自然界的生物历经亿万年优胜劣汰演变,形成了具有优异性能的天然生物材料,其中贝壳珍珠层以其高强度和强韧性性质受到了研究者的广泛关注。研究表明,其优异的性能来源于珍珠层独特的结构形式:即碳酸钙片层与有机质交替排列的多级“砖—浆”结构,使得脆性碳酸钙具有70—180MPa的拉伸强度及高达1%的断裂应变,其强韧性还由于其复杂的矿物桥、多边形晶粒、纳米突起等与浆砌组合形成的精巧多级结构形式,这些因素的存在使得人们很难全面的解释其力学机理,但也极大的启发了人们对于高性能材料的设计与构造。基于此,本文对浙江渔场养殖的三角帆蚌的珍珠层进行了显微结构观察及力学行为研究,以探索珍珠层具体强韧机理,并以此为基础构建浆砌层合结构形式的板、壳元件,研究其细观结构对宏观力学性能的影响,为该材料在结构防护等领域的应用提供有益的探索和技术支持。研究的内容主要包括以下几个方面:1、珍珠层显微结构观察以及力学性能测试;利用扫描电子显微镜对三角帆蚌珍珠层微观结构进行观察,给出其细观结构形貌;利用纳米压入测试系统测试珍珠层不同方向的硬度、刚度、以及弹性模量,并分析加载深度、加载速率等因素对测试结果的影响;对珍珠层进行拉伸、压缩、三点弯曲实验,测试其抗拉压性能以及断裂性能,并分析水中浸泡对珍珠层性能的影响。实验结果表明:珍珠层材料呈各向异性且对应变率敏感,其弹性模量与硬度随应变率的增加而增加;但各个方向对应变率敏感程度不同,其厚度方向的性能对应变率更敏感;水的浸润会提高珍珠层的强度与韧性,且随着浸泡时间的增加而增加。2、构造珍珠层弹性模量的简化分析模型。依据珍珠层微观近似周期分布的结构形式,结合串并联思想构建简化的分析模型计算珍珠层不同方向的等效弹性模量。在此基础上,分析了浆体材料性能与尺寸对等效弹性模量的影响。结果表明:浆体的弹性模量对整个材料的弹性模量影响很大。随着浆体弹性模量的减小,浆砌结构的等效模量减小;当浆体弹性模量减小到低于砌体弹性模量的20%时,等效弹性模量减小的趋势急剧增加。因此在浆砌结构复合材料中,砌体中填充的浆体材料弹性模量应不小于砌体材料的20%,此时的整体结构依然能够保持良好的性能。3、构建浆砌结构有限元模型,研究其基本力学性能及板壳结构受冲击作用下的动力响应与抗侵彻能力。根据珍珠层微结构形式建立规则六边形与不规则随机多边形浆砌结构层状复合板与壳的模型,利用abaqus有限元软件对浆砌结构层状复合板、壳在子弹冲击作用下的结构响应进行了数值模拟。板的模拟结果表明:浆砌结构形式可有效提高复合板的韧性,相同载荷下陶瓷板呈圆台形破坏形式,而浆砌结构复合板呈圆柱形破坏形式,且挠度大,变形程度高;浆砌结构复合板的抗冲击性能优于单一材料的陶瓷板,在相同条件的子弹冲击作用下,浆砌结构形式构件的损伤程度小,开孔直径小,高速碎片少,子弹残余速度低等;其中,不规则浆砌结构复合构件的性能优于规则浆砌结构复合构件,且增加层内砌体体积分数,或减小层间砌体体积分数,能有效提高复合板的吸能特性。圆柱壳的模拟结果表明:与纯陶瓷圆柱壳相比,浆砌结构复合圆柱壳的刚度较低,其弹道极限速度较低,但陶瓷圆柱壳受到子弹冲击后全局多处发生严重失效,而浆砌结构复合圆柱壳只产生局部失效,结构完整性保持较好;其中,规则浆砌结构复合圆柱壳比不规则浆砌结构复合圆柱壳的抗冲击性能更好,主要体现在损伤程度小,子弹残余速度低,产生碎片少等。