納米復合材料的結構設計包括原料配方的設計和復合方法的設計，原料配方的設計是賦予材料基本性能的原材料、助劑的配比和可能進行的化學反應。一般結構設計的原則是以帶有極性并可與納米粒子形成共價鍵、離子鍵或配位鍵結合的基團進行結構的設計。化學反應設計包括以下幾方面。

    (1)形成共價鍵

    利用聚合物鏈上的官能團與納米粒子的極性基團產生化學反應．，形成共價鍵。例如，聚合物鏈上的羧基、鹵素、磺酸基等與納米粒子上的羥基等在一定條件下能夠形成穩定結合的共價鍵。另一方面，通過含有雙鍵的硅氧烷參與聚合物前驅體的聚合，形成硅氧烷為支鏈的聚合物，硅氧烷的部分水解或與正硅酸的共水解形成與聚合物主鏈存在共價鍵結合的Si0₂納米粒子，無機納米相與聚合物基體之間存在共價鍵而提高復合材料的穩定性。

(2)形成離子鍵  

利用帶有電荷的聚合物和納米粒子上帶有異性電荷形成離子鍵而得到穩定的復合材料體系。例如，帶有正電荷的聚銨鹽類聚合物和帶有負電荷的納米氫氧化物之間所形成的復合材料。   

(3)形成配位鍵   

聚合物基體與納米粒子以電子對和空電子軌道相互配位的形式產生化學作用所構成納米復合材料。例如溶液法和熔融法制備的聚氧化乙烯(PEO)／蒙脫土納米復合材料，嵌入的PE0分子同蒙脫土晶層中的Na⁺就以配位鍵的形式生成PEO-Na⁺配合物，使PE0分子以單層螺旋構象排列于蒙脫土的晶層中。   

(4)納米作用能的親和作用

    在納米復合材料中，大多數并不具有明顯的化學作用力，而普遍是分子間相互作用，利用聚合物結構中特別的基團與納米粒子的作用，也可產生穩定的分子間作用力。納米粒子因其特殊的表面結構具有很強的親和力，這種力稱為納米作用能，利用粒子強勁的納米作用能，可以與很多聚合物材料產生很強的相互作用，形成穩定的復合體系。而以納米作用能復合的重要因素，就是保證納米粒子能夠以納米尺寸均勻分散在聚合物基體中。