纤维增强树脂基复合材料(Fiber Reinforced Polymer;FRP)具有高比模量和比强度、优异的耐疲劳和耐腐蚀性能等,在航空航天、船舶、建筑和交通等领域得到了广泛的应用。但是,相较于传统金属材料,FRP具有冲击和冲击后的残余强度低、能量吸收小的缺陷。将泡沫芯材置于两层层合板之间制备得到的夹芯结构复合材料可在一定程度上解决上述问题。此外,适当地选择蒙皮与芯材可以赋予夹芯材料额外的功能性,如高能量吸收率、低热导率和阻燃性等,这使得夹芯材料具有更广阔的发展前景。然而,采用热固性树脂作为粘合剂往往会造成夹芯结构复合材料的面-芯界面韧性较差,在受到外界载荷作用时,容易发生局部变形和裂纹扩展,导致界面分层,进而使得夹芯结构整体失效。因此,本工作开发了一系列基于短纤维的夹芯结构复合材料层间增韧方法,并通过层间韧性与整体机械性能的表征对增韧效果进行了描述。在此基础上,通过宏观、细观和微观三个层面的观察对材料的失效过程进行分析,并阐述了各增韧相的作用方式以及增韧机理。主要研究工作包括:(1)具有短纤维界面增韧的泡沫夹芯复合材料的制备方法研究传统的夹芯结构往往采用蒙皮芯材粘接法制备,不仅工序复杂,制作周期长;而且往往引入结构分层区,导致在服役过程中易发生局部弯曲变形,进而造成结构的提前失效。本文选用玻璃纤维/环氧树脂复合材料作为蒙皮,并将液相流延法制备的短纤维薄膜提前置于面-芯界面处,采用一次浸润、一次固化的VARTM成型工艺,以差示扫描量热法、黏-温曲线、黏-时曲线和凝胶时间等测试为依据,通过控制流动成型的树脂粘度,改善工艺装配,一次性制备得到具有短纤维界面增韧的泡沫夹芯复合材料。(2)泡沫夹芯结构复合材料的力学行为研究为了量化界面短纤维的有效性,分别采用准静态三点弯曲、摆锤冲击等测试方法,研究了短纤维种类、纤维面密度、纤维分散等因素对夹芯结构整体机械性能的影响。实验结果表明,界面纤维的引入可以显著的提升夹芯结构的极限载荷、能量吸收,保持结构整体性,抑制面-芯界面分层。通过对比各参量变化对力学性能的影响,得出了存在最佳的纤维面密度使得夹芯结构表现出最优综合性能的结论。同时,当纤维的分散效果得到提升时,最佳面密度的数值也有所提升。具有20g/m2界面玻璃短纤维的夹芯试样的弯曲强度可以达到65.18 MPa,弯曲过程能量吸收达到18.16J,冲击韧性达到226.34 J/m2,比空白试样分别提升109%、184%和47%。(3)界面短纤维的失效形式与增韧机理研究通过非对称双悬臂梁的测试方法对夹芯结构面-芯界面的断裂韧性进行表征,研究了界面韧性与夹芯结构整体机械性能的关系。采用微距拍摄、光学显微镜和扫描电镜等观测手段研究了短纤维在界面裂纹生长过程中的失效形式,确定了以剥离、拔出和本征断裂为主要吸能方式的“桥联”增韧机理。考虑各种吸能形式间的竞争关系与纤维的随机取向,建立了短纤维的微观分析模型。除此之外,纤维间的缠结和机械自锁往往会导致增韧效率的下降,这对界面短纤维在树脂流动成型的过程中保持分散性提出了更高的要求。通过接触角测试,确定纤维-树脂界面结合能力是决定增韧效果的主要影响因素。(4)界面短纤维磁纳米管协同增韧机理研究以上述研究结论为基础,采用碳纳米管(Carbon Nano-Tube;CNT)附着短纤维对夹芯结构面-芯界面进行增韧。实验结果表明,CNT不仅可以增大短纤维的表面积和表面粗糙度,同时还能够引入大量的活性基团,从而显著提升短纤维与树脂的结合强度。此外,伴随着成型过程中的树脂流动,CNT扩散至整个面-芯界面,形成CNT/环氧树脂的增强体系。具有1.5 wt%羟基化多壁碳纳米管(Carboxylated Multi-Wall Carbon Nano-Tube;MWCNTs-COOH)负载界面玻璃短纤维的夹芯试样裂纹扩展临界能量释放率达到681.85 J/m2,对比没有CNT附载样品和空白样品分别提升了 35%和402%。微观形貌表征结果显示,少量的CNT团聚可以加强短纤维间的连接效果,构筑微米-纳米的双尺度“桥联”效应。