随着我国科技和工业水平的不断发展,制造业对材料综合性能的要求变得越来越高。尤其是在航空航天、国防军工等尖端领域,不仅要求材料具备高强、高韧等多方面特性,同时还要求它们能够在复杂服役环境下兼具轻质和良好抗氧化、抗蠕变等性能特点,这将对工程材料的设计与制备提出了更高、更苛刻的要求。与人造材料相比,历经千百万年进化而来的纷繁复杂的天然生物材料具有多方面的鲜明优势。特别是贝壳珍珠母,作为被研究和模仿最多的天然材料之一,它是由硬质相（例如矿物文石95wt.%）和少量软质相（例如生物聚合物5wt.%）交替排列后形成的高度规则的“砖-泥”结构材料,同时也是一种兼具优良拉伸强度和出色断裂韧性的轻质复合材料,为高性能仿生复合材料的设计与优化提供了丰富的灵感来源。受天然贝壳珍珠层材料内部微观“矿物桥”结构的启发,本文通过碳纳米管（CNTs）与不同尺寸氧化石墨烯（GO）片层的结合设计并制备了四种结构相似但界面结合特性不同的“砖-泥”结构仿生复合材料,并对它们的力学性能进行了对比分析。结果表明:CNTs与不同GO片层的结合会造成样品内不同强度界面的分布差异,这将显著影响材料断裂时的裂纹偏转路径,诱导材料内部界面失效更倾向于发生在强度较弱的危险界面;进一步通过对不同界面上应力水平的对比分析发现:GO（l）-GO（l）界面和某些特定区域的GO（l）-GO（s）界面是样品内部更易发生失效的高应力界面,因此只有在界面优化的过程中深入分析材料内部应力分布的特点,有针对性地对所有“危险界面”及“高应力界面”都进行优化才能最有效地提高材料整体的损伤容限、延缓材料内部界面失效的演化进程,并最终达到全面提升材料整体力学性能的目的。上述结论为贝壳珍珠层类材料的界面优化及轻质强韧化设计提供了有益的指导策略。实际上,天然贝壳珍珠母材料之所以具备如此卓越的力学性能,不仅与它独具特色的界面结合特性相关,而且还与其软、硬质相间交错叠层且整齐排布的层级结构有很大关系。因此,在前述研究基础上以碳纤维预浸料为硬质相、热塑性聚氨酯（TPU）为软质相制备了多组尺寸相同但硬质相片层重叠长度不同的“砖-泥”结构仿生复合材料。通过有限元分析发现:“砖-泥”结构材料中硬质相片层的重叠长度对软质相间剪应力的分布规律具有重要影响。后续通过结合样品的力学性能测试结果发现:在“砖-泥”结构材料中增加硬质相片层的重叠长度可提升软、硬质相间的界面结合强度,进而有效改善样品整体力学性能。当硬质相的重叠长度小于临界值ld时,软、硬质相间的界面结合强度小于硬质相“砖块”的断裂强度,材料整体表现为界面脱粘式破坏;当硬质相的重叠长度大于临界值ld时,软、硬质相间的界面结合强度大于硬质相“砖块”的断裂强度,材料整体表现为片层的断裂式破坏,材料的拉伸强度极限受制于硬质相“砖块”的断裂强度。此外,在“砖-泥”结构仿生复合材料中始终伴随着剪滞效应对材料整体力学性能的影响,且硬质片层的重叠长度越长,剪滞效应的影响越严重,材料中载荷的传递效率就越低。以上研究结果为研究人员提供了改善“砖-泥”结构仿生复合材料的结构优化策略,对仿生材料的设计与研发贡献了有益的指导意见。综上所述,本文以氧化石墨烯、碳纳米管和碳纤维预浸料等碳基材料为基础设计并制备出了不同界面/结构特性的“砖-泥”结构仿生复合材料。结合实验样品的力学性能测试、材料内部的微结构表征和有限元分析从界面/结构两个方面分析了成就天然贝壳珍珠层材料轻质、高强、高韧等特性的深层次原因,并获得了提高该类仿生复合材料整体力学性能的优化机制。本文研究结果对仿生复合材料的界面/结构优化设计提供了一定的参考价值,并为制备更高性能的“砖-泥”结构仿生复合材料提供了有益的指导。