近年来,在快速发展的兵器工业产品结构中,出现了一类特殊的复合材料,它一方面必需具备足够的强度和刚度以承受工作载荷,另一方面还必需能够在一定的触发条件下易于碎裂以实现某种功能。本文把具有此类工作机制的复合材料统称为“易碎复合材料”。像导弹发射筒盖等很多易碎复合材料结构传统上常常采用导爆索爆炸切割的方法来实现其瞬间碎裂功能。这种方法在确保结构按时碎裂方面十分可靠,但存在一定的缺点:其一是装机后的爆炸控制元件和火工品由于长期存放可能会失效;其二是爆炸时产生的冲击波可能会伤害结构内的电子元件。由此,寻找和开发适当的非爆炸碎裂方法正在成为兵器工业中易碎复合材料的研究热点。本文在查阅国内外相关文献的基础上,归纳出易碎复合材料的工作机制,设计出了若干种新型易碎复合材料及其结构,并对它们的材料和结构设计、制备工艺和相应的碎裂功能进行了较系统的研究。本文对短切玻纤/191树脂复合材料进行了拉伸强度试验,通过试验结果修正了短纤维复合材料的强度计算公式;结合易碎复合材料结构的受力特点和工作机制,本文建立了短纤维增强易碎复合材料的强度理论,为短纤维增强易碎复合材料结构强度设计提供了理论基础,并建立了针对短切玻纤/191树脂复合材料的试验资料数据库。作为一个应用实例,本文考察并借鉴鸡蛋可承受较大的均布压力的生物力学性能,根据所建立的短纤维增强易碎复合材料强度理论,从仿生学角度出发,设计并制备了一种短纤维增强191树脂易碎复合材料导流罩结构。通过对该结构试样的抗压性能和冲击性能模拟试验,证明所设计的仿生易碎复合材料导流罩能满足易碎复合材料工作机制的要求。本文受凤仙花种子苞荚弹射传播机理的启发,设计并制备了仿生易碎复合材料迫击炮弹壳,然后对其进行了性能模拟试验。抗压和冲击模拟试验结果表明,所设计的仿生易碎复合材料迫击炮弹壳可以在空中运行时抵抗所受到的空气阻力以保护壳体内的生化物质,而在冲击力的作用下,会有规律的断裂并弹开,有效的释放出生化活性物质。有限元数值仿真结果与试验结果基本吻合。本文利用单向连续纤维层板具有纵向抗拉强度高而横向易于被撕裂的特点,在制备好的单向层板上垂直于纤维方向预制了刻槽,然后将单向层板正交复合而制备成正交各向异性易碎复合材料层合板。文中对这种层合板作了承压试验与冲击试验,试验结果表明,所设计并制备的正交各向异性易碎复合材料层合板试样可承受一定的均布载荷,而在反向受到冲击力时,试样迅速沿着预制刻槽开裂,满足设计要求。本文借用Y.Estrin和A.V.Dyskin提出的拓扑互锁材料设计新概念,并参照中国古代智力玩具“鲁班锁”的思维,提出一种拓扑互锁易碎复合材料新型结构。作为应用实例,文中设计并制备了深海导弹潜射系统隔水罩的模型试件,并对试件进行了性能模拟试验。试验结果表明,所设计的新型拓扑互锁易碎复合材料隔水罩可以承受给定的均匀水压,满足其工作要求;当在反向受到一定的冲击力时,结构可完成触发碎裂的工作机制。本文从断裂力学理论出发,通过材料配方的设计使短纤维增强树脂复合材料沿厚度方向的断裂韧性值K_IC呈梯度变化,根据所推导出的材料配方制备出了K_IC梯度易碎复合材料板。采用落重冲击试验方法模拟K_IC梯度复合材料板受到撞击触发条件而破坏的情形,观察了破坏后的试样裂纹扩展情况,分析了试样的断口形貌和破坏模式。试验结果表明,所设计的K_IC梯度易碎复合材料板受到冲击等触发条件而破坏后,产生的裂纹在低K_IC层面内快速扩展;而沿着厚度方向,随着纤维含量的增大,K_IC值逐渐增大,纤维对裂纹起到有效地阻滞作用,使裂纹扩展缓慢,直至终止。本文的研究工作在以下几方面取得了新的进展:1.汇总了兵器工业及某些民用工业在近年发展和推出的一类材料结构的共同工作机制,首次提出“易碎复合材料”的概念。2.首次建立了短纤维易碎复合材料的强度理论,为其材料和结构设计提供了理论基础。3.首次从仿生学角度出发,根据种子苞荚弹射传播机理,设计并制备了连续纤维预应力弹射易碎复合材料迫击炮弹壳结构。4.首次根据拓扑互锁原理,提出并设计了一种新型易碎复合材料结构,丰富了易碎复合材料结构的非爆炸触发碎裂结构形式。5.首次利用材料配方设计并制备了一种可以控制裂纹扩展规律的短纤维增强树脂K_IC梯度复合材料。