相比于硬材料,以弹性体和水凝胶为代表的软材料具有低模量、大变形、可拉伸的特点。同时,智能软材料还可以对多种刺激(如电场、温度、酸碱度、化学物质等)作出响应(如改变形状、改变透明度、溶胀或失水等)。软材料在柔性智能器件、软体机器人、医疗器械、可穿戴设备等领域发挥着不可替代的作用。软材料的应用离不开对其可靠性的研究。一般来说,软材料薄膜在与外界尖锐物体接触时容易发生穿刺破坏,从而失效。而软材料的断裂韧性描述了其抵抗裂纹扩展的能力,是软材料最重要的一个力学指标之一。在应用领域,绝大部分软材料的应用基于软材料与其他材料或器件的结合,这些结合的多样性使得软材料的新应用或新功能不断涌现。本论文以软材料为研究对象,从穿刺破坏、增韧机理以及应用三个方面对其进行了研究,主要研究内容为:(1)从实验和理论上探究了弹性体薄膜的穿刺破坏过程与机理,着重考虑了钢针和薄膜之间的的摩擦性能对于薄膜穿刺破坏的影响,并且提出了薄膜穿刺破坏的临界1I(右柯西-格林变形张量的第一不变量)准则。我们发现,钢针与薄膜之间的摩擦会极大地影响与钢针接触的薄膜的变形,从而影响薄膜的穿刺破坏。实验和理论分析均表明,钢针与薄膜之间的摩擦力越大,薄膜就越难发生穿刺破坏。当摩擦较大时,钢针会将针尖前端的薄膜顶出,在薄膜上留下一个圆孔;当摩擦较小时,钢针会在薄膜的穿刺部位留下一条裂缝。该工作对于揭示穿刺的力学机理,以及设计抗穿刺破坏的软材料薄膜与软体结构具有重要意义。(2)提出了弹性耗散体的概念,揭示了弹性能对软材料断裂韧性的贡献。通过实验剥离不同厚度的丙烯酰胺水凝胶,得到了剥离过程中的能量释放率G和水凝胶厚度h之间的关系,并基于此关系发展了推广Lake-Thomas模型。在经典的Lake-Thomas模型中,穿过裂纹面的单层分子链为弹性耗散体,其弹性能的释放贡献了材料的断裂韧性。在丙烯酰胺水凝胶的剥离过程中,裂纹扩展区中的材料为弹性耗散体,裂纹扩展所导致的弹性耗散体中的能量释放贡献了丙烯酰胺水凝胶的断裂韧性。利用弹性耗散体增韧机理可以设计具有高韧性、高疲劳断裂阈值和低滞回的软材料。(3)为了将水凝胶以涂层的形式和其他材料或器件相结合,以发挥水凝胶的优势,发展了一种全新的水凝胶涂层方法:水凝胶漆。水凝胶漆使得水凝胶涂层的形成更加简单、环保、安全、高效。水凝胶漆可兼容多种水凝胶,如润滑水凝胶、温度敏感水凝胶、酸碱度敏感水凝胶等,以及多种不同的基底,如金属、塑料、弹性体等,并且同时保证了水凝胶涂层和基底之间牢固的粘接。水凝胶涂层在新型医疗器械、智能柔性器件、软体机器人等领域发挥着重要的作用。(4)将介电高弹体驱动器(DEA)与二维光子晶体相结合,通过DEA的两种电驱动变形模式(面内扩张和面外变形),实现了对二维光子晶体结构色快速可逆的调控。面内扩张改变了二维光子晶体的晶格距离,而面外变形改变了光线在光子晶体中的衍射角度。建立了理论模型来描述DEA的面内变形对光子晶体结构色的调控作用,发现提高预拉伸以及降低DEA的驱动面积能够提高DEA的驱动伸长率能力,从而能够更大范围地调控光子晶体的结构。这种电响应型的二维光子晶体在柔性伪装皮肤、智能光学器件等领域具有一定的应用前景。