纤维金属层板(Fiber Metal Laminates,FMLs)是一种由纤维增强复合材料(FRPs)与金属薄板交替铺设而成的超混杂复合材料。FMLs集合了金属薄板与复合材料独特的优势，具有高的比强度、比刚度、优良的耐疲劳及抗冲击特性，其作为新型结构材料在航空航天、汽车等领域具有广泛的应用前景。然而FMLs是由异种材料复合而成，材料物理性能的差异容易导致复合材料与金属界面产生残余应力，进而降低层间断裂韧性，影响纤维金属层板整体力学性能。为此，本文开发出界面插层与金属表面处理协同增韧方法，用以改善超混杂复合材料层间断裂韧性，并采用实验与有限元模拟相结合的方法对层间增韧机理进行系统研究，为其它新型FMLs的开发及应用提供技术和理论基础。
　　本文以玻璃纤维增强复合材料(GFRP)/铝合金超混杂层板作为研究对象。首先采用氢氧化钠对金属铝合金进行碱刻蚀，然后在复合材料/铝合金界面插层氧化石墨烯改性的环氧树脂，最后通过热压工艺成功制备出层间改性的纤维金属层板。基于双悬臂梁实验和端部缺口弯曲实验系统研究了界面插层与金属表面处理协同作用对层板断裂韧性的影响。实验结果表明，采用协同增韧方法可以极大地提升纤维金属层板层间力学性能，且层间增韧效率与金属表面理化性质和氧化石墨烯均有关系。进一步对比发现碱刻蚀/界面插层氧化石墨烯(含量为0.5wt.%)的试件的性能最佳，其Ⅰ型和Ⅱ型层间断裂韧性相比于原始试件分别提升了510%和381%。
　　借助电子显微镜等仪器对铝合金表面理化性质及试件的断裂面进行表征，揭示层间增韧机理。结果发现，碱刻蚀后的铝合金表面粗糙度有所提高，这在一定程度上可以有效提升铝合金与树脂基体的机械连锁作用；另外由于碱刻蚀的作用，铝板表面羟基增多，表面能有所改变，这有利于改善金属表面的润湿性，从而提升树脂基体与铝合金的结合强度。通过对断裂面进行观测，发现不同类型试件的失效特征有所不同。对于协同增韧的试样，其Ⅰ型加载层间破坏模式为内聚失效，Ⅱ型加载层间破坏模式为混合失效；而对于未进行表面处理的试件，其Ⅰ型和Ⅱ型破坏模式均为界面失效。此外，氧化石墨烯的引入会使得断裂面变得更加粗糙和不规则，这有利于增加内聚区能量的耗散，进而改善超混杂复合材料的层间断裂韧性。
　　基于内聚力模型对超混杂复合材料Ⅰ型和Ⅱ型分层扩展行为进行有限元模拟，仿真结果与实验得到的力-位移曲线吻合程度较好，验证了内聚力模型的有效性。基于反演法，通过匹配初始刚度及层间断裂韧性，预测得到复合材料/铝合金界面强度，进一步从模拟层面验证了层间力学性能改进的效果。