中空微纳米结构材料因其独特的性能、功能及广泛潜在的应用引起了科研界的关注。近年来中空微纳米结构材料在合成、几何操纵及其应用等方面取得了巨大进展，但是对其在商业应用中所需具备的力学性能研究较少。以往研究通过实验证明微纳米尺度下的单壳层空心结构可以承受一定的压缩力，但未对中空多壳层结构进行力学性能的研究。中空多壳层中存在着的有序多级壳层结构能够对应力起到很好的缓冲作用，因此在微纳米尺度下的空心结构材料体系中，中空多壳层结构会具有更强的力学性能优势，所以对其力学性能的研究显得尤为重要。高分子材料中加入优良力学性能的微纳米粒子是提高其韧性和强度一种行之有效的方法。环氧树脂作为一种优良的热固性树脂，具有良好的性能和卓越的实用价值而被广泛地应用于国防、电气、化工等领域中。但是环氧树脂的固化物脆性大、抗冲击强度低，在受到应力时，其裂纹扩展方式属于典型的脆性扩展，从而限制了环氧树脂的进一步应用，难以满足日益发展的工程技术的要求。中空多壳层微球作为复合材料的填充体，具有低密度，表/界面应力效应面积大的优势，且自身具有更高的强度与刚度，能够使环氧树脂复合材料表现出更好的力学性能，有望解决环氧树脂复合材料抗冲击强度低的问题，以更好地满足实际的生产与应用。本文的主要研究内容和实验结果如下：（1）利用次序模板法，并以碱化处理过的碳质微球做模板，通过调控前驱体溶液的吸附温度、吸附时间以及煅烧程序等制备出不同壳层数目的单、双、三壳层TiO2空心球。（2）通过原子力显微镜对中空多壳层TiO2的杨氏模量测定，其杨氏模量约为25.44 GPa，并采用透射电镜对单个中空多壳层TiO2进行原位力学性能研究，从微观尺度上证实随着壳层数目的增加，中空多壳层TiO2的力学性能不断提高，其中三壳层TiO2空心球的力学性能最佳，其破碎时的有效强度可以达到1.63 GPa，有效刚度为9.76 GPa且有效应变可以达到16.7%，展现出中空多壳层TiO2具有优异的力学性能。（3）通过悬臂梁摆锤冲击实验对中空多壳层TiO2/环氧树脂复合材料进行冲击强度测试。结果表明加入中空多壳层TiO2后，其环氧树脂复合材料的冲击强度有显著的提升，均高于纯环氧树脂材料的冲击强度6.80 kJ/m2，证实了中空多壳层TiO2的引入提高了环氧树脂复合材料的韧性。然后研究了中空多壳层TiO2的壳层数及不同改性剂的使用对其复合材料力学性能的影响，结果表明随着中空多壳层TiO2壳层数的增加，中空多壳层TiO2/环氧树脂复合材料的冲击强度也随之提高。同时经偶联剂改性的中空多壳层TiO2/环氧树脂复合材料的冲击强度比未改性中空多壳层TiO2/环氧树脂复合材料的冲击强度高。在该体系中，经硅烷偶联剂KH560改性后的复合材料冲击强度比钛酸酯偶联剂NDZ-201改性后复合材料的冲击强度高，表明硅烷偶联剂KH560具有更好的改性效果。当三壳层TiO2中空球以质量分数2%的填料比且经过硅烷偶联剂KH560修饰后填入, 其复合材料的冲击强度可以达到35.81 kJ/m2，相较于纯环氧树脂冲击强度提升了426.6%。