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结构生物材料提供一个检视自然界中的生物材料如何进化出各个组分使其实现力学性能（高模量、高强度和高韧性）协同的机会。贝壳纳米复合材料（包括贝壳和骨骼材料）是典型的具有优异力学性能的结构生物材料。理解生物材料中的纳米结构构造方式的力学机制可以促进生物启发性工程的发展。利用贝壳纳米材料生物启发性工程，层状复合材料设计是一种有效的改善在脆性材料中出现的强韧性倒置现象的方法。通过合理设计的弱界面可以使层状材料获得极高的断裂功，而且不需要损耗太多的结构强度。前人的工作已经确定了弱界面通过界面分层来阻止裂纹扩展的作用。这种层状材料在载荷-位移曲线中通常具有台阶状或锯齿状破坏过程，称这一过程为渐进破坏过程。 本文首先使用非线性剪滞模型研究了以“砖块-灰泥”结构为模型的贝壳纳米复合材料的刚度、强度和韧性的同步优化如何依赖于组分性质和微结构参数。我们在文中，给出砖块之间的弹塑性界面和重叠长度能显著影响界面剪力分布不均匀，应力传递效率，以及最终的破坏方式，这种影响还与砖块尺寸和砖块排布方式有关。“砖块-灰泥”结构中存在两个分别与优化强度和优化韧性有关的特征长度。通过匹配具有规则排布的“砖块-灰泥”结构的贝壳纳米复合材料中的这些特征长度值，使这些长度值尽量接近，来实现强度和韧性的同步优化，同时结构中的砖块和界面发生同步均匀破坏。在随机排布的“砖块-灰泥”结构中，重叠长度是分散的，具有一定的分布，因此贝壳纳米复合材料的破坏方式从同步均匀破坏转变为砖块或界面的渐进破坏，同时伴随着强度和韧性的适当降低。特别地，在随机排布的“砖块-灰泥”结构中存在一个参数范围，在这个参数范围内强度和韧性对于随机排布的随机度不敏感。本文的结果根据特征长度匹配原则提出参数选择准则来合理设计贝壳纳米复合材料。这一准则解释了贝壳纳米材料具有高强度和高韧性的，而人工仿贝壳纳米复合材料不具有这一特性的原因。其次，研究了层状材料中渐进破坏的产生原因。使用非线性剪滞模型得到的结果表明，在层状结构中存在一个特征基体相邻裂纹间距，当相邻裂纹间距大于这一特征相邻裂纹间距，界面会发生稳定地分层;反之，界面为不稳定地破坏。在稳定的界面分层过程中存在特定的破坏应变和应力峰值平台，这一应力峰值平台宽度与相邻裂纹间距有关。当层状材料中的相邻裂纹间距是离散分布的时候，载荷-位移曲线中的阶梯状渐进破坏是易于理解的。进一步，我们解释了弱界面如何影响层状材料中的相邻裂纹间距的大小，以及如何提高层状结构符合材料的有效韧性。