本文以天然蜂窝和不同尺度的人工管束材料为研究对象，通过实验、理论和计算模拟等方法，研究了这些多孔材料的刚度、强度、结构稳定性及仿生优化设计。具体完成的工作如下：　　 (1)研究了天然蜂窝的多级结构以及组成物质的力学性能。通过光学显微镜、环境扫描电镜和扫描探针成像等技术揭示了天然蜂窝从宏观到纳观的结构，并通过纳米压痕、微米压痕、宏观拉伸和剪切等实验方法测量了蜂蜡、蜜蜂丝、蜂窝孔壁和蜂窝整体结构的力学性能。实验发现天然蜂窝孔壁具有类似于现代纤维增强复合材料的层状结构，且刚度和强度随使用时间逐渐增加。分析表明，增刚、增强天然蜂窝的性能可避免蜂窝因温度升高而导致的破坏。　　 (2)开展了天然蜂窝的理论分析及仿生设计的研究。求出了不同温度下天然蜂窝平面应变体积模量、等效剪切模量、等效热膨胀系数等特性，同时，基于对天然蜂窝微观结构和力学性能的认识，提出了具有表面复合材料涂层的新型多孔材料仿生设计。之前人工蜂窝材料只仿造了天然蜂窝的宏观结构，还没有实现对于天然蜂窝微观结构的仿生。天然蜂窝作为这种新型人工仿生多孔材料的原型，实现了多孔材料的刚度、强度和热稳定性的提高。　　 (3)研究了蚕丝和蜜蜂丝的多级结构和力学性能。通过环境扫描电镜和扫描探针成像两种方法揭示了蚕丝和蜜蜂丝的微观结构，并通过单轴拉伸和纳米压痕等实验测量了天然丝的拉伸弹性模量、破坏强度、破坏应变、压入模量、各向异性比、存储模量等力学性能。蜜蜂丝由丝胶包裹具有圆形截面的单根丝束组成，同时具有比蚕丝更精细更平滑的微观结构。受到拉伸作用的蜜蜂丝表现出线性的脆性断裂特性，而蚕丝具有非线性的多级断裂特征。纳米压痕实验结果表明，与蚕丝相比，蜜蜂丝具有更小的各向异性比。　　 (4)研究了宏观尺度的塑料管束和纳米尺度的单壁碳纳米管束在不同载荷作用下的斑图演化方式及机制。塑料管束通过加热板加热后由原来的圆形截面变成了由圆角六边形孔组成的蜂窝结构，而通过加热炉加热后则形成了类似六角星的斑图。与塑料管束类似，单壁碳纳米管束的横截面在逐渐施加的压缩应变作用下将依次呈现出圆形、圆角六边形、圆角四边形、跑道形等斑图，而当压缩应变突然施加到管束时，管束横截面则形成了类似六角星的斑图。在碳纳米管束受到膨胀作用时，碳纳米管的横截面可以出现三次明显的斑图演化，即从Ⅰ型圆角六边形转变成圆形，进一步转变成Ⅱ型圆角六边形，直到分离成独立的碳纳米管。其中Ⅱ型圆角六边形斑图是管束材料在纳米尺度特有的斑图。管束材料的斑图演化机制包括薄壁圆管失稳机制、管束最小表面能机制、管束最小范德华能机制以及弹性能与表面能或范德华能共同竞争机制等。最后，基于以上的研究，给出了关于天然蜂窝六边形结构形成机理的一种解释。