伴随着经济社会的发展和工业水平的不断升级,我国社会对于多样化的高性能材料需求更加广泛而迫切。在能源领域、机械制造、工程建筑领域,高性能、多功能、轻质环保的材料的发展逐渐成为产品提升、行业进步的关键因素。此外,对于生命医疗、航空航天等高科技领域,除材料的功能特性以外,对于其力学性能、安全性和可靠性有着更为严格的要求,而这些性能不仅与各组分的物理化学性质密切相关,其内部各相物质的组成结构包括从宏观到微观等不同尺度下材料的排布、取向及空间构型等特征是另一重要影响因素。本文分别在微观与宏观尺度下通过调控材料的结构参数,研究了两种碳基复合材料内部结构对其强度和韧性等力学性能的作用机制,并提出了碳基复合材料性能优化的内部结构设计策略。在微观尺度下,以氧化石墨烯(GO)和TPU为原料,采用溶液共混法以及溶液蒸发诱导自组装的方法制备复合材料。通过调节两种组分的比例来控制作为增强相的GO的含量,制备了氧化石墨烯/聚氨酯(GO/TPU)复合材料薄膜,其氧化石墨烯含量在全含量范围内(0～100 wt%)。不同的GO含量下,材料内部的微观结构特征(GO片的空间排布、片层取向以及空隙等)都会同步引起变化,而这些结构因素都会对复合材料的力学性能有所影响。首先对不同GO含量的复合材料进行了拉伸实验测试,得到材料相关的力学性能测试结果,然后将材料的拉伸断裂界面在扫面电子显微镜SEM下进行了表征,在所观测到的微观结构特征的基础上建立起对应的二维模型后进行仿真数值模拟。结合复合材料力学经典理论以及仿真模拟结果发现,在不同的氧化石墨烯含量状态下,复合材料的内部微观结构发生了较大的变化,其内部的氧化石墨烯片层由随机离散排布逐渐取向有序化,在高GO含量时转变为规则的“砖-泥”交错叠层结构。在此过程中,复合材料的力学性能出现了多次峰值变化(强度从最初的42 MPa增加到最大的126 MPa,增加了 200%)。这种强度的变化可能是由于不同含量GO以及其所引起的不同的复合材料内部微观结构所导致的,相应地,复合材料内部的应力分布和载荷传递机制发生了显著变化。研究表明,通过对氧化石墨烯/聚氨酯复合材料中氧化石墨烯含量的调控,其内部微观结构是可设计的,这有利于有效地调节其力学性能以满足不同的应用,从而扩展其在力学、电学、热学等领域的应用。在进一步研究材料结构对力学性能的影响时,由于“砖-泥”交错叠层结构在微观尺度下无法精确控制材料的结构参数,如:片层的长径比、片层间的搭接比例等,所以在宏观尺度下进行结构设计。本文以碳纤维/环氧树脂这种高性能复合材料为原料,采用剪切、叠层组装及高温固化等工艺,通过调节“砖-泥”交错叠层结构中“砖块”单元的长度、搭接比例等因素得到了多组不同结构的具有规则“砖-泥”交错叠层结构的仿贝壳珍珠层碳纤维/环氧树脂复合材料。相同地,对不同结构参数不同的“砖-泥”交错叠层复合材料进行了拉伸实验测试,得到材料相关的力学性能测试结果,然后利用电子显微镜SEM对材料的拉伸断面进行了表征,根据材料的微观结构特征建立了二维模型并进行仿真数值模拟。结果表明,“砖-泥”交错叠层结构中的“砖块”单元长度对于其强度和韧性具有重要影响,而在此基础上通过改变该“砖块”单元的搭接比例可进一步改善其内部的应力分布、载荷传递机制和材料的破坏形式,从而实现其强度和韧性的调控与优化。综上所述,本文通过对两种碳基复合材料结构上的设计与改变来来研究材料结构对材料性能与内部力学作用机制的影响。为相关材料的轻质化、增强、增韧研究提供了分析思路,并且为通过材料的结构设计来获得理想材料性能的实验研究工作提供了重要参考。