随着科学技术的进步与发展,轻质高强复合材料在装备制造业所发挥的作用越来越大,现已成为航空航天、交通运输、军事装甲等领域的关键材料。在复合材料的设计与制造过程中,对材料结构的优化成为提高复合材料性能的关键。天然生物材料如竹子、贝壳、骨骼等经过亿万年的自然选择和进化,对结构进行不断的优化从而使其具有卓越的力学性能,成为人们设计高性能复合材料的灵感的来源。在众多的天然生物材料中,贝壳珍珠层通过将软物质和硬物质交错排列,能在保证复合材料强度的同时大幅提高材料的韧性而成为研究人员研究和模仿的重点。在制备人工贝壳珍珠层结构材料时,氧化石墨烯(GO)因其强度高、长径比大、质量轻等优点成为制备轻质高强高韧仿生贝壳珍珠层结构的理想材料。本文结合力学实验、有限元模拟和力学理论研究具有不同界面结合强度的氧化石墨烯基仿生贝壳珍珠层块体在弯曲载荷下载荷传递和损伤失机制,并进一步探究交错结构中硬物质尺寸效应对强韧性能影响的力学机制。在研究中,首先采用改进的Hummers法制备氧化石墨烯,通过干法纺丝的工艺批量制备具有交错结构的氧化石墨烯薄膜,然后以聚乙烯醇为粘结剂将薄膜逐层粘结成块体材料,最后在不同的压力下将块体材料压紧得到具有不同界面结合强度的三维氧化石墨烯基仿生贝壳珍珠层块体材料。对具制备的有不同界面结合强度的块体材料进行三点弯曲测试,测试结果显示,随着界面结合强度的提高,材料的弯曲强度增加,能量吸收先增加后减少,材料的失效方式也发生渐进失效向灾难失效的转变。之后根据片层的微观结构和界面特性,采用Abaqus有限元软件建立相应的数值模型,并利用cohesive单元来分析界面的损伤演化过程。通过研究发现,界面结合强度是影响贝壳珍珠层结构强度的关键因素,通过控制界面结合强度可以调节仿生贝壳珍珠层结构的界面载荷传递和失效模式,从而优化材料的强度和能量吸收组合,满足不同的应用需求。此外,还将氧化石墨烯膜还原,制备还原的氧化石墨烯基块体材料,并对其电学和热学性能进行探索性研究。在对界面结合研究的基础上,对仿生贝壳珍珠层中硬物质片层的尺寸效应进行研究。利用相同的干法纺丝和层压工艺,将大小片层不同的氧化石墨烯与聚乙烯醇(PVA)复合制备GO/PVA仿生贝壳珍珠层块体材料。对两种块体材料进行三点弯曲测试并利用有限元软件Abaqus建立相应的有限元模型,实验和有限元分析结果表明,在交错结构中增大硬物质的长度尺度能优化硬物质中拉应力的分布,但过度增大片层的长度尺度会引起软物质中剪应力分布集中而不利于力学性能的提高。因此,采取调节硬物质片层的长度尺度时要选择最优长度尺度的硬物质片层。在此基础上采用有限元研究在“无机/有机”二元交错结构中引入碳纳米管增强仿生贝壳珍珠层结构的力学机制。结果表明,在氧化石墨烯仿生贝壳中引入第三相可以通过提高软物质的强度和优化硬物质上的应力分布来提高交错结构的强度和韧性。综上所述,本文采用干法纺丝和层压相结合的工艺,制备不同特性的氧化石墨烯基仿生贝壳层块体材料,并通过力学实验和有限元模拟研究了仿生贝壳层结构的增强和增韧机制。这些结果可为生产大尺寸高性能仿生贝壳珍珠层结构材料提供有益的指导。