氧化铝陶瓷复合材料具有稳定的物理、化学性能,优秀的力学性能、介电性能、耐磨性能,适中的烧结温度以及较低的生产成本,被广泛应用于航空航天、深海探测、装备制造、车辆载具、医疗工程、电子元件及国防军工等多个工程技术领域。然而,氧化铝陶瓷复合材料强度与韧性之间相互冲突与制约的关系,使其日渐难以满足极限服役环境对其力学性能的严苛要求。自然界中的天然生物材料,在其自身组成材料力学性能表现并不突出的情况下,仍然能够通过复杂而精巧的天然生物材料结构,展现出远超人造材料的优异力学性能,为陶瓷复合材料的仿生强韧化设计提供了天然蓝本。然而,受氧化铝陶瓷复合材料固有的物化性质所限,导致传统的陶瓷制备工艺手段难以生产加工出具有复杂跨尺度多级复合仿生结构的陶瓷复合材料。因此,利用仿生学理论设计研发强度与韧性可协同优化的氧化铝陶瓷复合材料并改进提升相关制备工艺,对推动其在高精尖技术领域的发展与应用具有重要的理论价值和科学意义。本研究基于仿生学理论,以雀尾螳螂虾锤状趾棒跨尺度多级复合Bouligand结构为仿生模本,建立了仿生Bouligand结构模型。以氧化铝陶瓷为基体,以片状氧化铝、莫来石短纤维为增强相,采用传统直写成型3D打印技术制备了单/多级仿生Bouligand结构的氧化铝陶瓷复合材料,并设计了耦合应力场辅助直写成型3D打印装置以提高氧化铝陶瓷复合材料的精细化程度。基于对亚毫米尺度的单级仿生Bouligand结构氧化铝陶瓷材料力学性能研究发现,氧化铝陶瓷固相含量越高,其密度越大,显微硬度、抗弯强度和断裂韧性越高,不同偏转角度的仿生Bouligand结构的裂纹扭转能力不同。其中15°偏转在三种偏转角度中提升试样的抗弯强度和断裂韧性最高。过大的偏转角度会降低其引导裂纹偏转的能力,使试样所能承受的极限载荷降低。基于添加微米级增强相的多级仿生Bouligand结构氧化铝陶瓷复合材料力学性能研究发现,微米级增强相的添加,能够有效的补强亚毫米尺度上因仿生Bouligand结构螺旋角过大导致的裂纹偏转能力不足等问题。片状氧化铝作为增强相时,主要通过增加穿晶断裂和晶粒拔出等方式消耗裂纹扩散能,从而提高多级仿生氧化铝陶瓷试样的韧性。但当片状氧化铝含量过高会导致片状晶粒的粒径变小,从而使仿生陶瓷复合材料试样的韧性不升反降。莫来石短纤维作为增强相时,增强纤维能够补强基体缺陷,并通过纤维断裂及纤维拔出等方式消耗裂纹扩散能,从而提高多级仿生氧化铝陶瓷试样的断裂韧性。基于传统直写成型3D打印技术,设计并搭建了耦合应力场辅助3D打印装置,实现了耦合应力场辅助3D打印制备多级梯度仿生Bouligand结构氧化铝陶瓷复合材料试样的制备。相关力学测试结果表明,耦合应力场辅助下制备的分别以片状氧化铝和莫来石短纤维为增强相的两种多级仿生氧化铝陶瓷试样的抗弯强度和韧性均得到了进一步提升。本研究结合直写成型陶瓷3D打印技术,基于上述原理试验,较为系统和全面地研究了固相含量、结构尺度、材料参数等对仿生氧化铝陶瓷复合材料力学性能的影响机制。并利用耦合应力场辅助直写成型3D打印技术提高了传统直写成型陶瓷3D打印制备工艺的精细化程度,进一步提高了多级仿生氧化铝陶瓷复合材料的力学性能。为研发新型仿生氧化铝陶瓷复合材料及其制备工艺提供了理论依据。