项目简介：  

本项目属于固体力学与材料科学的交叉领域。随着空天技术与信息技术的发展，具有材料/结构一体化、结构/功能一体化、多功能化特征，组成和性能呈连续或非连续变化的先进非均匀材料获得广泛应用。本项目系统研究了功能梯度材料、多层及梯度压电介质的力-热、力-热-电耦合性能表征、失效机理和评价方法，为该类材料设计、研制和应用奠定理论基础。

主要创新成果为：

(1)功能梯度材料力/热耦合断裂力学分析模型

在宏观断裂力学的框架内，建立了动态热/机械载荷作用下功能梯度材料的断裂力学模型，解决了材料性质任意变化时裂纹尖端场的求解问题，分析了影响裂纹尖端场的控制因素，揭示了功能梯度非均匀材料的断裂机制。

(2)压电-电磁多层介质的热/力/电耦合性能表征与评价方法

建立了压电多层介质的断裂力学分析模型，解决了动态力/电载荷下复杂的裂纹尖端场的求解问题；克服了多层压电介质的界面断裂问题求解的困难。讨论了压电材料断裂力学研究中裂纹面的电边界条件的适应性，提出了功能梯度压电材料在热载荷作用下的设计模型和强度评价方法。

(3) 功能梯度材料的热冲击阻力评价方法

从材料设计的观点出发，将应力准则和断裂力学准则统一起来，建立了动态热载荷作用下功能梯度材料高温强度的评价方法，提出了功能梯度材料的热冲击阻力分析的多尺度模型。详细讨论了材料性质的温度相关性和多裂纹相互作用对热冲击阻力的影响，给出了提高功能梯度材料热冲击阻力的途径。

本研究拓宽了功能梯度非均匀材料多场耦合性能评价的理论体系，指明了提高功能梯度材料及多层压电材料断裂强度的途径。通过理论与实验相结合，探索了适合于功能梯度材料的断裂准则，为这类材料、器件和结构的优化设计和制备提供了理论指导，为其推广应用奠定了理论基础。

本项目在国际国内著名的力学及材料类期刊发表学术论文108篇，其中被SCI收录的论文100篇，论文已经被他人引用746次，其中SCI他引622次。

主要发现点：

（1）建立了考虑多裂纹相互作用的层合板模型，提出了求解材料参数任意变化时的裂纹尖端场的求解方法，不仅可以考虑热冲击效应和惯性效应，还可以考虑热载荷和机械载荷的联合作用。（学科分类：断裂力学1301730，力学数值计算方法1305010；文章：见代表论文No.1）。

（2）将应力准则和断裂力学准则统一起来，建立了功能梯度材料热冲击阻力的评价模型。发现对特定的材料体系，存在一个特征尺寸，该尺寸可以解释应力准则和断裂力学准则的适用性。此模型还可以用于解释为什么在实验室进行小尺寸材料设计和试验时，应用简单的应力分析就可以得到满意结果。而进行大尺寸材料设计和试验时，就必须引入断裂力学准则。（学科分类：断裂力学1301730，力学数值计算方法1305010；文章：见代表论文No.8和 No.9）。

（3）由于所有描述的功能梯度材料的微分方程组都是变系数方程，本项研究克服了以往断裂力学求解时遇到的积分核不收敛、计算结果精度不高等数学问题，发展了断裂力学问题中奇异积分方程组的解法。（学科分类: 力学数值计算方法1305010；文章：见代表论文No.5）。

（4）对功能梯度材料热冲击作用下的热应力缓和的理论预测结果进行了实验验证。实验研究了功能梯度材料的热冲击阻力并和理论结果进行比较。（学科分类：断裂力学1301730；文章：见代表论文No.4。）

（5）针对压电多层介质提出的分析模型可以解决层数为任意多的情况，并且可以分析动态断裂问题。深入研究了材料的梯度非均匀性对断裂力学参数与性能（应力强度因子、能量释放率、J积分、断裂韧性等）的影响。建立了多裂纹相互作用的力/电耦合断裂力学分析模型。（学科分类:断裂力学1301730；文章：见代表论文No.2）。

（6）建立了压电裂纹面变形和其表面电场相互耦合的自然边界条件，给出了电磁材料断裂力学中裂纹尖端场的封闭解,并且讨论了裂纹面的电磁耦合边界条件的适应性，界定了理想裂纹面边界条件的误差范围。（学科分类:力学数值计算方法1305010；文章：见代表论文No.10）。

（7）证明了当外加载荷分布均匀时，无限大压电介质中的椭圆夹杂内部的电场及弹性场也是均匀分布的事实，并得到了压电材料的电弹模量。成功地给出夹杂内部与基体界面间耦合场分布的实型显函精确解及裂纹尖端的1/2阶奇异解。（学科分类:力学数值计算方法1305010； 文章：见代表论文No.6）。

主要完成人：

1.  韩杰才

全面负责本项目技术路线的制订、热冲击和热断裂力学实验等。提出了功能梯度材料的层合板模型，该模型可以研究多裂纹相互作用，可以求解材料参数任意变化时的裂纹尖端场。该模型不仅可以考虑热冲击效应和惯性效应，还可以考虑热载荷和机械载荷的联合作用（发现点1）。建立了功能梯度材料热冲击阻力的评价模型，将应力准则和断裂力学准则统一起来（发现点2）。本人在该项研究中的工作量占本人工作量70%。

2.  杜善义

在国内较早提出要开展功能梯度材料力学问题研究的指导思想，全面指导进行功能梯度材料性质任意变化时的断裂力学求解、有限元素法、压电材料的裂纹面电边界条件等方面的研究。首次给出了电磁材料断裂力学中裂纹尖端场的封闭解,并且讨论了裂纹面的电磁藕合边界条件的适应性，界定了理想裂纹面边界条件的误差范围（发现点5、6）。本人在该项研究中的工作量占本人工作量50%。

3.  王保林

丰富了变系数微分方程组的求解方法，发展了断裂力学问题中奇异积分方程组的解法（发现点3）。针对压电多层介质提出了分析模型，该模型可以解决层数为任意多的情况，而且可以分析动态断裂情形，并建立了多裂纹相互作用的机电藕合断裂力学分析模型（发现点5）。本人在该项研究中的工作量占本人工作量60%。

4.  张幸红

采用先进的燃烧合成结合准热等静压同时致密化技术(简称SHS/PHIP技术) 率先研制出了大尺寸TiC-Ni系、TiB2-Cu系、TiC-Fe等体系梯度功能材料及构件。解决了适应不同热环境需求的梯度功能材料成分与结构优化问题。对功能梯度材料热冲击作用下的热应力缓和的理论预测结果进行了实验验证。试验研究了功能梯度材料的热冲击阻力并和理论结果进行了比较（发现点4）。本人在该项研究中的工作量占本人工作量30%。

5.  梁军

利用各向异性弹性力学中的Stroh方法研究了含夹杂压电材料力电耦合的有效性能，给出夹杂内部与基体界面间耦合场分布的实型显函精确解及裂纹尖端的1/2阶奇异解，为压电材料的设计和评价提供理论依据。针对夹层压电材料中存在共线裂纹的情况，利用富立叶变换和Schmidt方法克服了以往断裂力学求解时遇到的积分核不收敛、计算结果精度不高等数学问题（发现点7）。本人在该项研究中的工作量占本人工作量30%。

10篇代表性论文：

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.  专著：王保林，韩杰才，张幸红，《非均匀材料力学》，科学出版社，北京