轻质高强复合材料对于节能减排和降低成本具有重要意义,是当前航空航天、军事国防等尖端领域的研究热点。近些年来,科学家们受天然生物结构的启发,通过模仿生物结构中的精细层级结构,设计并获得了一系列轻量化仿生结构材料,为高性能复合材料的设计和制造提供了新的途径。例如,研究人员通过模仿贝壳珍珠层的“砖-泥”交错的层级结构获得了兼具高强度和高韧性的仿生结构材料。在最近研究中,科学家发现了一种存在于海洋中被称为女王凤凰螺的生物,由于要抵御海洋中巨大的潮汐力以及捕食者的影响,使得该贝壳类生物在保持中等强度的基础上具有非凡的韧性,比普通贝壳高出近十倍左右。这种优异的力学特性依赖于其内部精细的微观层次结构,将为一些高精尖领域的复合材料的设计与制备提供有益的参考。本文结合力学实验、有限元分析和力学理论研究了具有不同层间夹角的仿生凤凰螺交叉叠层结构在拉伸载荷作用下的破坏模式,并进一步通过对层间夹角的优化设计,获得了兼具强度与韧性的仿生结构。在研究中,首先采用非连续纤维增强尼龙onyx线材,利用可编程的3D打印技术获得具有内部结构参数可调的代表性仿生凤凰螺结构单元。对制备的具有不同层间夹角的仿生交叉叠层结构在Instron3343拉伸试验机上进行准静态拉伸测试。结果表明,随着层间夹角的增加,材料的强度逐渐降低,能量吸收先降后升,随后连续降低。通过对其破坏断面的微观表征,发现具有不同层间夹角的样品其破坏断面具有显著差异。进一步力学机制分析表明,层间夹角是影响仿生凤凰螺交叉叠层结构层内破坏模式以及力学性能的关键因素,而对层间行为几乎没有影响。因此,在本文中通过对层间夹角进行优化设计使仿生交叉叠层结构在保持强度的基础上,极大的提高了韧性,使材料的力学性能得到了充分发挥,从而能够应用于更复杂的工况。在对3D打印仿凤凰螺交叉叠层多级结构增韧机制研究的基础上,对3D打印短碳纤维增强仿生交叉叠层结构内部损伤修复功能进行研究,并对由长碳纤维增强的复合材料损伤修复进行了探索。依据实验标准制作了相应的符合三点弯曲实验的标准试件,对进行过测试的短/长碳纤维增强的复合材料试件分别用热处理和微波处理的方式进行修复,并对修复过后的试件再次进行弯曲性能测试。研究发现,热修复的处理方法相较于微波修复对短碳纤维增强仿生交叉叠层结构的修复效果更显著,而经过多次损伤的试件热修复具有同样的修复效果,但随着修复次数的增加材料的塑性降低,脆性增强。相对而言,微波修复具有时间短,效率高,且对裂纹具有选择性修复优势。微波修复和热修复的处理方法对有不同长碳纤维含量的叠层结构的修复效果类似,相较于微波修复的短碳纤维增强交叉叠层结构的热场分布,由于微波的聚焦效应其在长碳纤维增强材料的热场分布更为集中,且主要分布在损伤部位,进一步说明微波修复具有针对性。综上所述,本文采用3D打印方法,制备了具有不同层间角度的仿凤凰螺交叉叠层多级结构样品,通过力学测试、有限元数值模拟以及理论分析揭示了其增韧机制和优化策略,并对碳纤维增强的仿生交叉叠层结构材料损伤修复行为进行相关研究,这些结果将为轻质高强材料的设计和结构-功能一体化提供有益的指导。