轻质高强材料对于节能减排和降低运营成本具有重要意义,已成为航空航天、国防军事和轨道交通等诸多先进领域的关键材料。仿生结构材料作为一种新型的复合材料,其内部拥有精细层级结构,在不同尺度上协调优化强度、韧性等力学性能。近年来,科学家们通过模仿自然界生物材料内部的层级结构,构建出一系列轻质高强高韧的新型轻质仿生复合材料,为材料的轻量化设计和性能优化提供了新的途径。例如,在过去的几十年里,研究人员将贝壳珍珠层内部的“砖-泥”叠层结构作为增韧生物复合材料的模型系统。为了模拟珍珠状的“砖-泥”叠层结构,已经进行了大量的工作。然而,近期研究发现,雀尾螳螂虾运用锤状鳌棒击碎贝壳等软体动物的外壳进行捕食,因此螳螂虾的鳌棒必须承受上千次高速剧烈的撞击,这对其抗冲击性能提出了很高的要求。由于螳螂虾鳌棒外壳是由几丁质纤维束组成的螺旋状排列结构,使其拥有轻质量的同时也拥有高强、高韧的力学性能。这为很多高精尖领域的发展提供了材料设计的重要参考,也为多个新型科技领域的创新提供可能性。众所周知,叠层复合材料在承载过程中,沿厚度方向上的损伤抵抗力较差。本文通过从螳螂虾鳌棒内部的几丁质纤维螺旋排列结构（Bouligand system structure）中获得灵感,创造性的将单向碳纤维预浸料（碳纤维束和环氧树脂制成的碳纤维增强复合材料）叠层铺设成受螳螂虾鳌棒启发的螺旋叠层结构,之后设计了不同的层间螺旋角度,利用单向碳纤维预浸料按照不同层间螺旋角度叠层铺设制备成不同的螺旋叠层结构样品。并将制备得到的样品在Instron 5544材料拉压试验机上进行静态弯曲加载实验,得到了其在弯曲载荷作用下的力学行为及相应的强度和韧性（吸能）特性。通过扫描电子显微镜对其断面进行表征,观察其破坏断裂面的微观形貌。最后采用ABAQUS有限元数值模拟软件,建立螺旋结构模型,对仿生螺旋结构静态压载过程进行数值仿真计算。结合模拟结果与实验结果对仿生螺旋层状结构的强韧机理进行分析,发现螺旋结构在变形破坏过程中,其内部存在复杂的层内和层间应力分布,并对载荷传递效率产生重要影响。随着层间螺旋角度的改变,这些层内和层间的应力分布将发生显著变化。每一单层受层内拉应力作用下会发生层内沿碳纤维方向上的碳纤维断裂以及垂直碳纤维方向上的基体撑开破裂、纤维与基体之间的脱粘等破坏形式。同时又对相邻薄层间剪应力进行分析,受层间剪应力作用相邻薄层间或出现螺旋渐进式损伤破坏。结果发现层内拉应力诱导下的损伤破坏机制及层间剪应力引导下的螺旋渐进式损伤破坏机制对螺旋结构的承载能力和能量吸收具有关键影响。强度和韧性对大多数材料来说是一对不相容的矛盾,探索材料强度和韧性的组合优化机制是当前轻量化材料领域的重要研究课题。受自然界生物的启发,在前期工作的基础上,本文在原有仿生螺旋层状结构的基础上将螳螂虾鳌棒内部螺旋层状“Bouligand”结构与贝壳珍珠层内部的“砖-泥”叠层结构相结合,采用碳纤维环氧树脂复合薄层制备了具有二级结构的新型复合材料,并将其与单一螺旋叠层结构材料在弯曲载荷下的变形破坏和能量吸收特性进行了对比研究。通过研究发现,兼具“砖-泥”交错叠层结构和螺旋叠层结构的样品在变形破坏过程中,可改善其内部应力分布与载荷传递效率,缓解局部应力集中、延缓材料失效破坏,阻止裂纹传播,从而实现材料承载和能量吸收能力的进一步提升。所以,将螳螂虾鳌棒内部螺旋层状结构与贝壳珍珠层内部的“砖-泥”叠层结构相结合得到的这种新型结构,对于轻质高强材料的内部结构设计和性能优化具有积极的指导意义。