三维角联锁机织复合材料具有较高层间剪切强度和冲击损伤容限,被广泛应用于工程领域。相比于其他损伤模式,分层破裂被认为是影响复合材料寿命最常见的失效模式。复合材料制备和使用过程中不可避免地会造成复合材料分层破坏,从而影响材料结构的完整性和耐久性。复合材料结构分层破坏研究对材料结构设计和安全应用具有重要意义。本课题研究三维角联锁机织复合材料的断裂韧性,揭示其断裂行为和增韧机制。采用双悬臂梁法对复合材料试件进行准静态Ⅰ型断裂韧性试验。建立细观结构模型,用有限元方法计算复合材料I型断裂模式并表征失效形态。分析初始裂纹长度对三维角联锁机织复合材料Ⅰ型断裂韧性的影响。实验测试结果和数值计算结果具有良好的一致性,通过有限元模型进一步发现三维机织复合材料的层间断裂机制。在本课题中,我们还测试了二维平纹机织复合材料和三维角联锁机织复合材料的Ⅰ型层间断裂韧性,阐释材料结构对断裂韧性的影响。摄影记录平纹和三维角联锁机织复合材料断裂过程,揭示增强结构对材料损伤演变的影响。我们发现三维角联锁机织复合材料比平纹机织复合材料具有更高的断裂韧性。三维角联锁机织复合材料的断裂韧性由各种破坏模式下的能量吸收机制决定,包括基质开裂、纱线桥接、纱线抽拔、界面脱黏以及二次裂纹的形成和扩展,而平纹机织复合材料的抗断裂韧性仅是由基体断裂韧性、界面分层及层内纤维桥接造成。通过载荷-位移曲线、应变能释放率和破坏形态分析三维角联锁机织复合材料的加载速率效应。结果表明,三维角联锁机织复合材料的Ⅰ型断裂韧性对加载速率有显著依赖性。通过分析材料在0.5~100mm/min加载速率范围内的载荷-位移曲线,发现随着加载速率的增加,裂纹扩展发生的临界载荷水平降低。通过观测断层切面图也证明三维角联锁机织复合材料在损伤形态上存在速率依赖性断裂响应,在结构设计时需要考虑该因素。本文建立细观结构有限元分析模型,探究三维角联锁机织复合材料的断裂行为,揭示预裂纹长度变化(7mm,9mm和11mm)对三维角联锁机织复合材料力学性质的影响。我们发现,随着预裂纹长度的增加,材料初始刚度、临界载荷和应变能释放率都逐渐降低。也即Ⅰ型断裂韧性具有预裂纹长度依赖性,预裂纹长度增加导致断裂韧性降低。三维角联锁机织物因存在厚度方向接结纱线限制裂纹扩展而提高应变能量释放率。从有限元分析得到Ⅰ型断裂过程中复合材料应力分布,发现较长的预裂纹长度会导致在裂纹尖端位置发生应力集中,从而造成裂纹进一步扩展。在较短的预裂纹长度下观察到应力扩散,裂纹扩展相对较慢较小。我们希望本研究能为耐层间损伤材料和结构的设计提供指导。