随着现代工程领域的不断进步与发展,对现代工程材料也提出了更高的要求。现代工程领域通常要求材料要同时兼具轻质和高强的特性,即在满足强度要求的基础上尽可能地减轻材料的质量。更轻的材料质量对于机械与运载工程领域往往意味着更少的能源消耗,对于节能减排,实现“碳达峰”、“碳中和”的国家战略目标具有重大意义。因此,传统的金属材料因其相对笨重的特性无法满足现代工程对于轻质高强的要求。而树脂基复合材料由于其较轻的质量、良好的强度与韧性逐渐地代替传统结构材料,成为工程材料领域极为耀眼的“新星”,广泛地应用于航空航天、轨道交通、汽车工业、体育娱乐等诸多领域中。在树脂基复合材料中,用于增强树脂基体的纤维主要有碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维等。碳纤维虽然已经经过多年的发展,具有良好的机械性能,但其价格较为昂贵,并不适用所有场合;同样发展较为成熟的玻璃纤维,由于其有毒、有害、污染环境的特征,并不符合当前绿色发展的理念;芳纶纤维则是存在价格昂贵,加工难度大,紫外耐受性差等缺陷。相比之下,玄武岩纤维拥有优于玻璃纤维的良好机械性能,低廉的价格,以及环境友好的特性,逐渐受到越来越多的关注。因此,本文选取玄武岩纤维以及工程中常用的E51型环氧树脂,进行轻质高强韧复合材料的设计制备。在自然界中,生物通过数十亿万年的进化,实现了轻质与高强韧的统一,螳螂虾便是较为典型的例子。螳螂虾根据其末端鳌棒的不同,可分为“穿刺型”和“粉碎型”两大类。“粉碎型”螳螂虾其指节末端的鳌棒呈锤形,在捕食时其鳌棒可以产生极高的瞬时速度,达23m/s,可击碎极为坚硬的贝壳,具有极高的强度和极轻的质量;“穿刺型”螳螂虾其指节末端的鳌棒呈茅状,通过刺戳来捕食猎物,刺戳速度可达8m/s,其在捕食过程中主要承受弯曲与剪切载荷,同样具有较高的强度与韧性。这两种螳螂虾在攻击猎物时都会产生较高的瞬时速度,大量的能量会通过螳螂虾的鳌棒传递至附足上方的其他组织中,在螳螂虾附足腕骨的上方存在类似马鞍形的外骨骼来实现冲击能量的缓释与有效耗散,具有极高的韧性。因此,选用螳螂虾作为本文进行仿生复合材料设计的生物模本。本文选取具有轻质高强特性的螳螂虾鳌棒和具有高韧特性的螳螂虾马鞍形外骨骼为研究对象,从材料组成、微观结构和力学特性等方面对它们进行了深入研究,揭示了其相应的强韧机理,并以此为仿生原型利用玄武岩纤维设计制备出仿生高强韧材料。在生物材料轻质高强韧机理方面:（1）在生物材料轻质高强韧机理方面,通过对比两种螳螂虾鳌棒的特性及其所处的载荷环境,确定了茅状螳螂虾鳌棒具有轻质高强抗弯剪的特性;而锤形螳螂虾鳌棒具有轻质高强抗冲击的特性。研究揭示了茅状螳螂虾鳌棒轻质高强抗弯剪主要是其螺旋结构的纤维排布与梯度密度分布共同作用的结果;而螳螂虾锤型鳌棒的轻质高强抗冲击特性主要归功于其正弦纤维结构应力均化效应和螺旋纤维结构能量耗散作用。（2）对两种螳螂虾均具有的马鞍形外骨骼进行机理分析,揭示具有的能量缓释特性与高韧性主要是螺旋纤维结构与层间纤丝结构协同增韧的结果。通过对螳螂虾鳌棒以及马鞍形外骨骼的分析与研究,为仿生复合材料的设计与制备提供了坚实的理论支撑。在对生物材料高强韧机理分析的基础上,进一步分析生物生存环境与复合材料实际情况的异同,提取关键元素进行仿生设计,建立出相应的工程模型,并通过对工程模型的分析与优化,基于工程模型设计出应用于不同载荷环境的仿生复合材料。并通过数值模拟与分析,试验测试等一系列手段,揭示了仿生复合材料复杂的失效过程。基于螳螂虾生物材料高强韧机理的复合材料设计制造主要分为以下几方面:（1）对于螳螂虾茅状鳌棒提取其螺旋结构为关键特征,建立了相应的工程模型,在对模型进行参数的筛选与优化后,利用预浸料热压制备出相应的仿生抗弯剪复合材料,其中层间转角为18°的仿生复合材料具有最优的综合抗弯性能,可达1010.1±46.4MPa,而层间转角为22.5°的试样具有最优的综合层间剪切强度,可达21.67±0.84MPa。（2）对于螳螂虾锤型鳌棒,选取其正弦-螺旋复合纤维结构为关键特征,建立相应的工程模型,在分别对正弦纤维结构和螺旋纤维结构进行参数的选取与优化后,确定其螺旋纤维结构的层间转角为15°,正弦纤维结构的条纹宽度为4mm,以此利用真空导流法制造出相应的仿生抗冲击复合材料,其冲击韧性可达199.8k J/m~2,较传统试样提升约45%。（3）对于螳螂虾的马鞍形外骨骼,选取螺旋纤维结构和层间纤丝结构为关键特征,通过建立相应的仿生模型得到较优的参数,并利用静电纺丝技术与真空导流法相结合制造出相应的仿生高韧复合材料,其I型和II型层间断裂韧性分别提升约44%和118%。基于螳螂虾两种鳌棒以及马鞍形外骨骼的生物高强韧机理进行复合材料的设计制备,复合材料的机械性能实现了较为显著的提升,对于仿生复合材料的实际工程应用提供探索与借鉴。在基于前面高强韧复合材料设计的基础上,受生物对疼痛与损伤的感知启发,设计并制造出了具有高强韧及损伤自监测功能的轻质高强韧新型复合材料,该材料在具有极高强韧性的同时,兼具了对工程损伤的自我监测能力,适用于需要同时兼具轻质高强韧特性与材料损伤监测等功能的关键工程零部件中。本文研究并分析了其对不同形式损伤破坏的响应特性。综上所述,本文的主要创新点在于:从生物的特征出发,对其适用的载荷环境以及背后的高强韧机理进行了创新性的研究。并依据其轻质高强韧机理设计出了抗弯剪、抗冲击以及高韧性等适用于不同工况的复合材料,针对不同工况对高强韧玄武岩纤维增强复合材料的设计制造进行了创新性的研究。最后,受生物对疼痛与损伤的感知启发,开发了一种应用于关键零部件的仿生复合材料,为新型智能工程材料的设计与应用进行相应的研究与探索。