过去10年里，金属卤素钙钛矿作为一种性能优异的新型功能材料被广泛应用，其研究取得了很多重要进展。压力作为一个基本的热力学变量，可以显著地影响材料的微观结构、原子间相互作用、电子轨道和化学键，是调节材料结构和性能的一个强大工具。与此同时，压力也为研究结构与性质之间的关系提供了新路径。结合金刚石对顶砧高压装置以及原位高压表征技术，总结了金属卤素钙钛矿在高压下的结构及性质变化，包括高压驱动结构相变，有序-无序转变，非晶化，局部结构演化，带隙、光致发光、光响应、电阻等性质在压力作用下的变化，以及高压下特有的奇特性质如金属化转变，系统分析了此类材料的结构-性质关系，并对未来的新型材料设计做出了展望。

近年来，压力下卤化物钙钛矿成为新的研究热点，呈现出许多优异的电学和光学等特性。高压下钙钛矿结构演变研究是所有物性研究的基石和重点。利用金刚石对顶砧压机，结合原位高压同步辐射X射线衍射、原位高压拉曼光谱、紫外-可见-近红外分光光度计测量技术和第一性原理计算，对全无机卤化物钙钛矿CsGeBr₃在高压下的结构演变进行了系统研究。结果表明：CsGeBr₃在常压下是菱方$ R3m $结构；在1 GPa时，CsGeBr₃发生菱方$ R3m $到立方$ Pm\overline{3}m $的结构相变；在更高的压力下保持立方结构；菱方$ R3m $到立方$ Pm\overline{3}m $的相变是可逆的。研究结果为进一步探索卤化物钙钛矿在压力下的性质、拓展其应用前景提供了重要的科学依据。

钙钛矿氧化物BaMO₃（M为过渡族金属）具有复杂的晶体结构和物理性质，本文系统地总结了BaMO₃的研究进展，重点关注在 M 元素变化过程中晶体结构和物理性质的演化，以及高压调控下的结构相变、电输运性质和磁学性质的变化，讨论了M离子半径及合成压力对六方钙钛矿到钙钛矿演化过程的影响，同时对该领域中一些问题做了展望，探讨了这一体系可能出现的新的原子组合和结构，相应材料可能具有的新特性和科学意义。

过渡金属钙钛矿材料由于具有灵活多变的晶体结构和丰富多样的物理性质，在信息、能源和催化等领域具有广阔的应用前景。然而，在常规条件下合成的过渡金属钙钛矿种类有限。高压作为一种独特的实验手段，能够显著调控材料的原子间距和元素构型，在合成新型钙钛矿材料方面具有较大优势，通过改变电子结构可引发铁电、磁性、超导、金属-绝缘体转变、电荷转移及电荷歧化等新奇的物理性质。本文回顾了极端高压材料制备技术和高压原位测量技术，并对这2项技术在几类过渡金属钙钛矿合成与物性调控方面的应用进行了展望。

ReO₃具有A位缺失的立方钙钛矿结构，在压力下会经历系列结构相变。近期，通过高压低温电阻测试，发现其高压R-Ⅰ相（空间群为R$ \overline{3} $c）具有高达 17 K的超导转变温度。为探索新型Re氧化物超导体，采用ReO₃为前驱体，在10 GPa和600 ℃的高压高温条件下制备了具有六方对称性（空间群为P6₃22）的亚稳相，并在常压下对其晶体结构、磁性和电输运性质进行了表征。实验发现，六方亚稳相的电阻在常压下250 K附近出现明显异常，温度低至2 K时仍未出现超导现象。高压电阻测试表明：常压下250 K附近ReO₃的电阻异常迅速消失，亚稳相表现出典型的金属行为；在62 GPa的高压条件下，温度低至1.5 K时仍未出现超导电性。

探索PO₆配位八面体的高压晶体化学行为是理解磷的高压化学性质、了解磷在下地幔中可能的赋存方式及磷的地球化学循环的重要基础。在0～80 GPa压力范围内，对MgSiO₃等电子体的NaPO₃开展第一性原理密度泛函理论研究，通过对其常压β相（P2₁/n）、透辉石相（C2/c）、钛铁矿相（R$ \overline 3 $）、斜方钙钛矿相（Pnma）和立方钙钛矿相（Pm3m） 的几何优化和总能对比，获得了NaPO₃的结构相变序列及相变压力：P2₁/n → C2/c （2 GPa） → R$ \overline 3 $ （20 GPa）→ Pnma（50 GPa），相变导致的体积变化分别为7.1%、11.5%和9.0%。Pm3m-NaPO₃的声子色散曲线在R点和M点呈现出显著且相似的虚频，而Pnma-NaPO₃在整个布里渊区均表现为实频，表明Pnma-NaPO₃动力学稳定。Pnma-NaPO₃的晶格常数、P―O键长、P―O―P键角、${{\mathrm{NaO}}_{12}} $和${{\mathrm{PO}}_6} $多面体体积比$V_{{\mathrm{NaO}}_{12}} $/$V_{{\mathrm{PO}}_6} $与压力的关系表明，PO₆八面体在计算的整个压力范围内都较规则，且NaO₁₂多面体的压缩性比PO₆八面体的压缩性更大。电子结构计算表明，在Pnma-NaPO₃的PO₆八面体中，P的3p和3s轨道与O的2p轨道强烈混合，P―O键表现出的强共价性对稳定其斜方钙钛矿结构发挥了关键作用。

混合卤化物类钙钛矿具有多种优异的光电特性，如随卤素成分变化而大范围可调的带隙、高荧光量子产率等，是制备太阳能电池和发光二极管等光电材料的理想候选材料。然而，混合卤化物钙钛矿的稳定性较差，如在强光照条件下会发生相分离，这种不稳定性阻碍了它们在光电领域的广泛应用，因此，研究其相分离的内在机理和控制方法对于改善其特性以实现实际应用至关重要。针对强激光照射下具有不同组分的CsPb(I_xBr_1−x)₃纳米晶，系统研究了其激光诱导相分离随压强的变化，发现不同I/Br比例的CsPb(I_xBr_1−x)₃纳米晶具有不同的激光诱导相分离特征：x<0.1的富溴样品随着激光照射而迅速产生CsPbBr₃纯相，并实现较大的荧光量子产率增益；0.1<x<0.9溴含量较多的样品明显形成了富溴相，并产生了新的荧光峰；而x>0.9低溴含量样品则只产生荧光峰宽化，并伴随荧光强度的快速降低。将CsPb(I_xBr_1−x)₃纳米晶置于准静水压强环境中，观察到富溴样品和较多溴含量样品中的相分离随着压强的升高而迅速减缓，并在约0.1 GPa的较低压强下被极大程度地抑制，而低溴含量样品的相分离则随压强上升而增强。这些发现为理解和克服相关光电材料在强光工作环境中的应用问题提供了一种有效的解决途径。

基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，研究了不同扭转角下石墨烯/MoS₂异质结构的电子结构和光学特性。结果表明，转角后的石墨烯/MoS₂异质结构仍具备作为单层材料时的部分特征。在费米能级附近，石墨烯层保持了其特殊的线性色散能带结构，狄拉克锥上的直接带隙E_g受到层间旋转调制的影响。异质结构中的MoS₂层对层厚具有高度的敏感性，随着厚度的增加，其间接带隙持续增大。当转角为10.9°时， E_g的最大值为11.67 meV。差分电荷密度计算结果表明，随着旋转角度的改变，MoS₂层中Mo-S间的电子转移引起了Mo―S键长的变化，从而增大了S-S层间距。同时，通过与MoS₂结合形成异质结构，石墨烯获得了较高的载流子浓度，异质结界面间旋转使空穴掺杂载流子浓度提高至9.2×10¹² cm⁻²，比未转角时提高约6倍。异质结构的光学性质计算结果表明：当转角为27.0°时，其吸收边发生红移，并向低能区移动了0.233 eV；当转角为10.9°时，其吸收边发生蓝移，并向高能区移动0.116 eV，同时，在可见光范围内，异质结构损失函数下降了0.007。研究结果可为设计新型具有转角特征石墨烯异质结构的光学纳米器件提供理论参考。

基于一级轻气炮加载技术，利用不同类型的多层复合飞片，实现了冲击加载-卸载-再加载路径，结合回收表征以及一维流体力学模拟，对Cr-Ni-Mo钢在冲击加载-卸载-再加载路径下的层裂损伤行为进行了深入研究。结果表明，在冲击加载-卸载-再加载路径下，层裂面会重新闭合并形成微损伤带，而孔洞位置仍然位于原奥氏体边界和板条群边界处，裂纹仍保持穿晶+沿晶的混合断裂模式。此外，第1层飞片与样品之间存在的较大阻抗差异会导致自由面速度中的再加载信号缺失。这些发现为深入理解Cr-Ni-Mo钢在复杂加载路径下的层裂行为提供了重要参考。

三周期极小曲面（triply periodic minimal surface，TPMS）结构材料作为一种高孔隙率和高能量吸收效率的多孔介质，在许多领域得到广泛应用。以Gyroid和IWP结构作为设计基元，利用Sigmoid函数构建圆柱形过渡层，将外层IWP结构与内层Gyroid结构连接，设计了内外嵌套的GIP混合胞元结构。通过选择性激光熔融技术打印了Gyroid结构、IWP结构和GIP混合结构试样，并利用直撞式霍普金森杆对其进行了实验研究。结合LS-DYNA软件进行了更大冲击速度范围的数值模拟，分析了试件的变形演化过程和动态应力-应变关系。结果表明：结构的初始峰值应力和比吸能表现出不同程度的应变率敏感性。与Gyroid和IWP结构相比，GIP混合结构材料的应力-应变曲线表现出更明显的应变硬化趋势和更强的能量吸收能力。相较于GIP-1结构（冲击方向与圆柱形过渡层轴线方向相同），随着冲击速度的提高，GIP-2结构（冲击方向与圆柱形过渡层轴线方向垂直）具有更低的初始峰值应力和更大的比吸能，因而具有更优异的抗冲击性能。

为探讨高韧钢的抗爆性能及其影响因素，结合空爆试验，对高韧钢平板和加筋板的动响应过程进行了数值模拟，并与相同厚度的高强钢进行了对比。首先，开展了高韧钢和高强钢平板的空爆试验，对比分析了2种材料平板的变形和破坏试验结果。随后，采用LS-DYNA非线性有限元程序对高韧钢平板在近距空爆载荷作用下的变形/失效过程进行了数值模拟，并与试验结果进行了对比，验证了数值模拟方法的合理性。在此基础上，通过数值模拟进一步分析了高韧钢平板和加筋板结构的动态响应过程和失效机理。研究结果表明，在TNT药量为1 200 g、爆距为100 mm的近距空爆载荷作用下，10 mm厚的高韧钢平板仅发生拉伸大变形，而10 mm厚的高强钢平板中部出现大破口。高韧钢平板的抗爆性能明显优于同等厚度下的高强钢平板。近距离空爆载荷作用下，高韧钢平板的主要变形模式为整体拉伸变形，而高韧钢加筋板结构的主要破坏模式为沿加筋部位的剪切破坏。随着载荷强度的增大，高韧钢加筋板结构呈现出3种不同的失效破坏模式；随着加筋高度的增大，面板沿加筋的局部剪切应力更大，高韧钢加筋板的抗爆性能反而会劣化。研究结果展示了高韧钢的抗爆优势，可为高韧钢在舰船防护结构中的潜在应用提供技术支撑。

天然岩体常含自由边界，对定向断裂爆破产生干扰。为探究自由边界对定向断裂爆破的影响，采用爆炸焦散线方法和高速摄影技术，研究了含自由边界时定向爆炸裂纹尖端的应力分布和扩展机理。自由边界的反射P/S波作用于定向爆炸裂纹，改变了裂尖应力分布，产生了“弧线形”裂纹扩展路径。定向爆炸裂纹扩展可分为3个阶段。(1) 反射波作用前：裂尖受爆生气体“气楔”作用，产生Ⅰ型断裂，并沿直线扩展。(2) 反射波作用时：反射P/S波均使裂尖受张拉-剪切作用，产生Ⅰ-Ⅱ复合型断裂，裂纹偏转趋向自由边界；在反射P波的作用下裂尖产生畸变焦散斑，裂尖应力由K场主导变为非K场主导，而在反射S波的作用下裂尖应力恢复为K场主导。(3) 反射波作用后：裂尖在惯性作用下恢复为Ⅰ型断裂，沿直线扩展。在明确反射P/S波对定向爆炸裂纹作用的基础上，推导了自由边界影响下定向断裂爆破炮孔间距的计算公式，可为精细化定向断裂爆破提供理论参考。

为探讨人造结石在不同条件下的力学性能，制备了不同配比（硬度、孔隙率、粉水比、蛋白含量）的牙科石膏试样（人造结石），对其开展准静态巴西劈裂试验，并利用$\varnothing$40 mm 分离式霍普金森压杆进行动态加载，结合高速相机、数字图像相关等测试方法观察试样在劈裂过程中的破坏过程以及应变场演化规律，获得应变时程曲线。试验结果表明：人造结石的准静态拉伸强度与硬度、粉水比成正比，与孔隙率成反比，而蛋白质含量对拉伸强度的影响不大，但会影响其韧脆性。在动态加载下，人造结石试样具有明显的应变率强化效应，拉伸强度动态增强因子与应变率对数之间呈线性增长关系。研究方法为人造结石的力学特性研究提供了一种有效的实验方法和分析手段。

明胶鸟弹在不同撞击速度下表现出不同的响应特性。为解决传统明胶鸟弹本构表征方法在不同速度范围内不能通用的问题，开展了330 g明胶鸟弹以70～190 m/s速度、60°或90°入射刚性铝合金平板试验，记录了冲击力数据及撞击形貌。结果表明，随着撞击速度的提高，鸟弹碎裂得更充分，碎块体积减小。利用LS-DYNA建立了自适应FEM-SPH（finite element method-smoothed particle hydrodynamics）鸟体模型。依据试验结果反演得到一组鸟体本构参数：切线模量为1.33 MPa，剪切模量为115.95 MPa，Murnaghan状态方程参数γ为10.49，k₀为69.77 MPa，体积模量为246.4 MPa，失效塑性应变为1.15，初始屈服应力为0.21 MPa。仿真结果与试验结果具有很好的一致性，冲击力峰值的相对误差在2%以内，冲量的相对误差在10%以内。自适应FEM-SPH鸟体模型具有比SPH模型和拉格朗日模型更高的精度。由自适应模型得到的Hugoniot压强与理论结果具有相同的变化趋势，滞止压强与理论值较接近。

为了研究不同长度及倾角的裂隙对岩石-混凝土组合体强度和破坏模式的影响，基于颗粒流模拟软件（PFC），通过对比预置裂隙试样的室内试验结果，选取最接近室内试验结果的一组数据标定细观参数，由此对含预置裂隙的岩石-混凝土组合体数值模型进行单轴压缩试验。结果表明：单裂隙岩石-混凝土组合体的承载能力和弹性模量随裂隙倾角的增大整体呈增大趋势，建立了不同裂隙长度和裂隙倾角的增量函数；裂隙长度对岩石-混凝土组合体力学特性的影响显著；岩石界面的应力状态和混凝土界面附近的约束效应决定裂纹能否扩展通过界面，根据裂纹的分布情况，分析发现裂纹萌生与扩展的根本原因是应力场的变化和转移，破坏过程中岩石-混凝土组合体的破坏模式由拉伸破坏逐渐转变成宏观剪切破坏，揭示了单裂隙岩石-混凝土组合体单轴压缩的损伤演化规律。

为研究不同围压条件下含不同长度单裂隙岩体的裂纹扩展特征和能量演化规律，基于室内三轴压缩试验结果标定细观参数，开展了PFC^2D颗粒流数值模拟试验。结果表明：拉伸裂纹先于剪切裂纹产生，两者呈指数增长，裂隙长度减小和围压增大使拉伸裂纹和剪切裂纹快速增长时间滞后；最终破坏时，随裂隙长度增加，拉伸裂纹和剪切裂纹减少。应力集中于裂隙两端，裂纹周围存在应力集中现象。相同围压下，裂隙长度增加，岩样破坏时块体数减少。岩体破坏本质为能量储存、耗散与释放的过程，在加载过程中，岩体能量转化被分为4个阶段。裂隙长度增加削弱岩样储存应变能的能力，总能量减少，围压增强岩样储存应变能的能力。岩样破坏时，耗散能大于应变能，随裂隙增长，耗散能减少。

融合多种生物材料内部结构的混合仿生结构设计是近年来兴起的一种材料强韧化设计新策略。采用碳纤维增强环氧树脂设计了一种由贝壳珍珠层“交错”结构和凤凰螺“交叉”结构融合而成的新型“交错-交叉”复合结构材料。实验和理论研究发现，珍珠层“交错”结构和凤凰螺“交叉”结构在内部载荷传递和应力分布调控方面存在显著差异，将两者进行简单混合将会导致局部应力集中，进而使材料性能劣化。通过优化该复合结构，提出了一种新型小角度连续纤维“交叉”叠层仿生结构，该结构能够优化材料内部的全场应力分布、抑制局部应力集中，形成延迟整体结构断裂失效的强韧化机制，有效解决材料性能的劣化问题。该研究结果有望为解决材料的强韧矛盾提供有益参考。

通过数值模拟研究了泡沫铝夹芯壳在重复冲击载荷作用下的变形和能量耗散机理，分析了曲率半径、前后面板厚度分配、芯层厚度和冲击能量梯度对结构抗重复冲击性能和能量吸收能力的影响规律。结果表明：在重复冲击载荷作用下，泡沫铝夹芯壳结构的变形不断累积，前面板局部弯曲变形，芯层局部压缩，后面板整体弯曲变形。随着冲击次数的增加，冲击力峰值逐渐增大，冲击持续时间缩短，结构能量吸收能力降低，整体抗弯刚度增大。每次冲击能量相同时，泡沫铝夹芯壳结构曲率越大，能量吸收能力越强，同时前、后面板5次重复冲击后的中点挠度大于曲率较小的夹芯壳结构。5次重复冲击载荷作用下，前面板厚度较大且后面板厚度较小时，结构的比吸能较低，但后面板中点挠度较小。泡沫铝芯层厚度越大，结构的后面板挠度越小，但总比吸能降低。3种不同梯度的冲击能量作用下，递增能量工况下结构的吸能最多，前、后面板的挠度较大，递减能量工况下结构的吸能最少，前、后面板的挠度较小。