随着发展中国家经济的高速发展，全球可再生资源减少且环境染污加重。因此，为了保持社会的可持续性发展，积极使用高性能天然复合材料是公认的有效对策之一。事实上，近数十年来，各国研究者在与天然复合材料相关的研究或工程应用方面均取得了显著的成果。在这一背景下，为了研发轻质绿色的新型环保的装配式建材，本研究在回顾本课题组长期从事的甲虫前翅轻质复合材料研究的基础上，通过对我国秸秆水泥基建筑材料的系统综述，发现了秸秆水泥基建筑建材（特别是砖墙体结构）与甲虫前翅仿生结构绝佳契合点。据此，首次提出了秸秆水泥基甲虫前翅仿生板模型（以下简称甲虫板）；并以秸秆水泥基建筑建材中的基本单元模型—秸秆仿生砖为例，试制了实物样品并通过实验和有限元分析考察了其力学及其传热性能；再以两种不同的新型轻质绿色预制建筑材料--秸秆墙体甲虫板为研究对象，并通过有限元解析考察了其力学和传热性能，在得到了其较优结构参数的同时，探明了力学性能及其传热效果的影响机制。本研究除了前言和结论之外，由如下第2至6这五章组成：
　　第2章：中国甲虫前翅结构仿生应用研究进展综述
　　本章通过对中国在甲虫前翅结构及其仿生应用研究方面文献全面系统的分析与归纳，从前翅微细结构的微细分阶出发，重点阐述了中国在甲虫前翅截面、前翅内表皮中纤维层叠方式、前翅中小柱的结构与抗剥、防撞力学性能，前翅三维结构、仿生模型及其仿生样品的力学性能等进展情况。其主要进展为：1）甲虫鞘翅的细观结构可分为六阶，前三阶分别以夹芯、层合和纤维层叠结构为特征；通过考察这三阶细观结构所引出的断裂行为，提出了不同尺度的细观结构独立地、或相邻尺度的细观结构耦合地决定某一宏观力学行为的概念。2）甲虫前翅具有以小柱为中空层的轻质变截面边框结构，由此可获得所需的抗弯模量和转动惯量；左右前翅联结为带有毛刺的凹凸结构，是一种联接强度高、精巧、高效的对接机构；独角仙前翅为非等角的叠层结构、具有异方性的拉伸强度。3）锹形虫和独角仙前翅的小柱分布粗密相差6倍，提出了带天然封边的、完全一体化的小柱芯夹层板的三维模型；4）小柱结构的存在可使叠层复合材料的抗剥离强度平均增加到3倍，并探明了其强化机理;优化的双层薄壁仿生结构具有吸能缓冲效果好等特征；5）开发了一体化蜂窝技术，试制了一体化短纤维增强复合材料蜂窝板，并力学实验初步证实一体化蜂窝板具有轻质高强、整体性好的特征。最后指出了本领域研究中今后20年内若干可能的研究方向。
　　第3章中国秸秆水泥基建筑材料的发展进行了研究。
　　本章综合论述了我国秸秆水泥基建筑材料的发展过程、存在的问题及未来的解决方案。秸秆在建筑和施工中的应用伴随着搅拌、缓慢硬化和抗压强度降低等困难。预处理改性可以提高复合材料的抗压强度和抗弯强度，但这些改性工艺往往会造成成本高、能耗高和环境污染等问题。另一方面，这部分研究触及了导致不可再生资源和环境问题枯竭的最大问题之一—建筑业，其产生了大量的矿物废物和有害的排放气体。因此，这些问题反映了进一步研究寻找基于可再生能源的新型复合天然建筑材料的必要性。根据评价结果，希望开发出秸秆无需处理、保温性能好、社会经济效益好、生态友好的利用方式。
　　通过对上述内容的总结，本章发现秸秆水泥基建筑材料（尤其是砖墙结构）与甲虫前翅在结构上具有绝佳的契合点。据此首次提出了秸秆水泥基甲虫板的概念和模型。
　　第4章：仿生秸秆芯全封闭水泥砖的概念及压缩传热性能
　　为开发生态环保、绿色环保的轻质建筑材料，本章设计了新型仿生秸秆夹芯混凝土空心砌块（SCHB），通过平压实验测定了SCHB和传统混凝土空心砌块（OCHB）的压缩强度；并通过有限元对比分析，考察了它们的压缩力学性能、传热性能。结果表明：1）B型抗压强度远大于4Mpa，从破坏模式也充分表明，仿生模型不易出现局部坍塌，主要是小裂缝，并表现为为剪切失效模式，因而具有较好的抗裂缝、抗坍塌和抗压性能。2）通过减少左右边缘厚度的三种模型D20，D15，D12，不仅均具有较好的抗压性能，同时还具有良好的保温隔热性能，为优选的仿生混凝土空心砌块模型。本节所述的SCHB是甲虫板的基本单元模型，与OCHB相比，它具有重量轻、空心率高、全封闭砖（块）体等优点。可作为一种新型轻质、节能、环保的非承重墙体材料，可替代OCHB在建筑和施工中应用。本章为研究研发新型仿生秸秆夹芯混凝土空心砌块及其仿生秸秆夹芯混凝土墙体奠定了基础。
　　第5章:仿生秸秆夹芯混凝土甲虫板结构参数变化对其力学性能和保温性能的影响
　　通过研究结构参数变化对秸秆夹芯混凝土甲虫板（SCBEPS）力学性能和保温性能的影响，建立了一种新型的环保型预制建筑材料，即构成核心层结构的小柱夹芯板。此外，根据ABAQUS的分析结果，对结构参数进行了初步优化。结果表明，SCBEP的承载力主要受变形控制，变形影响最大的因素是板厚t和小柱半径r，板厚的变化对保温性能的影响比其面积小，混凝土的小柱和边缘具有较大的变形。混凝土小梁和边缘具有热桥效应，需要进一步改进。根据结构参数的个别变化和SCBEP的实际加工应用要求，确定了具有优化力学性能和保温性能的仿生秸秆夹芯混凝土甲虫板模型。与加气混凝土墙板相比，SCBEP具有更高的刚度、更致密的表面和更好的耐久性，与稻草混凝土墙板相比，具有更高的秸秆含量和更好的保温性能。因此，它为开发新型轻质墙板提供了一条新的途径。
　　第6章:基于机械保温的垂直柱甲板结构参数优化
　　提出了一种新型的垂直式柱-蜂窝芯层甲虫前翅仿生预制墙板（以下简称垂直柱甲虫板）。利用ABAQUS软件，分析了垂直柱甲虫板的力学性能、热性能、单体结构参数变化对其性能的影响，并对其结构参数进行了初步优化。结果表明，混凝土框架厚度t对垂直柱甲虫板的受力状态影响最大，混凝土框架厚度t和小柱数n对弯曲变形影响最大。除小柱半径R外，结构参数对垂直柱甲虫板的热性能影响较大。优化后的垂直柱甲虫板力学性能满足冬暖夏热地区第十二台风作用下承载能力和正常使用的要求，其保温性能满足自保温墙体的要求。与SCBEP相比，垂直柱甲虫板的承载力和刚度较大。垂直柱甲虫板具有较高的极限承载力，可作为一种新型的轻质环保预制建筑材料。
　　研究的贡献和创新：
　　本研究的贡献和创新，可以概括如下5点）：
　　1）对1994-2015年约20年中国甲虫前翅结构及其仿生，特别是前翅三维结构、力学性能及其仿生应用研究作了较为全面和系统的综述，并指出了今后20年的发展方向。不仅为本研究项目奠定了坚实的研究基础，而且也为国内外相关读者了解中国这一领域的研究进展提供了极大的方便。特别是对今后方向展望，为国内外同行在这一领域展开深化研究指明了方向。
　　2）通过对秸秆处理方法的综述，明确了对秸秆采用化学等方法处理时，有着工序多、成本高和污染环境等缺点。结合我国水泥基秸秆的总结，发现了秸秆水泥基建筑建材（特别是砖墙体结构）与甲虫前翅仿生结构绝佳契合点，首次提出了秸秆水泥基甲虫板的概念与模型。
　　3）首次提出了仿生稻草芯全封闭水泥砖的概念，并实测了其抗压性能和传热性能。为建筑行业提供了一种生态友好型的仿生秸秆混凝土空心砌块（SCHB），有助于减少能源消耗和农业废物燃烧产生的气体排放。采用机械式秸秆加工，制备简单，制备成本低，混合过程简单，对水泥基料的硬化速度无影响。
　　4）通过对秸秆夹层混凝土甲虫板（SCBEPS）墙横向柱的机械保温性能的研究，结果表明甲虫板的承载力主要受变形（最大弯曲）控制，而影响它的主要因素是板坯厚度t和小柱R的半径，以及小柱和边缘密封的热桥效应。基于单一结构参数，根据实际加工和应用要求确定了具有更好机械和热性能的甲虫板的性能。
　　5）基于甲虫板的结构，首次提出了一种新的仿生预制墙板（带立柱和蜂窝墙）。分析了混凝土框架和蜂窝墙厚度（T和t），柱数（N）及其直径（R）对垂直柱甲虫板性能的影响。混凝土框架和蜂窝墙的力学性能受T和N的影响最大，而热性能也受T，N和T的影响很大。优化的立柱甲虫板的机械性能满足台风12下的承载能力和正常使用要求，以及冬暖夏热地区的自保温墙。