天然贝壳材料具有独特的“软硬”交织结构,从而表现出高强韧的力学性能,引起了人们的关注。目前对贝壳的微观结构仿生主要以仿珍珠层为主,忽视了棱柱层加珍珠层整体的效果。本文主要进行贝壳珍珠层与棱柱层加珍珠层整体结构的仿生研究。本文以三角帆蚌贝壳为研究对象,对贝壳珍珠层与棱柱层加珍珠层的微观结构与力学性能分别进行研究,探讨贝壳棱柱层加珍珠层整体结构与力学性能的关系。贝壳实验结果表明,棱柱层表面各多边形边长大小不一且随机分布,表面边长为1.8μm-15.3μm,厚度为37μm-595.3μm,占棱柱层加珍珠层总厚度的1%-35%,珍珠层文石晶片表面边长为1.4μm-6.5μm,厚度为360 nm-975 nm。三角帆蚌珍珠层的平均抗拉强度与平均拉伸弹性模量为32.4 MPa和3 GPa,棱柱层加珍珠层的平均抗拉强度与平均拉伸弹性模量为28.9 MPa和2.7 GPa。三角帆蚌珍珠层的平均抗弯强度与平均弯曲弹性模量为166.1MPa和36.2 GPa,棱柱层加珍珠层的平均抗弯强度与平均弯曲弹性模量为182.7 MPa和35.8 GPa,棱柱层加珍珠层比珍珠层抗弯强度高约10%,失效应变率高约12.2%。在平行于贝壳方向受力时,文石晶片的增韧机制起主要作用,珍珠层性能较优于棱柱层加珍珠层整体性能;在垂直于贝壳方向受力时,棱柱层起承力作用,珍珠层变形吸能,这一新的增韧机制提高了棱柱层加珍珠层整体的性能。纳米压痕实验中在压入深度为2000nm时,棱柱层较珍珠层的平均压入载荷、硬度、弹性模量分别高37%,52.4%,31.4%。基于贝壳的研究,提炼贝壳结构特征并根据典型比例特征设计仿生贝壳珍珠层与棱柱层加珍珠层初级结构,使用TIG电弧增材制造技术制备仿生贝壳比例特征结构件,并对不同仿生贝壳比例特征结构件进行显微组织与力学性能研究。主要结果显示,应变率为1700/S的霍普金森杆实验与三点弯曲实验分别测得的仿珍珠层初级结构件的平均屈服强度与平均抗弯强度居于纯不锈钢与纯高强钢之间但都低于仿棱柱层加珍珠层比例特征结构件。仿棱柱层加珍珠层比例特征结构件的强度随着棱柱层占比的增加呈现上升的趋势,棱柱层占比40%的仿棱柱层加珍珠层比例特征结构件的屈服强度与抗弯强度均达到了纯高强钢的强度水平。仿生贝壳比例特征结构件的平均冲击韧性均介于纯不锈钢与纯高强钢之间,仿珍珠层初级结构件的冲击韧性优于仿棱柱层加珍珠层比例特征结构件。仿棱柱层加珍珠层比例特征结构件中随着棱柱层占比的增加冲击韧性逐渐下降。棱柱层占比40%的仿棱柱层加珍珠层的比例特征结构件,强度达到了纯高强钢的水平,冲击韧性较纯高强钢提高了15.9%。