以往研究发现，纳米多晶金刚石的硬度可超越单晶金刚石，因此利用石墨制备纳米多晶金刚石获得了广泛研究。然而，由石墨碳源制备的金刚石同时具有均匀精细结构和层状结构，其形成机理尚未获得很好的理解。为此，针对不同层间距的石墨，进行了一系列分子动力学模拟。研究发现，不同受压情况下石墨存在不同的相变行为，即在马氏体转变下获得片层状金刚石，而在扩散型相变下获得无特定取向的精细纳米金刚石。在静水压条件下，或者[002]方向上的压力大于横向压力且石墨层滑移不受限时，石墨将转化为层状结构立方金刚石；当[002]方向上的压力大于横向压力，但石墨层横向滑移受阻时，石墨转化为多晶六方和立方金刚石混合物；当最大压力方向在[210]或[010]方向时，石墨转化为无特定取向的均匀多晶金刚石。通过原子运动的微观尺度分析，揭示了由石墨制备的纳米多晶金刚石同时具有均匀精细结构和层状结构的机理，有望为大规模合成超硬纳米多晶金刚石提供理论支持。

基于密度泛函理论的第一性原理，研究了压力对新型MAX相Zr₂SeC和Hf₂SeC晶体结构、弹性、电子和热力学性质的影响。弹性常数和声子计算表明，两种化合物在0～40 GPa压力范围内具有稳定结构。与大多数MAX相不同，Zr₂SeC和Hf₂SeC沿a轴方向比沿c轴方向更容易被压缩，外部压力对Zr₂SeC晶体结构的影响比Hf₂SeC更显著。电子结构计算表明，Zr₂SeC和Hf₂SeC具有金属性质，压力的升高降低了Zr₂SeC和Hf₂SeC在费米能级处的电子态密度，因此提高了Zr₂SeC和Hf₂SeC的稳定性。此外，弹性模量、泊松比和各向异性指数等均随着压力的升高而增大。在0～40 GPa压力范围内，相同压力下Hf₂SeC的弹性模量大于Zr₂SeC，表明高压下Hf₂Se具有比Zr₂SeC更强的抗断裂和抗变形能力。热力学性质计算表明，Zr₂SeC和Hf₂SeC在0～40 GPa压力范围内具有较高的熔化温度。

针对目前La₂O₃制备存在纯度低、烧结性差、分子间隙大等问题，发展纳米La₂O₃的新型制备方法显得尤为重要。以La(NO₃)₃·6H₂O作为镧源加入乳化炸药中，通过乳化炸药爆轰反应为La₂O₃的合成提供高温高压条件，采用爆轰法在0.5 kg TNT当量真空爆炸容器内制备稀土纳米La₂O₃粉末。爆轰产物提纯、煅烧后，通过X射线衍射、扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱进行产物的物相、形貌、成分表征，采用紫外-可见光光谱、氮气吸附-脱附等温线、CO₂-程序升温脱附和O₂-程序升温脱附进行性能测定，结果表明：煅烧温度对La₂O₃粉体的结晶生长具有显著影响；在煅烧温度为800 ℃、煅烧时间为3 h的条件下成功制备出吸收紫外光、纯净且分散性较好的纳米La₂O₃粉末，其粒径在50～175 nm区间，晶体结构为六方晶系；纳米La₂O₃的比表面积为17.46 m²/g，孔道有序性较好，且孔径分布集中，具有较好的酸性气体吸附能力和氧迁移性能。爆轰法应用于纳米La₂O₃粉末制备，为纳米La₂O₃的工业化制备提供了一种新的参考方法。

为探索低强度冲击波下的柔性测量技术，基于8 mm孔径柔性基底，对聚偏二氟乙烯（polyvinylidene difluoride，PVDF）传感器开展激波管标定实验，根据实验结果，采用不同粘贴方式为PVDF传感器增加不同厚度的阻尼层，加载不同强度的冲击波后，从信号脉宽、灵敏度系数、过冲信号幅值等方面评估传感器的可靠性。然后加载窄脉宽冲击波验证设计的传感器能适应不同脉宽冲击波的测量。实验结果表明：添加阻尼层能够大幅降低过冲信号幅值，提高传感器测量信号脉宽，提升传感器的频响。STS-400（single-side thickened sensor-400）型传感器在两种脉宽信号加载下均得到较好的测试结果，相对测量误差不大于±12%。对比两种脉宽冲击波加载下的信号发现，PVDF薄膜传感器更适合测试脉宽在10 ms以内的信号。设计的新型PVDF传感器可为测量爆炸冲击波信号提供思路。

为了探明由不同方向玻璃纤维增强的聚碳酸酯（polycarbonate，PC）复合材料在宽应变率范围内的拉伸力学行为特征及其失效机理，使用材料实验机、中应变率实验机和分离式Hopkinson杆实验装置，对玻璃纤维质量分数为20%、纤维方向不同（0°、45°及90°）的PC复合材料开展了0.001～1000 s⁻¹应变率范围内的拉伸实验研究，并通过扫描电镜对加载后的3种试件断口进行了微观分析。实验结果显示，当加载应变率由0.001 s⁻¹增加至1000 s⁻¹时，玻璃纤维方向为0°、45°和90°的3种试件的拉伸强度分别增加57.5%、58.2%和49.4%，破坏应变分别增加74.1%、125.1%和129.1%，说明玻璃纤维增强PC复合材料具有显著的应变率效应。玻璃纤维方向为0°的试件的拉伸强度高于其他两种试件，而其破坏应变低于其他两种试件。在应变率为0.001 s⁻¹的准静态加载下，玻璃纤维增强PC复合材料呈现出纤维拔出、纤维断裂、基体脆性断裂以及纤维与基体脱粘4种失效模式；在1000 s⁻¹的高应变率加载下，玻璃纤维增强PC复合材料呈现出纤维拔出、纤维断裂、基体塑性变形、基体塑性断裂以及纤维与基体脱粘5种失效模式。高应变率加载下，玻璃纤维增强PC复合材料的破坏强度和破坏应变相较于准静态加载下大幅增加的主要原因是：绝热温升效应导致玻璃纤维增强PC复合材料内的PC基体软化，PC复合材料产生塑性变形，基体/纤维界面黏附力增强。

在自然进化中，众多生物材料因其内部多级结构的精巧配合表现出卓越的力学性能。碳纤维作为一种性能优异的人工材料，为仿生材料设计与制备提供了重要的原材料支撑。以短碳纤维和聚氨酯为原料，发展了一种针管挤制和蒸发固化方法，制备出具有特定纤维取向的短碳纤维增强聚氨酯复合材料薄膜，利用叠层固化成型方法，制备出具有不同层间夹角的仿螳螂虾螺旋叠层结构材料。在此基础上，通过拉伸性能测试及拉伸过程中材料内部微观形貌表征，对该仿生材料的力学增强机理进行研究。结果表明：短碳纤维在薄膜材料中具有良好的取向一致性，当纤维取向角为45°时，单层薄膜的拉伸强度最高；在螺旋叠层结构中，当层间夹角为30°时，仿生材料的拉伸强度最高，这主要是由材料内部纤维端部引起的损伤破坏以及界面脱粘引起的失效破坏所调控。研究结果对于设计和制备高性能短纤维增强复合材料、实现其性能优化具有指导意义。

轻量化多孔工字梁在外部荷载作用下具有优异的能量吸收特性。提出用胞元腹板代替实心腹板设计胞元腹板工字梁结构，基于方胞元、蜂窝胞元、内凹胞元和圆胞元4种胞元类型与方形、蜂窝、内凹和圆形4种腹板开孔孔型进行组合并设计构型。通过实验和有限元分析研究不同胞元类型和腹板开孔类型对工字梁压缩性能和能量吸收性能的影响。结果表明：胞元类型和腹板开孔类型对工字梁的压缩性能具有显著影响，方胞元工字梁的极限承载力最高，蜂窝胞元工字梁的吸能性能最好，而圆胞元工字梁的承载力和吸能性能较差，负泊松比胞元会使薄壁工字梁的失稳变形模式发生明显改变，内凹胞元能有效抑制工字梁发生向腹板两侧错位挤压失稳的趋势。

将层级和嵌套相结合，设计了两种不同类型和嵌套方式的圆形嵌套层级多胞管，采用数值模拟方法对其轴向冲击下的吸能特性开展了系统的研究。研究结果表明，无论是相同壁厚还是相同质量，高层级多胞管相比低层级多胞管都具有更好的能量吸收能力。相同壁厚情况下，高层级多胞管的比能量吸收和冲击力效率最高分别高出22.49%和16.55%，与传统圆管相比，层级多胞管的比能量吸收和冲击力效率最高分别高出43.16%和36.45%。相同质量情况下，高层级多胞管的比能量吸收和冲击力效率最高分别提升了21.04%和24.47%。最后，系统地开展了层级数、壁厚等结构参数对圆形嵌套层级多胞管耐撞性的参数化研究。

Al₃Ti具有低密度、高硬度等特点，然而，由于其具有较高的脆性，导致较小的变形下便会发生破碎。为了提高Al₃Ti的应用范围，受生物结构的启发，根据贝壳珍珠层、海螺壳和鱼鳞的几何结构，建立了Ti-Al₃Ti仿生有限元计算模型，研究了硬质相形状和加载速度对材料断裂的影响，从断裂行为、裂纹扩展过程和吸能效果等角度分析仿生复合材料的抗断裂机理。定义了形状系数，并对结构进行优化设计。结果表明，在准静态条件下，硬质相形状对仿珍珠层试样的断裂行为有显著影响。长方形硬质相能更好地抑制裂纹向载荷端扩展，从而提高试样的承载能力。形状系数在5.0左右的试样表现出最优的抗断裂能力和吸能效果。在动态冲击条件下，软质相抑制裂纹扩展的能力增强，使长方形试样的抗断裂能力和吸能效果得到进一步提高。

基于动力显式有限元法，研究了泡沫铝夹芯管在横向爆炸载荷下的动态响应，以芯层能量吸收及外管刚度为目标，对结构的抗爆性能进行了多目标优化设计。系统研究了泡沫铝夹芯管结构的几何参数、泡沫铝芯层相对密度和爆炸加载条件等对其变形规律和能量吸收性能的影响。结果表明：横向爆炸载荷下，泡沫铝夹芯管的变形区域集中在跨中位置，内外管通过跨中位置塑性变形和变形区域左右两端的弯曲变形吸收能量，泡沫铝芯层主要依靠芯层压缩吸收能量；减小外管壁厚或泡沫铝芯层相对密度能有效提高结构的比吸能，但会影响泡沫铝夹芯管内外管的变形程度；外管几何参数对结构吸能性能和内外管变形的影响程度远大于内管；基于泡沫铝夹芯管的数值模拟结果，构造了响应面模型并对其进行了多目标优化，给出了Pareto前沿图，可根据实际工程应用来确定泡沫铝夹芯管结构中内外管的壁厚与芯层的相对密度。

考虑道砟真实的不规则几何形态特征与材料的应变率效应及失效行为，建立了道砟冲击高速列车设备舱底板的有限元模型，分析了设备舱前面板横向和纵向中心线节点的挠度时程响应，探究了设备舱底板与道砟间接触力的演化规律，讨论了冲击速度、冲击角度和道砟形状对设备舱底板冲击响应和破坏行为的影响，分析了不同工况下设备舱底板的失效模式和破坏形貌特征，量化了设备舱前面板的最大瞬态变形位移和凹坑深度与冲击速度的变化关系。结果表明，同一冲击工况下，设备舱底板最大瞬态变形位移和凹坑深度均分别随着冲击速度的提高和冲击角度的增大而增大；设备舱前面板最大变形区域的形状和范围大小以及前面板损伤失效区域的面积和分布特征与道砟几何形状密切相关，且椭球体道砟作用下列车设备舱底板的损伤失效最严重；不同冲击条件下设备舱前面板表现出不同程度的延性损伤，较大的道砟质量和冲击速度工况下还出现拉伸撕裂破坏甚至轻微冲塞现象。

为从矿物晶质尺度研究非均质岩石动态断裂损伤的细观发展过程，采用颗粒流程序-等效晶质模型构建能够反映微观结构特征的非均质岩石模型，同时利用有限差分法FLAC^2D和离散元法PFC^2D建立耦合分离式霍普金森压杆系统，对不同冲击载荷下非均质岩石的动态冲击破坏过程进行模拟分析。通过自编Fish语言，对动态破坏过程中矿物的晶内及晶间微裂纹进行细化分组及数量统计，从细观发展的角度剖析非均质岩石的动态断裂损伤演化过程。结果表明：在静态单轴压缩条件下，沿晶破坏是主导非均质岩石破坏的重要原因，晶间裂纹和穿晶裂纹逐步贯通，最终使试样展现出宏观的破坏模式；在动态冲击条件下，各矿物晶内及晶间的微裂纹增长过程均存在萌生期、快速增长期、缓慢增长期和停止增长期4个阶段；与静态单轴压缩条件下微裂纹数的增长模式相似，动态破坏初期晶间裂纹数明显高于晶内裂纹数，岩石主要发生沿晶损伤破坏，随着加载的进行和岩石破坏程度的提升，动态破坏的晶内裂纹数逐渐超过晶间裂纹数。此外，模拟中不同冲击载荷下峰值应变率与对应的峰值载荷以及动态峰值强度与对应的峰值载荷均表现出良好的线性关系，为快速确定岩石相关动态力学参数提供了简便的方法。

纳米尺度多层复合结构的动态冲击响应对半导体制造和微小粒子防护等具有重要意义。采用分子动力学方法模拟Si基底支撑的Ag-PMMA复合薄膜的抗冲击性能，通过对接触力响应、动能损耗、应力波传播、位错和损伤演化、侵彻深度等进行综合分析，解释了在衬底支撑条件下金属聚合物复合薄膜的能量耗散机制。结果表明，侵彻过程可以分为局部压缩阶段和整体变形阶段。在局部压缩阶段，Ag表面接触区域原子在高速冲击下由于应力集中效应直接转化为无定形结构，因而接触力达到侵彻过程的峰值。薄膜厚度主要在整体变形阶段产生影响：较薄的复合薄膜明显受到衬底的限制，在高速冲击下直接发生贯穿性损伤；而较厚的复合薄膜通过Ag的集体位错和PMMA的弹性变形耗散子弹动能，能够充分发挥各层材料特性。

采用实验、理论和数值模拟方法研究了类向日葵夹芯圆柱壳在准静态轴向加载下的吸能特性。首先，对3种内径的夹芯圆柱壳及其构件进行了准静态轴向压缩实验和数值模拟。结果表明：所有夹芯圆柱壳的比吸能和压溃力效率都大于其各个组成构件以及构件之和；芯壳的波浪形结构比圆柱壳结构具有更好的能量吸收能力；圆柱壳和波浪形曲线芯壳的联合使用可以有效地提高薄壁金属结构的吸能效率。其次，基于简化的超级折叠单元理论，推导了夹芯圆柱壳的轴向平均压溃力的理论公式。理论预测的平均压溃力与实验结果及数值模拟结果间的相对误差均在10%以内。最后，以比吸能最大和峰值压溃力最小为目标，进行了类向日葵夹芯圆柱壳吸能特性的多目标优化设计，得到了夹芯圆柱壳比吸能和峰值压溃力的Pareto前沿，优化后的夹芯圆柱壳的比吸能和平均压溃力均有提高，与此同时，质量减小。

混凝土是由水泥砂浆、粗骨料和界面过渡区（interfacial transition zone, ITZ）组成的非均质复合材料。ITZ作为混凝土内部的最薄弱相，对混凝土的宏观断裂有重要影响。基于PFC 2D的FISH语言，建立了能反映混凝土骨料、水泥砂浆和ITZ等复杂细观结构的离散元模型，并探讨了在单轴压缩载荷下ITZ强度分布和强度值对混凝土裂纹扩展过程的影响。数值模拟结果表明：混凝土裂纹遵循从中心向加载端扩展的趋势，超过80%的裂纹出现在峰值应力后的软化阶段；ITZ强度分布对混凝土裂纹扩展过程影响较弱，当ITZ强度呈现U形分布时，混凝土中裂纹数量较多；ITZ强度值对混凝土断裂程度及最终断裂形式影响显著，当ITZ的最小黏结强度与砂浆黏结强度比p<0.5时，混凝土强度显著降低，且裂纹围绕混凝土模型中心分散扩展形成网状宏观裂纹，导致试件发生散碎破坏，当p>0.6时，裂纹从混凝土试样中心向加载端集中扩展形成宏观贯通裂纹，导致试件发生块状破坏。

以20 L球型爆炸装置中的气液输送管段为研究对象，结合数值模拟方法，分析了气液输送管段中气液两相流的流型结构和截面含气率特性，基于此对气液输送管段的曲率半径和水平管段长度进行优化设计。结果表明：在0.6 MPa压力下，C₆H₁₄、C₇H₁₆、C₈H₁₈和C₁₀H₂₂均可以形成稳定的环状流；随着压力升高，C₆H₁₄和C₇H₁₆的流型结构有趋于不稳定的趋势。在0.6～0.9 MPa压力下，当气液输送管段曲率半径为34 mm、管段长度在200～300 mm之间时，大部分液相呈膜状沿管壁运动，且液膜分布较均匀；气相在管段中心处高速流过，具有良好的气芯，形成的环状流流型结构更稳定。对气液输送管段的优化设计可使爆炸特性的测量更精确，也可为研究可燃液体燃料爆炸问题及工程设计提供参考。