与传统的人造材料相比,天然生物材料经过亿万年的自然选择,用最简单的原材料组装成复杂而巧妙的多层次、具备优异综合性能的结构,从而达到对生存环境的最佳适应。天然生物陶瓷材料,例如骨骼、牙齿和贝壳等,不仅具有较高的强度,还有较低的模量和较好的韧性,是人工合成材料无法比拟的。因此,对天然生物陶瓷材料的结构及其相关力学性能的研究,对合成高性能的人造材料具有重要的参考价值。本论文以贝壳中的交叉叠片结构和珍珠质结构为研究对象,设计了一系列的实验,对它们的结构和力学性能进行了系统的研究,以期进一步完善人们对这两种结构的认识,为高性能人造材料的设计和制备提供有益的参考。通过对不同贝壳（如魁蚶、红皱岩螺以及舞袖涡螺贝壳）中交叉叠片结构的表征发现,该结构在不同尺度上均呈现层级的交叉排列。例如,魁蚶、红皱岩螺以及舞袖涡螺贝壳中分别拥有单层、双层和三层交叉叠片结构。单层交叉叠片结构可以进一步分为三个次序层:第一次序层为片状的,相邻的次序层的排列方向相互垂直;第一次序层由平行的板条状的第二次序层组成,而第二次序层由平行的第三次序层的纤维组成,在相邻的第一次序层中,第二次序层是相互垂直的。在拥有两层及以上交叉叠片结构的贝壳中,不同层中交叉叠片结构的排列方向是相互垂直的:双层交叉叠片结构呈0°/90°排列模式;三层交叉叠片结构通常呈现0°/90°/0°的三明治排列模型,而在舞袖涡螺贝壳中,我们发现了一种新的三层排列模式,即15°/75°/0°的类三明治排列模式。交叉叠片结构的主要成分为文石碳酸钙,其晶体的排列具有很强的取向性,不同层的不同位置的晶体取向只有微小的旋转。通过对以上三种排列模式的交叉叠片结构的力学实验测试发现,该结构的力学性能表现出明显的各向异性,而且受到样品取向、加载方向、有机质、宏观层数目以及样品形状等因素的影响。对魁蚶贝壳中的单层交叉叠片结构进行三点弯曲实验发现,交叉叠片结构不同次序层的界面为弱界面,低载荷下便容易发生开裂,而文石纤维能够承受较大的载荷,因此,根据加载方向的不同,宏观层可以分为“强层”和“弱层”,而第一次序层可以分为“强次序层”和“弱次序层”;对红皱岩螺贝壳中的双层交叉叠片结构进行压缩实验发现,相邻宏观层中不同次序层界面之间的角度关系对力学性能有显著影响,尤其是呈等腰关系时,样品的弯曲性能最差;对舞袖涡螺贝壳中的类三明治型交叉叠片结构的力学测试表明:当加载方向平行于外表面时,样品的压缩强度和弯曲强度均是最高的;宏观层的数目越多,力学性能越好;拱桥状的形状可以显著增加样品抵抗破坏的抗力;有机质对贝壳材料性能的影响显著,当有机质失活后,材料的压缩强度降低了～60%。利用分步压缩和三点弯曲实验对类三明治型交叉叠片结构损伤演化的研究发现,该结构的各向异性决定了其断裂机制的多样性。在分步压缩实验中主要有几种增韧机制:低载荷“强层”的微裂纹、“弱层”中的通道裂纹、“弱层”界面处的裂纹偏转、以及“强层”中的台阶式裂纹扩展。随着载荷的增加,这些机制依次产生。在分步三点弯曲试验中,类三明治结构中内层和中层中结构基元的旋转,造成“强层”内表面裂纹的产生,它们改变了裂纹尖端的应力场,使裂纹倾向于沿宏观层的边缘扩展,而宏观层的界面能够有效地阻止裂纹的扩展,从而提高材料的断裂韧性。通过对白蝶贝贝壳中珍珠质结构的表征发现,该贝壳中除了存在标准型和不规则型砖墙结构外,还发现了一种新的珍珠质结构,即凸透镜型砖墙结构。该结构主要存在于贝壳的边缘部位,该结构能够有效地将变形局域化,并能够通过板片的旋转以及变形来承受很大的弯曲变形。边缘部位的整体结构呈现出高度的多层结构,从外到内依次由标准型-不规则型-光辉层-凸透镜型砖墙结构-细长凸透镜型砖墙结构构成。通过对白蝶贝贝壳边缘部位的钻孔观察发现,边缘部位的多层结构能够有效地抵抗捕食者的钻孔行为。通过对白蝶贝贝壳中珍珠质结构的三点弯曲疲劳性能研究发现,白蝶贝贝壳能够有效地抵抗来自外界天敌的反复攻击。当样品在最大循环应力小于平均静态弯曲强度的60%时,疲劳寿命能够达到106周次以上,甚至当大于平均静态弯曲强度的90%时,仍能够承受500-1000周次的加载。对比不同区域的疲劳寿命发现:边缘部位多层结构的疲劳性能最好。