自然界的动、植物等生物体大多是软材料组成的,而水凝胶则是其中一种重要的、具有特殊结构的软材料,这种软材料是由充满水的三维高分子网络组成的。由于具有与生物组织的相似性、典型的响应性和溶胀性等一系列的特殊性质,水凝胶在药物传递系统、组织工程、电子传感和效应器件设计等诸多领域得到了广泛的应用。然而,传统水凝胶的力学特性较差,这使得水凝胶的应用被限制于那些对水凝胶的力学特性要求不高的地方,如药物传递系统,吸水材料等。虽然水凝胶和生物体组织和器官具有很大的相似性,然而填补合成的水凝胶和天然生物组织的水凝胶之间性能上的差距和并扩展水凝胶在生物体承载系统上的应用范围,仍然是一个很关键的课题。因此,研究水凝胶的力学行为对于扩展水凝胶的应用具有重要的意义。本文基于热力学框架、连续介质力学理论以及高分子理论,我们首先制备了高力学强度和韧性的海藻酸钙/聚丙烯酰胺双网络水凝胶,以及与其相对应的单网络的藻酸钙离子交联水凝胶和聚丙烯酰胺共价交联的水凝胶。然后,研究了水凝胶在低温条件-6℃到-45℃范围内的一些特性,研究结果表明,与传统水凝胶相比,海藻酸钙/聚丙烯酰胺双网络水凝胶在常温情况下表现出较好的力学特性。当温度降低到-6℃到-10℃,水凝胶开始变白,此时水凝胶的模量发生了显著的上升变化。但水凝胶整体上的力学行为和常温下较为相近。当温度降到-25℃时,水凝胶开始变得非常坚硬和展现出良好的塑性。当温度降到-50℃时候,屈服现象开始消失,代替的是水凝胶变得脆性。这些研究结果表明,即使往冰中掺入少量的高分子网络,却能让冰从脆性转化为韧性。基于水凝胶这种低温力学行为,水凝胶的应用领域将被扩展。另外一方面,基于模仿软骨的结构,制备了纤维增强水凝胶基复合材料,研究了沿垂直于纤维方向拉伸时复合材料薄膜的力学行为,建立了理论分析模型,得到了纤维增强型PAAm水凝胶中纤维的屈曲临界伸长比。含水量高达90wt%在低温条件下展现出的高强度,高延展性,以及能承受较高的压力载荷和各种弯曲、扭转、打结等大变形的特性,将会扩展水凝胶材料在低温领域的应用价值。另外,纤维增强水凝胶基复合材料的屈曲力学行为研究,对于软骨替代材料的设计和损伤预判起到了一定理论支撑和借鉴意义。