颗粒材料如砂土、粉末等在自然界和日常生活中随处可见,也是地球上除水以外使用最广泛的工程材料。颗粒材料的静态堆积行为、流变力学等已被广泛研究,力链、阻塞相变、振荡斑纹等奇异性质也陆续被发掘。相比之下,颗粒材料在冲击载荷下的微细观变形行为和破碎特性研究还颇为不足,这限制了诸多工程科学学科体系的圆满建立和发展,如土木工程、粉末技术(冶金、医药)、防护工程等；同时,一些世界瞩目的科学问题如月球表面成坑、地震、泥石流等也与其息息相关。颗粒材料是一个多尺度复杂体系,包括宏观尺度的颗粒堆积体,细观尺度的颗粒,以及微观尺度的晶粒和缺陷(如微裂纹、孔洞等)。本文从宏观细观微观三个尺度对颗粒材料冲击加载下的力学行为和颗粒破碎特性进行系统研究。模拟上,我们基于离散元方法构建了颗粒材料的多尺度模型并应用于冲击加载过程模拟,实际颗粒采用团簇来模拟,颗粒破碎即为解簇。通过选择合适的球体刚度、键接强度和局部阻尼水平,多尺度模型能半定量地模拟实际颗粒材料的冲击力学性能,如屈服应力、对数线性等。同时,我们探讨了两个重要的模型参数即局部阻尼系数和摩擦系数对多尺度模型冲击力学响应的影响。多尺度模型在解释实验现象背后的深层机理上发挥了重要作用。实验上,我们系统研究了多种颗粒材料(石英砂,SiC陶瓷粉末,玻璃珠,单晶糖颗粒等)在准静态和冲击压缩下的多尺度变形行为与颗粒破碎特性。首先利用材料试验机MTS810和分离式霍普金森压杆测量了颗粒材料在宽应变范围加载下的应力应变曲线。另外,利用激光粒度分析仪Mastersizer 2000对加载之后的样品进行粒度分析,并借助Einav破碎指标定量描述了颗粒破碎随应力、应变率、颗粒尺寸和级配等因素的演化过程。而为了全面分析颗粒材料微细观变形和颗粒破碎过程,我们将霍普金森压杆和超快原位X射线相衬成像技术相结合,利用高速摄影记录了颗粒材料的动态压缩过程,通过数字图像相关方法对相衬图像进行后处理得到了颗粒材料的动态应变场。微观尺度上,我们利用MTS结合高速摄影研究了准静态压缩下玻璃珠破碎强度的尺寸效应；利用同时X射线相衬成像和衍射研究了单晶硅的冲击压缩破碎过程,讨论了晶体变形和破碎模式的各向异性；利用气炮研究了高应变率一维应变加载下有机玻璃的冲击压缩破坏模式,通过测量冲击波后的变形场澄清了破坏波形成的微观物理机理。多尺度的实验测量和模拟结果使我们对颗粒材料在冲击载荷下的变形机理包括应变率效应、颗粒尺寸和级配效应,颗粒破碎模式以及冲击损伤破坏机理形成了全面而深入的认识。宏观应力应变曲线表明颗粒材料具有明显的应变率效应,即相同应变水平下冲击加载时材料内部应力要高于准静态加载时；而颗粒破碎分析显示相同应力水平下冲击加载时的颗粒破碎量低于准静态加载时,这解释了宏观压缩曲线的应变率效应,因为颗粒破碎是颗粒材料屈服后的主要变形模式。而离散元模拟揭示出冲击加载下单个颗粒破碎产生的碎片更多相应的摩擦耗散更大,这导致冲击加载时颗粒破碎的能量效率更低,进而使得颗粒破碎量也更低。这是颗粒材料应变率效应的根本原因。颗粒尺寸和级配对颗粒材料的影响可以归结到单个颗粒强度和颗粒配位数的竞争。颗粒最大尺寸相近的情况下,颗粒材料级配越好,颗粒破碎量越少,颗粒材料压缩变形和能量吸收也越小：颗粒级配相近,颗粒尺寸越大,颗粒破碎量越大,材料变形和和能量吸收也越多。颗粒材料在宏观上可视作均匀体,但其细观应变场却表现出极强的非均匀性,并且其统计分布与光弹方法测得的接触力统计分布形式相似,大应变区都遵循同样的指数衰减规律,说明颗粒材料细观变形不均匀性是颗粒间接触力不均匀传播导致的。而粒间摩擦会导致颗粒破碎的非单调增长现象,其本质原因是摩擦系数导致颗粒材料内部接触应力分布发生转变进而造成破碎模式的转变。准静态压缩下颗粒的破碎强度具有强烈分散性,但符合Weibull分布,而且不同尺寸颗粒的平均破碎强度符合Weibull尺度率。颗粒的冲击破坏模式与准静态下的截然不同,冲击加载下会有大量雁形裂纹沿着主裂纹的方向扩展,而且初始缺陷的随机成核、扩展和贯通会导致材料的灾难式破坏。此外,一维应变冲击压缩会诱导破坏波的产生,使材料发生粉碎性破坏,其微观机理是压缩诱导的拉伸和剪切变形集中。本文所采用的研究方法以及相关结论为构建颗粒材料的多尺度理论本构模型提供了素材和基础,同时为炸药热点形成机理研究这个国际难题提供了重要参考。