航空航天领域对于结构件轻质高强的要求越来越高,仅仅依靠材料改性已难以满足需求。鸟类作为自然界中优秀的飞行者,其羽轴由强韧的皮层与泡沫状的髓质组成,这种复合结构完美地实现了轻质与强韧的结合。通过对羽轴复合结构进行仿生,采用合适的材料,制备出复合结构件将可以满足航空航天发展需求。本文通过二维显微观察与三维模型重构,对雀鹰飞羽羽轴的结构进行定量分析,并且测定了羽轴的轴向压缩性能与皮层的拉伸性能,分析了羽轴结构与力学性能之间的联系。基于羽轴结构与性能的分析,以铝合金管与泡沫铝为结构组元,设计出泡沫铝填充复合管,并探索了一种液态成形法制备工艺,在此基础上,研究了复合管中不同界面结合方式对轴向压缩性能的影响。研究结果表明,从羽根到羽梢,羽轴的截面形状由近圆形变为类矩形,羽根仅由皮层组成,羽中和羽梢则由孔隙率为59%的泡沫状髓质填充于皮层中,占总体积的69%-72%。髓质中的单胞腔室为等效直径约30 μm的十面体与十二面体,并且腔室内壁由交错纤维编织而成。泡沫状的髓质与腔室内壁的小孔均极大程度地降低了羽轴的重量,满足了轻质的需求。通过对羽轴力学性能的分析表明,泡沫状髓质的存在提升了羽轴的抗压失稳性能,皮层与髓质的相互作用可使羽中和羽梢的实测强度比线性叠加计算强度分别高77%和141%,同时髓质的多面体腔室有助于载荷的分散。此外,羽轴的皮层纤维排列具有各向异性,随着从羽根背部到羽梢背部的纤维逐渐趋于轴向一致,抗拉强度与杨氏模量逐渐增加,断裂方式由曲折断裂变为V字形断裂,而羽中和羽梢的侧部为交错的纤维,受载下的断裂形式为平面断裂,抗拉强度显著下降。基于羽轴的分析,选择密度为0.4 g/cm3的闭孔泡沫铝作为仿羽轴复合管的内芯,7075铝合金与ZL205A铝合金为外层管壁,通过改变浇铸模型、浇铸温度等工艺因素,探索出底铸卧式石墨铸型浇铸工艺,在710℃下可制备充型完整的泡沫铝填充复合管,并且外壁金属具有均匀的力学性能。复合管在压缩性能上与羽轴相似,填充泡沫铝后强度得到明显提高,并与界面结合强度呈正相关关系,表现为冶金结合复合管的强度高于胶粘配合复合管,间隙配合复合管的压缩强度最低。T6态冶金结合复合管的压缩强度在T6态7075空管与ZL205A空管的压缩强度基础上分别提高了15.6%和20%。冶金结合界面对于轴向压缩性能的提高主要来自于泡沫铝与管壁的相互作用,体现在:（ⅰ）泡沫铝分散载荷的作用;（ⅱ）泡沫铝与金属管相互限制变形;（ⅲ）金属管内壁部分渗入到泡沫铝孔隙,在轴向上对泡沫铝形成支撑;（ⅳ）冶金结合的方式在一定程度上增加了管壁厚度。