传统金属基复合材料(MMCs)的发展通常以增强体的均匀分散为指导原则,这虽然可以提高MMCs的特定力学性能(如强度,刚度和耐磨性等),但这些性能的提升往往以延展性和韧性的牺牲为代价,这严重制约了MMCs的工程应用。相比之下,生物硬质材料具有的纳米叠层结构使得其具有优异的强度与韧性匹配,因此,启迪于自然材料的结构韧化效果与优势,设计具有仿生构型的MMCs进而实现人造金属基复合材料强度-韧性优异匹配,是获得先进高性能MMCs的创新思路。利用片状粉末冶金手段,本课题组首次制备了具有仿生叠层构型的石墨烯-铝复合材料块体,依托于石墨烯/铝的强界面结合、石墨烯的有效承载机制,以及仿生叠层构型引起的裂纹偏转和桥接等韧化机制,石墨烯-铝复合材料展现出既强又韧的力学特性。虽然前期研究已通过宏观拉伸测试与微观表征,阐明了石墨烯-铝复合块体平行于石墨烯片层取向的力学性能与强韧化机理,但受限于制备工艺与样品尺寸,对诸如仿生构型石墨烯-铝复合材料各向异性性能及其影响机制、界面强度定量表征、动态失效行为及机理等研究尚未开展。这不利于仿生构型石墨烯-铝复合体系的进一步发展与应用。因此,上述基础问题的实际解决亟需一种微观的、动态的力学性能表征手段。近年来发展起来的微纳尺度材料表征技术为上述问题的研究提供了新思路与新方法。本文以仿生纳米叠层石墨烯-铝复合材料块体为原型,利用聚焦离子束在块体表面上制备出具有不同叠层取向的石墨烯-铝复合材料微拉伸样,在扫描电子显微镜下开展原位单轴拉伸试验。具体地,研究了不同叠层取向对复合材料形变行为(抗拉强度,延展性,石墨烯承载效应)的影响以及其相关机制,并利用原位试验的微观组织-力学性能的一体化表征优势,揭示了仿生构型的外在韧化优势。结果表明,石墨烯取向显著影响仿生纳米叠层石墨烯-铝复合材料的抗拉强度及延伸率。当拉伸方向与石墨烯平面取向从垂直(等应力状态)转变为平行关系(等应变状态)时,复合材料体现出由脆性、低强度向高强高韧的力学性能转变。显示出仿生构型石墨烯-铝复合材料体系存在较强各向异性。进一步的微观组织分析阐明了复合材料的力学性能各向异性来源于石墨烯承载强化以及仿生构型韧化的各向异性。综上所述,通过扫描电镜下的原位微拉伸表征对仿生构型石墨烯-铝复合材料的各向异性性能、动态形变行为以及界面强度进行了详细研究,系统地揭示了仿生构型复合材料各向异性力学性能及其影响机制、构型韧化微观机理、增强相强化机理以及其他相关性问题,并定量测定了复合材料的界面强度。本研究在科学上阐明了复合材料的结构设计与调控对提高MMCs综合力学性能的重要作用,而且使用的微纳力学表征方法对其他复合材料体系亦具有重要现实意义。