水凝胶是由交联的聚合物网络和大量水构成的一种软材料。由于具有优异的亲水性、生物相容性和刺激响应性，水凝胶广泛应用于组织工程，药物控制释放，人工肌肉，生物传感器等生物医学领域。然而使用有机交联剂制备的传统水凝胶(ORgels)力学性质差，在较小外力或形变下即发生破碎，严重制约了水凝胶的实际应用，尤其是在承重系统中的应用。在过去十几年中，为了提高水凝胶的力学性质，拓展水凝胶材料的应用范围，各国研究者制备出了一系列具有高力学强度的新型水凝胶材料。其中，使用无机纳米粒子作为多功能交联剂制备的纳米复合水凝胶（NCgels）,由于具有优异的力学、光学、溶胀/消溶胀、快速响应以及其他特殊性质，受到人们的广泛关注，已经成为目前水凝胶材料研究的热点。然而，长期以来，用于制备纳米复合水凝胶的纳米材料大都集中于一种人工合成的无机粘土片-LaponiteXLG，这种粘土片表面和边缘分别带负电荷和正电荷，在浓度较高时形成“卡片屋”结构，使得粘土分散液粘度增加，影响后续单体混合以及粘土在聚合物中的分散，限制了纳米复合水凝胶强度的进一步提高。近年来虽然也有其他无机或有机纳米材料，例如氧化石墨烯、纤维素纳米晶及聚苯乙烯纳米粒子等，被用于制备高强度的纳米复合水凝胶，但是作为工业上广泛应用的一类纳米材料-金属氧化物纳米粒子交联的纳米复合水凝胶还鲜有报道。本文以制备新型高强度纳米复合水凝胶为目的，以二氧化钛，氧化铝以及二氧化硅纳米粒子作为交联剂，使用丙烯酸(AA)，丙烯酰胺(AM)，N，N-二甲基丙烯酰胺(DMAA)，N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)等作为聚合单体，采用原位自由基聚合，制备了一系列具有优异力学性质的新型纳米复合水凝胶，对所制备水凝胶的交联机理，力学性质，溶胀性质，微观结构以及其他特殊性质进行了系统的研究。主要研究内容和结论如下：1.以二氧化钛纳米粒子作为交联剂，丙烯酸和N，N-二甲基丙烯酰胺作为共聚单体，通过原位自由基聚合合成了一系列具有不同单体比例的P(AA-co-DMAA)/TiO2高强度纳米复合水凝胶（TAD gels）。水凝胶的交联机理是基于聚合物侧链羧基与二氧化钛纳米粒子表面羟基之间的络合作用。当二氧化钛浓度一定时，随着初始反应液中丙烯酸比例的增加，TAD gels交联密度增大，弹性模量增加，韧性和溶胀率降低，当丙烯酸的比例超过40%，制得的凝胶变得坚硬，易碎，缺乏弹性；通过对初始制备的TAD gels进行简单的热处理，可以得到力学强度高、溶胀率低、能在水中依然保持高强度的水凝胶材料，并显示出水驱动的形状记忆效应。2.选用丙烯酰胺和N, N-二甲基丙烯酰胺作为共聚单体，纳米二氧化钛作为交联剂，原位自由基聚合制备了一系列具有不同单体比例和二氧化钛纳米粒子含量的P(AM-co-DMAA)/TiO2高强度纳米复合水凝胶（TMD gels）。透射电子显微镜和红外光谱结果表明二氧化钛纳米粒子均匀地分散在聚合物基质中，通过聚合物侧链上氨基与二氧化钛纳米粒子表面的羟基之间的氢键作用形成交联。AM在初始反应液中的比例和二氧化纳米粒子浓度对TMD gels性质的影响与TAD gels中AA比例和二氧化钛纳米粒子浓度对TAD gels性质的影响相同。由于TMD gels中聚合物基质与二氧化钛纳米粒子的相互作用比TAD gels中弱，因而TMD gels具有更大的断裂伸长率和溶胀率。当初始反应液中AM比例不大于50%时，制备的厚度为0.5mm的水凝胶薄膜在可见光波长范围内具有高透过率，但可以完全屏蔽波长小于366nm的紫外光，可作为紫外防护材料。3.使用二氧化钛纳米粒子作为交联剂，丙烯酰胺和N-异丙基丙烯酰胺作为共聚单体，通过原位自由基聚合制备以一系列不同单体比例和二氧化钛纳米粒子含量的P(AM-co-NIPAM)/TiO2高强度纳米复合水凝胶（TMN gels）。由于水凝胶的交联机理也是基于聚合物侧链上氨基与二氧化钛纳米粒子表面的羟基之间的氢键作用，因而初始反应液中AM比例以及二氧化钛纳米粒子浓度对TMN gels性质的影响与TMD gels相同。由于NIPAM的引入，使得TMN gels表现出温度敏感性。利用不同单体比例的TMN gels在纯水和20%NaCl溶液中不同的溶胀和收缩行为，制备了具有双向弯曲行为和可逆形状变化的水凝胶双层膜，并探索了水凝胶双层膜作为软驱动器的潜在应用。4.以氧化铝纳米粒子作为交联剂，通过光引发原位自由基聚合制备了一系列具有不同单体比例和氧化铝含量的P(AA-co-DMAA)/Al2O3高强度纳米复合水凝胶（AAD gels）。与TAD gels相似，AAD gels的交联机理也是基于聚合物侧链羧基与氧化铝纳米粒子之间的络合作用。当初始反应液中AA比例小于40%时，制备的凝胶具有高度透明性，极高的力学强度和均匀的微观结构。AAD gels的力学性质和溶胀性质可以通过改变单体比例和氧化铝含量进行调节。除了优异的力学性质，AADgels还表现出优异的防雾性能和水驱动的形状记忆效应。5.使用3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(MPS)对纳米二氧化硅进行表面功能化，然后与N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）原位自由基共聚，制备了新型的PNIPAM/SiO2高强度纳米复合水凝胶（FS gel），与传统有机交联水凝胶（OR gel）和未功能化的二氧化硅交联的水凝胶（PS gel）相比，FS gel不仅具有优异的力学性质和较低的溶胀率，同时保持PNIPAM水凝胶的快速响应性和温度敏感性。除此之外，由于具有的高力学强度和低溶胀率，FS gel表现出水驱动的快速形状记忆效应。