利用仿生原理设计新材料和工程的结构是近年来研究的热点。南海丰富的海洋生物资源为结构仿生提供了无尽的素材。海胆可以生活在重浪的潮间带至几千米的海床,其壳体已经进化出优异的力学性能来承受静水压和浪冲击力。海胆壳作为一个轻质多孔的多板块组合壳,其独特的结构与其力学行为之间的关系对新型材料和工程的设计可能具有重大指导意义。本文以南海海域常见的紫海胆为主要研究对象,从无机骨骼分级结构角度将海胆壳从宏观到微观分为六级:整壳、步带、壳板、多孔体(stereom)、孔棱和晶片。采用数码相机、偏光显微镜、扫描电镜等表征仪器,以及图像分析和数学软件,将海胆壳各级结构几何特征数字化,为海胆壳结构模型的构建奠定基础。结合有限元法和仿生模拟实验对海胆壳结构及其力学行为的关系进行深度剖析。主要研究工作和结论如下:(1)通过逐步去除有机质的方法分析表皮-壳板、孔间有机质-stereom、骨内有机质IOM(Intrastereomic Organic Matrix)-晶片这三种不同尺度的有机-无机复合结构对壳板力学性能的影响。结果表明IOM在300℃热解后,壳板弯曲性能降低了 55%,而另外两种有机质结构的破坏对壳板弯曲强度影响不大。通过有限元计算IOM-晶片的组装体(孔棱)的最佳长径比和曲率,结果发现计算结果与海胆壳内表面孔棱的测量统计结果基本一致。棱壁曲率半径:棱长:棱径=2:2:1。(2)通过显微结构观察发现,由孔棱构成的stereom从壳外到壳内呈现GSR(Growth layer,Support layer,and Resorption layer)三层分布。将多孔三层结构转化为弹性模量三层分布模型后,采用力学模拟实验分析海胆壳在静水压、咬合力以及自重作用下的破坏行为,并采用有限元法研究GSR结构与其它层序结构的对海胆壳力学行为的影响。结果表明GSR结构海胆壳具有模型中最佳的综合力学行为来抵抗环境破坏力。(3)通过显微结构观察发现,由stereom构成的壳板间以及由壳板构成的步带间发现大量的矿物桥。通过力学实验和有限元法对海胆壳矿物桥的力学作用进行分析,结果表明矿物桥可以强化壳板的连接,且连接强度随矿物桥分布密度的增加呈幂函数提高。通过析晶控制法在氧化铝陶瓷的晶界中仿生制备出矿物桥,陶瓷的强度和韧性分别提高了 33.97%和33.52%。(4)通过有限元法和模拟实验研究管足孔位置对海胆壳力学行为的影响。结果表明海胆壳上部分位置管足孔的存在反而可以提高壳体在静水压和/或单向咬合力作用下的力学行为。本文不但为海胆壳结构仿生的材料和工程设计提供了理论依据,也为其他生物壳的结构分析提供了新的方法和思路。