步提高仿生夹芯复合材料整体的强度。最后,对仿生夹芯复合材料进行力学性能测试,主要包括弯曲性能测试和冲击性能测试,对其失效断面进行详细表征,分析仿生夹芯复合材料的失效模式,揭示仿生夹芯复合材料轻质高强性能的内在机理,为新型纤维增强复合材料的设计制造提供理论参考和技术支持。