自然界中的贝壳因具有复杂的多级微观结构——砖砌结构,表现出优异的力学性能。近年来,砖砌结构已相继被引入高性能陶瓷、玻璃等工程材料的设计与制备之中。根据理论模型预测,以金属材料为结构单元可进一步发挥砖砌结构的增韧潜能。但近期报道的陶瓷/金属砖砌结构材料,由于界面性能的调控问题并没有取得较好的增韧效果。因此,本文在对金属基层状结构材料的制备及性能研究的基础上,结合光刻与电沉积技术,以Ni、Ni-P合金等金属材料为结构单元构筑砖砌结构,系统研究金属/金属砖砌结构材料的力学性能、裂纹扩展行为和相应的增韧机制,以期为新型高强、高韧金属结构材料的开发提供理论参考与指导。采用直流电沉积法,通过周期性变更电镀液组分和沉积时间,实现了不同层厚的非晶Ni-P(0.1 μm至6.0 μm)/晶体Ni(恒定为20μm)块体层状结构材料的可控制备。层状材料拉伸性能与非晶Ni-P层厚度密切相关:随着非晶Ni-P层厚的增加,抗拉强度和延伸率分别呈现单调递增与单调递减的趋势。但屈服强度表现出先增大后减小的趋势,在非晶Ni-P层厚度为1.0 μm时达到峰值(724 MPa)。另外,非晶Ni-P层厚度为0.1 μm时,该样品强度与延伸率分别为884 MPa和10%,相比于均质Ni,分别提高6%和43%,实现了强度与塑性的同时提升。进一步对断裂试样的微观结构分析表明:该层状材料的断裂机制随非晶Ni-P层厚的增加发生明显转变。当Ni-P层厚度小于1.0 μm时,晶体Ni层可有效抑制非晶层的剪切变形局域化,非晶层与晶体层发生协同变形,裂纹在晶体层内萌生,最终发生韧性断裂;当非晶Ni-P层厚度大于1.0μm时,非晶层在拉伸载荷下以剪切变形为主,在较低应变时即产生严重应变局域化,导致裂纹在非晶层萌生并向晶体层迅速扩展,最终整体材料表现为脆性断裂。本文结合光刻与电沉积技术,首次在金属材料中实现了砖砌结构的可控构筑。光刻技术可对二维砖砌结构图案进行精确复制与转移,同时电沉积技术可完成三维砖砌结构的构建。本文共制备三种砖砌结构金属材料,分别AM-Ni-P/UFC-Ni,NC-Ni/UFC-Ni和NC-Ni/UFC-Cu。微观结构表征结果显示,本文最终的微观结构为厚度为0.5 μm的软相金属“泥浆”相互连通,且粘合在三维空间有序排列的硬相金属砖块(尺寸为～2.5×20×40 μm3)。应用该方法制备砖砌结构材料,微观结构精细,且拥有更多贝壳砖砌结构的微观特征,与贝壳的砖砌结构高度相似。砖砌结构相比层状结构具有更为优异变形能力:弯曲实验中,砖砌结构能够承受180°对折而不发生断裂;层状结构则在弯曲小于90°时发生灾难性脆断。进一步的裂纹扩展行为分析显示,三种砖砌结构材料通过裂纹偏转、砖块的拔出等“外增韧”机制实现了韧化。由于结构单元的材料种类以及两相结合力存在差异,不同砖砌结构材料中占据主导的“外增韧”机制有所不同,导致最终的增韧效果也有所差别。对于Ni/Cu试样,其低强度软相(UFC-Cu)金属“泥浆”在加载时易失效,且两相界面结合较差,易导致硬相(纳米晶Ni)金属砖块的拔出;但两相间较差的结合力尚不足以保证载荷的有效传递,所以砖块拔出并不能形成较大的裂纹偏折及能量耗散,从而表现出较低的断裂韧性值(8.94 MPa·m1/2)。对于NC-Ni/UFC-Ni试样,其软相(UFC-Ni)金属“泥”强度较高,且两相间界面结合优良,在软相发生破坏时,界面间的剪切应力可使硬相(纳米晶Ni)金属砖块发生塑性变形至颈缩失效,这是该试样具有较高韧性值(18.17MPa·m1/2)的主要原因,“外增韧”机制的砖块拔出以及后续裂纹的偏转均不明显。对于AM-Ni-P/UFC-Ni试样,其硬相(AM-Ni-P)金属砖块强度最高且塑性变形能力较差,加载时金属“泥浆”发生剧烈塑性变形,同时良好的两相间界面结合使得金属砖块也承受较大的剪切应力,故裂纹尖端前沿的砖块易发生拔出,造成裂纹剧烈偏转,具有最优的外在增韧效果,其断裂韧性值与NC-Ni/UFC-Ni试样相当,达到18.06 MPa·m1/2。砖砌结构中的裂纹扩展行为具有明显的各向异性:样品开缺口方向与砖块长度方向呈角度90°方向的样品,由于金属“泥浆”与砖块在长度方向上的界面将起裂纹扩展“中止器”的作用,裂纹会沿界面偏折或界面分离促成砖块的拔出,从而表现出曲折的扩展路径和较高的断裂韧性值(20.78 MPa·m1/2);0°方向样品中裂纹难以发生大角度偏折,裂纹扩展阻力较低,从而导致较低断裂韧性值(18.01 MPa·m1/2)。也就是说90°方向样品比0°方向的样品具有更优异的断裂韧性。