自然生物结构材料尽管由脆弱的无机矿物和柔软的高分子构成,但凭借着其精致的多尺度分级结构和界面设计,往往可展现远超出自身组分几个数量级的优异性能。这种在温和的条件下由受限的材料组分实现的多级有序结构和性能放大化,使自然结构材料日渐成为材料学家追求的模型。研究者解析自然材料的多级次构造及构效关系,提取仿生设计原理,利用丰富的合成组装单元,发展仿生策略,期望设计出超越现有工程材料的新型仿生结构材料。尽管已取得系列进展,但构筑真正面向实际应用的宏观三维仿生结构块材并同时实现对其微纳结构和界面的精准设计与调控仍然具有挑战性,实现高性能仿生结构材料的应用推广仍面临着许多关键科学问题和技术问题。深入发展温和、高效和可控的仿生多级有序组装和界面设计策略将有助于推进仿生结构材料的实用化步伐。本论文着眼于这一点,以多种高性能自然生物结构材料为指引,首先分析了巨骨舌鱼鳞片、螳螂虾锤头、骨骼和贝壳珍珠母等生物结构材料的基本构筑单元、多级次有序结构及其与其优异性能的关系,进而从仿生组装单元和仿生设计策略两方面综述了近年来仿生结构材料的进展情况。针对现有的局限和问题,进一步探索开发了多种温和、高效和普适的仿生组装和界面设计策略,对不同维度的微纳结构单元进行了宏观尺度下的仿生组装设计与精细调控,最终实现了几种高性能仿生结构材料的宏量可控构筑与制备。所取得的主要研究成果总结如下:1.受天然巨骨舌鱼鳞片等的微纳纤维螺旋胶合板结构和强韧化机制的启发,发展了一种刷涂与螺旋层积相结合的普适性仿生组装策略,实现了在宏观尺度上灵活操控一维微纳米纤维的空间取向,以羟基磷灰石微纤维为组装基元并结合海藻酸钠,成功将自然材料的多级胶合板结构和强韧化机制复制至人工合成材料体系,并首次构筑了具有高损伤容忍能力的宏观体相仿生盔甲防护结构材料。2.受天然贝壳珍珠母的“砖-泥”层状结构和强韧化机制的启发,发明了一种宏量制备基于二维微纳米薄片仿生组装单元的高性能、大尺寸且结构精细的人工珍珠母块材的方法。该仿生策略具有温和、灵活、高效、可放大和普适等优势,为设计制备面向实际应用的先进仿生结构材料块体奠定了方法学基础。3.受天然贝壳珍珠母的多级次界面结构和优越性能的启发,提出了一种多尺度聚合物基软硬双网络界面设计的概念,在温和高效的仿生组装过程中运用之可操控超薄纳米片结构单元的界面微环境,进而精确调控所组装构筑的宏观三维仿生纳米复合材料的综合性能。多级界面优化后的仿生复合材料展现了卓越的界面增强效率、机械性能、抵抗湿气塑化能力和热稳定性。所提出的仿生软硬界面设计策略条件温和而且方法普适,为今后构筑更多高性能仿生结构材料提供了新途径。