竹材具有优异的力学性能,因此被广泛的用作工程材料。然而,作为一种天然的各向异性非均质材料,其内部不可避免的存在弱界面、细胞间隙、纹孔等,这些薄弱层在受到外力的作用下会引发微小裂纹的产生,削弱竹材的强度,使得竹结构变得易于破坏。研究竹材受载荷后,这些薄弱层的变化及裂纹的演化规则,用断裂力学的理论和方法去分析竹材的断裂破坏行为,有助于提高竹材使用过程中的安全性和使用寿命,是扩大竹材在工程领域进一步应用的关键与基础。因此,本文以毛竹（Phyllostachys edulis）为研究对象,基于其细胞结构,首先研究了细胞比量对竹材Ⅰ型层间断裂韧性的影响,并利用原位扫描电镜（In situ SEM）在细胞水平上分析了竹材的内在强韧机制和外在强韧机制。然后分别从竹材的弯曲柔韧性和弱界面增韧的角度深入分析了竹材强韧机制与其细胞结构的关系。从弯曲柔韧性角度分析了影响韧性的主要细胞种类,并采用同步辐射显微断层扫描技术（μ-CT）原位观察了不同细胞的弯曲形变,分析了它们的弯曲机理。由于竹材中存在界面弱化增韧机制,因此使用SEM观察确定了层间断裂过程中,竹材细胞和亚细胞尺度的弱界面,然后采用纳米压痕和拉曼光谱技术定量表征了这些弱界面的力学性能和化学成分分布。最后,在了解了竹材细胞结构的基本韧性机制（内在强韧、外在强韧、弯曲柔韧性、弱界面增韧）后,讨论了水分这一典型外因对竹材断裂韧性的影响,并同样通过分析弯曲柔韧性以及断裂面（弱界面）的变化来分析水分对竹材韧性的影响机制。本论文主要得到了以下结论:（1）竹壁外部（竹青）的初始断裂韧性（裂纹起裂能量）和增长断裂韧性（裂纹扩展能量）最低,中间部分（竹肉）的增长断裂韧性最高。竹子的内在强韧机制与塑性变形区域的大小和裂纹路径的曲折程度有关,而塑性区的大小和裂纹的曲折都由薄壁细胞的含量决定。由于竹青的薄壁细胞含量最少,因此其初始断裂韧性最低。竹子的外在强韧机制与纤维桥联有关,纤维桥联效果与参与桥联的纤维长度和纤维数量有关。竹肉部分参与桥联的纤维更长且数量更多,因此,其增长断裂韧性最高。一般而言,内在强韧机制是竹子Ⅰ型层间断裂时的主要强韧机制,但是,当竹材很薄并且发生径向-纵向裂纹时,内在和外在强韧机制对其断裂韧性都非常重要。（2）弯曲竹青（高纤维细胞含量）所需的力一直大于弯曲竹黄（高薄壁细胞含量）所需的力,这是因为纤维细胞的密度比薄壁细胞更大。产生裂纹时（裂纹长度为0 mm）,竹青的弯曲位移更大,说明竹青弯曲柔韧性更好;裂纹在竹黄中的增长比在竹青中是在竹青中的4.0倍。竹青弯曲后呈拱形,而竹黄呈三角形,这是因为弯曲过程中,薄壁细胞横截面单位面积变化（-8.9%）远大于纤维细胞变化（-0.6%）所导致的。薄壁细胞主要是通过增加纵向和横向面积之比来吸收宏观上的弯曲变形。导管细胞通过在弯曲后细胞腔面积减少和细胞本身发生弯曲来承受试样宏观上的弯曲变形。纤维细胞则是通过弯曲单个纤维细胞以及细胞（或细胞壁）之间的滑移来吸收变形。（3）断裂面的观察表明,在细胞尺度上,导管细胞是最容易被破坏的,而纤维细胞是最不容易被破坏的。亚细胞尺度的弱界面有细胞的复合胞间层（CML）,细胞壁薄层和纹孔。这些区域的平均储能模量值:CML为13.7 GPa,纹孔为17.0 GPa,薄层为20.6 GPa,厚层为25.3 GPa。与细胞壁厚层相比,CML的纤维素含量最多降低了51%,薄层降低了41%。由于CML处的纤维素含量最低,因此是裂纹扩展时的首选亚细胞结构。纹孔的硬度低于相邻非纹孔区域的硬度。（4）水分增加了竹材的断裂韧性以及弯曲柔韧性。Ⅰ型层间断裂韧性的结果表明:竹材的初始韧性几乎不受水分的影响,约为520 J/m~2,但是其增长韧性随着湿度的增大呈线性增大,线性拟合的结果表明,湿度每增大1%,增长韧性增加7.6 J/m~2。此外,裂纹在湿样中传播速度更慢,因此,同样的裂纹长度时,湿样有更大的开口程度,断裂韧性更大。竹材弯曲柔韧性的结果表明,随着湿度的增加,竹材弯曲后裂纹产生得越来越晚且扩展得越来越慢。竹材吸湿以后,水分与细胞壁无定形区结合,使该区域发生润胀,细胞壁变软。此外,水分还会在细胞壁表面形成水层,减小壁层结合力,增大细胞壁松弛。因此,湿样的细胞壁可以通过吸收更大的变形和物质的重新排列来避免应力集中或裂纹扩展,最终导致了湿样竹材具有更好的弯曲柔韧性和断裂韧性。总的来说,生物质材料（骨头、木材、竹材）的断裂韧性随含水率的增加而增加,但是非生物质材料（石材、土壤、黏土）的断裂韧性随含水率的增加而减少。