竹材是一种天然的功能梯度材料,具有优异的比强度和抗弯性,被广泛应用于建筑业。清楚了解竹材的多尺度结构特征对宏观力学性能的理解,以及竹基复合结构的设计,具有重要的意义。本文开发了先进的原位多尺度力学性能测试平台,结合原位显微成像技术与力学性能表征技术,研究了竹材在宏观和微观尺度上的力学行为以及变形演化特征,包括粘弹性行为,不对称弯曲响应,弯曲疲劳和断裂行为(Sci. Rep. 2014,Acta Biomater. 2015, Mech. Mater. 2016, Exp. Tech, 2017)。研究结果表明,竹内维管束沿厚度方向的梯度分布是竹材不对称弯曲的主要原因,由纤维组织和中空的薄壁细胞组织组成的多级梯度结构有利于延长裂纹扩展途径和吸收裂纹能量。基于对竹材多级梯度结构特征的理解,本文设计了新型竹基复合结构,研究了多级梯度设计在整体性能优化中所起的作用和相应机制,从而实现材料-结构-性能的一体化设计。