复合结构在功能器件、智能结构等领域有着广泛的应用。复合结构的界面是组分材料之间应力传递的纽带,对保证结构的可靠性、稳定性起着至关重要的作用。其中,对于软材料,软器件、软机器受到了学术界和工业界的广泛关注,已经成为当前研究的前沿和热点。而复合软结构存在以下关键问题:水凝胶与弹性体之间的黏附非常弱,而已有的粘接方法又具有很大的局限性。本文提出了软材料原位粘接方法,突破了上述限制:可整合性质各异的软材料、适用于多种加工工艺。对于复合材料,结构的强韧化始终是科学研究的重点,界面脱粘、摩擦和缺陷对于材料的失效有着极为重要的影响,本文发展了新的界面力学模型和计算分析模型,以全面、深入和系统地分析材料的失效机制。本文工作将对软器件、软机器和复合材料等复合结构的设计、制备和发展提供理论指导。(1)本文提出了适用于软材料3D打印、涂层等多种加工工艺的软材料原位粘接方法。通过共聚或嫁接的方式在软材料中引入硅烷偶联剂,随着硅烷偶联剂自发水解和缩合,在软材料内部形成交联点,在软材料界面处产生粘接。软材料原位粘接方法具有以下优点:界面能高,稳定性好,适用范围广,在保证界面性能的前提下,允许水凝胶和弹性体以任意顺序形成网络,同时给予充分的时间对软材料进行加工。研究发现:pH、表面活性剂和温度对硅烷偶联剂在软材料内部及界面处水解和缩合的速率有重要的影响。(2)针对软材料原位粘接方法的普适性,我们展示了其在水凝胶和弹性体复合结构3D打印、软材料涂层等多种加工工艺下的应用。针对软材料原位粘接方法的独特性,通过移除传统的交联剂,添加硅烷偶联剂作为交联和粘接的元素,制备出了耐氧可塑性水凝胶,不仅可用于打印、涂层,还可纺水凝胶纤维;通过在水凝胶表面浸涂弹性体制备出了高温水凝胶,首次展示了水凝胶在120 ℃环境下使用。(3)本文发展了含界面脱粘、摩擦滑移及其耦合行为的非线性内聚力模型。并将其通过用户子单元的形式植入到商用有限元软件ABAQUS中。搭建了微珠剥离实验平台。通过对比模拟与实验的结果验证了界面力学模型的有效性。通过量纲分析研究了界面力学性能和结构的几何参数对材料力学行为的影响,并引入了 一个特征长度。研究发现,微珠剥离实验所测得的界面剪切强度IFSS随着特征长度与纤维被包裹长度之间的比值单调递增,并趋近于稳定值。(4)界面脱粘和孔隙处材料的损伤演化是复合泡沫中两个重要的损伤机制,在本文中,我们采用细观力学方法,建立了适用于分析界面和孔隙缺陷的计算模型。通过扩展有限元方法和内聚力模型来模拟界面脱粘和基体开裂,系统地研究了界面性能、孔隙率和空心微珠含量与壁厚对复合泡沫力学性能的影响,揭示了材料的失效机制。