纳米复合材料的结构设计包括原料配方的设计和复合方法的设计，原料配方的设计是赋予材料基本性能的原材料、助剂的配比和可能进行的化学反应。一般结构设计的原则是以带有极性并可与纳米粒子形成共价键、离子键或配位键结合的基团进行结构的设计。化学反应设计包括以下几方面。
(1)形成共价键
利用聚合物链上的官能团与纳米粒子的极性基团产生化学反应．，形成共价键。例如，聚合物链上的羧基、卤素、磺酸基等与纳米粒子上的羟基等在一定条件下能够形成稳定结合的共价键。另一方面，通过含有双键的硅氧烷参与聚合物前驱体的聚合，形成硅氧烷为支链的聚合物，硅氧烷的部分水解或与正硅酸的共水解形成与聚合物主链存在共价键结合的Si02纳米粒子，无机纳米相与聚合物基体之间存在共价键而提高复合材料的稳定性。
(2)形成离子键
利用带有电荷的聚合物和纳米粒子上带有异性电荷形成离子键而得到稳定的复合材料体系。例如，带有正电荷的聚铵盐类聚合物和带有负电荷的纳米氢氧化物之间所形成的复合材料。
(3)形成配位键
聚合物基体与纳米粒子以电子对和空电子轨道相互配位的形式产生化学作用所构成纳米复合材料。例如溶液法和熔融法制备的聚氧化乙烯(PEO)／蒙脱土纳米复合材料，嵌入的PE0分子同蒙脱土晶层中的Na+就以配位键的形式生成PEO-Na+配合物，使PE0分子以单层螺旋构象排列于蒙脱土的晶层中。
(4)纳米作用能的亲和作用
在纳米复合材料中，大多数并不具有明显的化学作用力，而普遍是分子间相互作用，利用聚合物结构中特别的基团与纳米粒子的作用，也可产生稳定的分子间作用力。纳米粒子因其特殊的表面结构具有很强的亲和力，这种力称为纳米作用能，利用粒子强劲的纳米作用能，可以与很多聚合物材料产生很强的相互作用，形成稳定的复合体系。而以纳米作用能复合的重要因素，就是保证纳米粒子能够以纳米尺寸均匀分散在聚合物基体中。
