項目簡介：  

本項目屬于固體力學與材料科學的交叉領域。隨著空天技術與信息技術的發展，具有材料/結構一體化、結構/功能一體化、多功能化特征，組成和性能呈連續或非連續變化的先進非均勻材料獲得廣泛應用。本項目系統研究了功能梯度材料、多層及梯度壓電介質的力-熱、力-熱-電耦合性能表征、失效機理和評價方法，為該類材料設計、研制和應用奠定理論基礎。

主要創新成果為：

(1)功能梯度材料力/熱耦合斷裂力學分析模型

在宏觀斷裂力學的框架內，建立了動態熱/機械載荷作用下功能梯度材料的斷裂力學模型，解決了材料性質任意變化時裂紋尖端場的求解問題，分析了影響裂紋尖端場的控制因素，揭示了功能梯度非均勻材料的斷裂機制。

(2)壓電-電磁多層介質的熱/力/電耦合性能表征與評價方法

建立了壓電多層介質的斷裂力學分析模型，解決了動態力/電載荷下復雜的裂紋尖端場的求解問題；克服了多層壓電介質的界面斷裂問題求解的困難。討論了壓電材料斷裂力學研究中裂紋面的電邊界條件的適應性，提出了功能梯度壓電材料在熱載荷作用下的設計模型和強度評價方法。

(3) 功能梯度材料的熱沖擊阻力評價方法

從材料設計的觀點出發，將應力準則和斷裂力學準則統一起來，建立了動態熱載荷作用下功能梯度材料高溫強度的評價方法，提出了功能梯度材料的熱沖擊阻力分析的多尺度模型。詳細討論了材料性質的溫度相關性和多裂紋相互作用對熱沖擊阻力的影響，給出了提高功能梯度材料熱沖擊阻力的途徑。

本研究拓寬了功能梯度非均勻材料多場耦合性能評價的理論體系，指明了提高功能梯度材料及多層壓電材料斷裂強度的途徑。通過理論與實驗相結合，探索了適合于功能梯度材料的斷裂準則，為這類材料、器件和結構的優化設計和制備提供了理論指導，為其推廣應用奠定了理論基礎。

本項目在國際國內著名的力學及材料類期刊發表學術論文108篇，其中被SCI收錄的論文100篇，論文已經被他人引用746次，其中SCI他引622次。

主要發現點：

（1）建立了考慮多裂紋相互作用的層合板模型，提出了求解材料參數任意變化時的裂紋尖端場的求解方法，不僅可以考慮熱沖擊效應和慣性效應，還可以考慮熱載荷和機械載荷的聯合作用。（學科分類：斷裂力學1301730，力學數值計算方法1305010；文章：見代表論文No.1）。

（2）將應力準則和斷裂力學準則統一起來，建立了功能梯度材料熱沖擊阻力的評價模型。發現對特定的材料體系，存在一個特征尺寸，該尺寸可以解釋應力準則和斷裂力學準則的適用性。此模型還可以用于解釋為什么在實驗室進行小尺寸材料設計和試驗時，應用簡單的應力分析就可以得到滿意結果。而進行大尺寸材料設計和試驗時，就必須引入斷裂力學準則。（學科分類：斷裂力學1301730，力學數值計算方法1305010；文章：見代表論文No.8和 No.9）。

（3）由于所有描述的功能梯度材料的微分方程組都是變系數方程，本項研究克服了以往斷裂力學求解時遇到的積分核不收斂、計算結果精度不高等數學問題，發展了斷裂力學問題中奇異積分方程組的解法。（學科分類: 力學數值計算方法1305010；文章：見代表論文No.5）。

（4）對功能梯度材料熱沖擊作用下的熱應力緩和的理論預測結果進行了實驗驗證。實驗研究了功能梯度材料的熱沖擊阻力并和理論結果進行比較。（學科分類：斷裂力學1301730；文章：見代表論文No.4。）

（5）針對壓電多層介質提出的分析模型可以解決層數為任意多的情況，并且可以分析動態斷裂問題。深入研究了材料的梯度非均勻性對斷裂力學參數與性能（應力強度因子、能量釋放率、J積分、斷裂韌性等）的影響。建立了多裂紋相互作用的力/電耦合斷裂力學分析模型。（學科分類:斷裂力學1301730；文章：見代表論文No.2）。

（6）建立了壓電裂紋面變形和其表面電場相互耦合的自然邊界條件，給出了電磁材料斷裂力學中裂紋尖端場的封閉解,并且討論了裂紋面的電磁耦合邊界條件的適應性，界定了理想裂紋面邊界條件的誤差范圍。（學科分類:力學數值計算方法1305010；文章：見代表論文No.10）。

（7）證明了當外加載荷分布均勻時，無限大壓電介質中的橢圓夾雜內部的電場及彈性場也是均勻分布的事實，并得到了壓電材料的電彈模量。成功地給出夾雜內部與基體界面間耦合場分布的實型顯函精確解及裂紋尖端的1/2階奇異解。（學科分類:力學數值計算方法1305010； 文章：見代表論文No.6）。

主要完成人：

1.  韓杰才

全面負責本項目技術路線的制訂、熱沖擊和熱斷裂力學實驗等。提出了功能梯度材料的層合板模型，該模型可以研究多裂紋相互作用，可以求解材料參數任意變化時的裂紋尖端場。該模型不僅可以考慮熱沖擊效應和慣性效應，還可以考慮熱載荷和機械載荷的聯合作用（發現點1）。建立了功能梯度材料熱沖擊阻力的評價模型，將應力準則和斷裂力學準則統一起來（發現點2）。本人在該項研究中的工作量占本人工作量70%。

2.  杜善義

在國內較早提出要開展功能梯度材料力學問題研究的指導思想，全面指導進行功能梯度材料性質任意變化時的斷裂力學求解、有限元素法、壓電材料的裂紋面電邊界條件等方面的研究。首次給出了電磁材料斷裂力學中裂紋尖端場的封閉解,并且討論了裂紋面的電磁藕合邊界條件的適應性，界定了理想裂紋面邊界條件的誤差范圍（發現點5、6）。本人在該項研究中的工作量占本人工作量50%。

3.  王保林

豐富了變系數微分方程組的求解方法，發展了斷裂力學問題中奇異積分方程組的解法（發現點3）。針對壓電多層介質提出了分析模型，該模型可以解決層數為任意多的情況，而且可以分析動態斷裂情形，并建立了多裂紋相互作用的機電藕合斷裂力學分析模型（發現點5）。本人在該項研究中的工作量占本人工作量60%。

4.  張幸紅

采用先進的燃燒合成結合準熱等靜壓同時致密化技術(簡稱SHS/PHIP技術) 率先研制出了大尺寸TiC-Ni系、TiB2-Cu系、TiC-Fe等體系梯度功能材料及構件。解決了適應不同熱環境需求的梯度功能材料成分與結構優化問題。對功能梯度材料熱沖擊作用下的熱應力緩和的理論預測結果進行了實驗驗證。試驗研究了功能梯度材料的熱沖擊阻力并和理論結果進行了比較（發現點4）。本人在該項研究中的工作量占本人工作量30%。

5.  梁軍

利用各向異性彈性力學中的Stroh方法研究了含夾雜壓電材料力電耦合的有效性能，給出夾雜內部與基體界面間耦合場分布的實型顯函精確解及裂紋尖端的1/2階奇異解，為壓電材料的設計和評價提供理論依據。針對夾層壓電材料中存在共線裂紋的情況，利用富立葉變換和Schmidt方法克服了以往斷裂力學求解時遇到的積分核不收斂、計算結果精度不高等數學問題（發現點7）。本人在該項研究中的工作量占本人工作量30%。

10篇代表性論文：

1.   Wang BL, Han JC, Du SY. Cracks problem for non-homogeneous composite material subjected to dynamic loading . INTERNATIONAL JOURNAL OF SOLIDS AND STRUCTURES

2.   Wang BL, Han JC, Du SY. Electroelastic fracture dynamics for multilayered piezoelectric materials under dynamic anti-plane shearing. INTERNATIONAL JOURNAL OF SOLIDS AND STRUCTURES

3.   Han JC, Zhang XH, Wood JV. In-situ combustion synthesis and densification of TiC-xNi cermets. MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING A

4.   Zhang XH, Han JC, Du SY, et al.Microstructure and mechanical properties of TiC-Ni functionally graded materials by simultaneous combustion synthesis and compaction. JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE

5.   Wang BL A mode III crack in functionally graded piezoelectric materials. MECHANICS RESEARCH COMMUNICATIONS

6.   Liang J, Han JC, Wang B, Et Al. Electroelastic Modeling of Anisotropic Piezoelectric Materials with an Elliptic Inclusion. INTERNATIONAL JOURNAL OF SOLIDS AND STRUCTURES

7.   Wang BL, Han JC, Du SY. Dynamic fracture mechanics analysis for composite material with material non-homogeneity in thickness direction. ACTA MECHANICA SOLIDA SINICA

8.   Wang BL, Mai YW and Zhang XH. Thermal shock resistance of functionally graded materials. Acta Materialia

9.   Han JC and Wang BL. Thermal shock resistance enhancement of functionally graded materials by multiple cracking. ACTA MATERIALIA

10.  專著：王保林，韓杰才，張幸紅，《非均勻材料力學》，科學出版社，北京