自然界的生物材料几乎都是复合材料,因此都可被称为自然生物复合材料。自然生物复合材料经过若干世纪的选择进化,形成了各种优良的微结构,这些优良的微结构使自然生物复合材料具有了优良的力学性质。对自然生物复合材料微结构的深入研究将给人造高性能新型复合材料研究提供有益指导。金龟子外甲壳是一种典型的自然生物复合材料,具有优化的微结构和优良的力学性质。本研究首先使用扫描电镜(SEM)观察了金龟子外甲壳的微结构,发现其是一种由几丁质纤维和蛋白质基体组成的纤维增强生物复合材料,观察也发现其中存在以下奇特的微结构:(1)异形纤维端头;(2)刺状纤维;(3)纤维绕孔排列;(4)双喇叭形支柱夹芯结构;(5)纤维非均匀铺层。对这些奇特的纤维及纤维铺层微结构建立简化的微结构模型,并利用有限元工具对这些微结构及人造复合材料常规纤维增强结构的力学性质进行了比较分析,得到以下结论:(1)异形纤维端头通过减小其纤维端头与基体交界面上的剪应力集中,较好地避免纤维与基体的脱胶,提高了材料强韧性。异形纤维端头也能够显著提高了复合材料的刚度。(2)刺纤维可提高纤维的拔出阻力和复合材料的屈服极限,降低纤维-基体间的最大剪应力,改善复合材料的强韧性;(3)纤维绕孔排列方式使得复合材料孔洞处增强纤维保留,可减小孔边应力集中及较好地传递孔边应力,提高了含孔复合材料的强度和刚度;(4)双喇叭形支柱夹芯结构可提高材料的抗压和抗剪切能力。(5)纤维非均匀分布铺层通过根据外载情况合理地布置纤维粗细疏密,使得复合材料有更大的抵抗弯曲变形和失稳破坏的能力,实现了用较少的材料来承担较大载荷。通过对昆虫外甲壳各种微结构的分析研究,进一步地认识到了昆虫外甲壳自然生物复合材料微结构的强韧机理,为高性能人造纤维增强复合材料的仿生设计提供了有益指导。