随着时代的发展和科学技术的进步,轻质材料对于节能减排和降低运营成本有着越来越重要的作用,并成为航空航天、军事和交通等许多先进领域的关键因素之一。最近,研究人员通过模仿马蹄、螳螂虾、鸟类头骨等天然生物材料的内部微观结构,构建出了一些具有高强度和高韧性的轻质仿生复合材料。例如,贝壳结构是一种具有优异的拉伸强度和断裂韧性的轻质材料,它是仅由硬质相(例如矿物文石,95%体积)和少量软质相(例如生物聚合物,5%体积)组成的“砖-泥”叠层结构材料。研究人员通过模仿这种“砖-泥”结构激发了制备高性能仿生复合材料的创意和方法。这种“‘砖-泥’交错叠层仿生贝壳复合材料”,由于其内部特殊的微观结构,让其拥有轻质量的同时也拥有优异的力学性能。为很多高精尖领域的发展提供了材料设计的重要参考,也为多个新型科技领域的创新提供可能性。本文工作的灵感来源于天然贝壳中层状文石微片层/几丁质纳米纤维——天然贝壳珍珠质的蛋白质结构。利用改进的Hummers法制备氧化石墨烯(GO),之后采用蒸发自组装法通过调节氧化石墨烯的片层之间的距离,来获得具有不同微观结构的仿生贝壳结构,并将制备好的材料进行拉伸试验,得到了其在外部载荷作用下的力学行为及相应的强度和和韧性特性。通过扫描电子显微镜对其断面进行表征,观察其破坏面的微观形貌。最后采用ABAQUS有限元数值模拟软件,根据“张剪链理论”得到了简化的贝壳结构模型来模拟材料在拉升加载下的力学行为,观察材料内部的应力分布和缺陷附近的应力集中问题。通过研究发现,优化的微观结构可以改善材料内部正应力和剪应力的分布,合理地优化材料内部的微观结构可以有效的提高其整体的宏观力学性能。对于复合材料来说,界面结合对材料的整体力学性能也具有极其重要的影响。因此,在前期工作基础上,本文在原有材料体系中设计了三种添加碳纳米管(CNTs)材料的方案,获得了三种具有不同GOCNTs复合程度的异质结构。通过材料力学性能测试分析结果表明,CNTs的含量对材料整体的力学性能有一定的影响。在相同含量的情况下,复合程度越高其协同作用对材料宏观体力学性能的影响越明显,材料整体的力学性能越优异。与此同时,受到异质结构协同效应对材料整体力学性能影响的启发,本文采用大片和小片的GO片层作为硬质相,通过调节硬质相片层的尺度来优化其硬质相的内部结构,让其分别与CNTs复合来组成新的异质结构。通过实验和分析发现,由于尺度效应和其内部特殊的微观结构排布,大片GO片层起主导作用。所以,复合材料内部CNTs与大片GO片层所组成的异质结构,可以更有效的提高材料内部的应力传递效率,进而提升其整体的力学性能。综上所述,本文通过实验制备出不同种类仿生贝壳交错叠层结构复合材料,对其进行力学实验、材料表征,并结合有限元模拟的结果,对其具备优异力学性能的原因进行分析,研究了仿生贝壳交错叠层结构的应力传递机制和增韧机制。这些结果对于结构性复合材料的设计具有一定的借鉴意义,也为高性能仿生材料的微观结构优化设计和界面设计提供有价值的参考。