传统的人造材料很难同时实现高强度和高韧性，这一点极大限制了它们的工程应用。相比之下，天然生物可以在相对温和的环境中，用最简单的原材料组装成精巧复杂的结构，这些结构经过亿万年的进化往往是层状分级的、多功能的并具有优异的力学性能。其中，作为天然生物陶瓷的贝壳就拥有远远超过其单一组成成分的优异力学性能，可同时实现高强度与高韧性，其奥秘在于它的层状分级结构。因此，研究天然生物陶瓷的结构、力学性能，尤其是结构-力学性能关系对高性能人造材料的结构设计具有重要的理论和实际意义。本文以贝壳的珍珠层结构和交叉叠片结构为研究对象，设计了一系列结构表征和力学实验，并研究了其结构-力学性能之间的关系，以期为高性能人造材料的结构设计提供理论指导。　　通过对珍珠层结构和交叉叠片结构的表征发现，珍珠层结构是一种二维各向异性结构，并在天然生物陶瓷中具有平的层状和球形层状两种几何排列方式。交叉叠片结构属于三维各向异性结构，包含三级次序层:一级次序层单元由一组平行的文石片层构成，且相邻一级次序单元中的片层取向相反。二级次序单元为文石片层，相邻的片层之间具有小角度取向差，一般小于20°。三级次序单元是组成文石片层的小圆柱，小圆柱片层与表面约呈90°角，且具有大量纳米孪晶。每个次序层上都存在本征的结构缺陷，如各级次序层单元的尺寸变化范围广，形状不规则;相邻次序单元之间呈变化的角度或取相差;甚至在原子水平上，这些缺陷类似于人造材料中的缺陷，可能给材料的力学性能带来积极的贡献而并非总是有害的。　　通过对不同几何排列珍珠层的结构和力学性能的对比研究发现，珍珠层和珍珠由相同的构筑单元组成，但却具有不同的几何排列，珍珠层为平的片层结构，珍珠为球形层状结构，以致它们的力学行为明显不同。与地质文石相比，天然生物陶瓷虽然硬度略有降低，但却拥有更高的韧性。宏观硬度实验结果表明，珍珠层和珍珠的压痕韧性相差不大，但珍珠层的破坏远比珍珠严重。天然生物陶瓷的压缩强度和强度稳定性远高于地质文石，珍珠层和珍珠之间没有显著差异。珍珠层的压缩断裂通过宏观劈裂实现，具有裂纹偏转和片层拔出等增韧机制。而珍珠宏观上通过劈裂和层离断裂，除了珍珠层中发现的增韧机制外，还可以通过劈裂和层离裂纹之间的相互作用以及塑性变形等方式增韧。有限元模拟结果证明珍珠的压缩断裂行为与其内部的应力状态密切相关。　　通过对珍珠层结构各向异性力学行为的研究发现，硬度实验中，珍珠层的硬度值和压痕韧性受片层取向影响不大，但受水合状态影响较大，干样品的硬度值高于湿样品，而压痕韧性却低于湿样品。0°取向的压痕属于挤出-开裂型形貌;75°、90°取向的属于塌陷型形貌;15°、30°、45°、60°取向的则兼具以上两种形貌特征，属于过渡型形貌，一般干样品的压痕形貌较湿样品破坏严重。压缩载荷下，取向和水合状态对压缩强度均有影响，取向的影响特别大。干样品的压缩强度高于湿样品，干、湿样品的压缩强度随着取向角从0°到90°增加先降低后增加。珍珠层的压缩正应力对剪切断裂应力影响较大，可以用莫尔-库仑准则对压缩强度进行很好的预测。通过预测得到干、湿珍珠层的纯剪切强度分别是72.9 MPa和64.8 MPa。0°取向时，干样品通过宏观劈裂实现断裂，微观上为穿片层断裂，水合状态下沿片层断裂方式明显增加。其他取向下，珍珠层均是沿片层取向面剪切断裂，通过沿片层方式断裂。　　通过对交叉叠片结构各向异性力学行为的研究发现，交叉叠片结构的力学性能和断裂机制与结构密切相关，同时，样品取向、水合状态和加载条件等因素的影响也很明显。弯曲载荷下，交叉叠片结构断裂强度、宏观断裂角度受取向影响较明显，受水合状态影响不大。断裂过程中，主裂纹通过穿片层、沿片层和沿一级次序层界面的方式扩展，具体开裂模式由取向和水合状态决定。在水合条件下，沿一级次序层界面开裂的模式明显增强。压缩载荷下，湿的交叉叠片结构在厚度方向上力学性能最佳。该加载条件下，取向和水合状态对断裂模式的影响不大，都是宏观上劈裂和微观上三种开裂模式混合。断裂过程中伴随着裂纹偏转、裂纹扭折等多种增韧机制。最后，通过不同开裂模式之间的竞争解释了交叉叠片结构的力学行为和断裂机制。