骨骼、贝壳和牙齿等天然生物矿化材料所表现出的杰出的力学性能,是传统人工合成材料无法比拟的。虽然它们的基本组成单元很平常,但是其具有适应环境需要的复杂组装结构和与之相对应的宏观性能。贝壳作为天然生物材料的一种,由于其独特的结构及优异的力学性能而受到材料研究和设计者的广泛关注。本文以天然生物材料加州扁鸟蛤贝壳为研究对象,利用金相显微镜、扫描电镜、压痕硬度计等分析、测试技术对该贝壳的微观组织结构、晶体成份、维氏显微硬度、杨氏模量、压痕韧性以及微观结构与压痕韧性的定量关系进行了分析探讨,为研究这种天然生物材料的结构及力学行为提供可供参考的基础数据。加州扁鸟蛤贝壳可以分为三个不同的部位：头部、躯干和边缘部位。通过对不同部位的纵切面的微观组织观察发现,加州扁鸟蛤贝壳是一种具有层级结构的材料,层级结构分布于整个贝壳。在头部,所有的区域都是交错片层结构,从内部到外部,交错片层结构不同序层的尺寸、文石板片之间的夹角等都有明显的变化；在躯干部位,贝壳分为明显的三层结构,内层是交错片层结构、中层是复杂的交错片层结构,而外层则是棱柱状结构；在边缘部位,从内部到外部,文石板片的排列除了越来越疏松外,片层的方向也发生了明显的偏折。加州扁鸟蛤贝壳的微观结构表现出明显的各向异性特征。通过对加州扁鸟蛤贝壳不同部位的X射线衍射数据分析可知,虽然XRD衍射峰的强度略有差别,加州扁鸟蛤贝壳三个部位的主要成分均为文石型碳酸钙晶体。对加州扁鸟蛤贝壳不同部位进行了显微硬度H和杨氏模量E表征发现,微观结构的类型,不同结构单元的尺寸、片层之间的夹角,以及载荷方向与文石板片取向之间的夹角等都影响着硬度和杨氏模量的分布。另外,通过对不同部位的硬度和杨氏模量的比值H/E,并且对比了躯干部位的H/E和压痕韧性Kc发现,H/E越小,Kc越大。其中,结构最复杂、片层排列最紧凑的复杂交错片层结构表现出最优异的力学性能,如最大的硬度、最大的杨氏模量和最小的H/E值(即最大的压痕韧性)。利用分形分析方法对加州扁鸟蛤贝壳压痕产生的裂纹与压痕韧性的关系进行定量表征发现,裂纹的分形维数Dc越大,结构越复杂。另外,裂纹的分形维数Dc和压痕韧性Kc呈正相关性：Dc越大,Kc也越大。因此,压痕周围产生的裂纹的分形维数Dc可以作为评估材料压痕韧性的一个参量。