因其高的比刚度、比强度以及优良的抗疲劳性能等特性碳纤维增强树脂基复合材料在航空、航天、风能发电等领域有着广泛的应用前景。然而,由于层合板复合材料层间无增强相,在冲击载荷作用下复合材料结构极易发生快速的分层扩展。而在冲击载荷下,层间裂纹的传播速度可能高达200–500 m/s,这显然不再是断裂静力学的研究范畴。另一方面,分层损伤严重影响复合材料结构的完整性及降低其剩余强度。虽然,准静态下和动态下裂纹的扩展特性完全不同,但是由于缺少可靠的动态断裂实验方法,目前对冲击载荷下裂纹的动态扩展行为研究还不够深入。且尚没有普适的断裂扩展准则用于预测动态裂纹的运动方程。基于上述的工程设计需求和基础科学问题,本文以碳纤维层合板复合材料为研究对象,通过设计动态层间断裂实验,研究了层间裂纹的起始和扩展断裂特性。本文属于断裂动力学的研究范畴。本文通过对碳纤维/环氧树脂复合材料T700/MTM28-1进行准静态和动态层间断裂实验,分别研究了层间裂纹的起始断裂韧性的率相关性以及动、静态下裂纹的扩展特性。准静态下,利用静态实验机分别对双悬臂（Double cantilever beam,DCB）、单边缺口弯曲（End-noteched flexure,ENF）以及混合弯曲（Mixed-mode bending,MMB）试样进行加载,利用Irwin-Kies公式研究了I型、II型以及I/II复合型层间断裂韧性。准静态下的最大加载速率为8 mm/s。动态下,利用单轴双向电磁霍普金森杆技术对层间断裂试样进行动态加载,最大加载速率为30 m/s:通过拉伸-拉伸对称加载,在DCB试样中实现了纯I型裂纹的动态起始和扩展;通过对MMB试样进行拉伸-压缩非对称加载,实现了I/II型层间动态断裂,并采用实验-数值混合法确定动态层间断裂的起始和扩展断裂韧性。动态断裂实验除了需要确定动态加载位移之外,还需要确定裂纹的起始时间和裂纹的扩展历史。实验中,采用三种方法确定动态裂纹的起始时间:应变片法、断裂应变计以及高速摄像技术。其中,断裂应变计和高速摄像技术还被用来确定裂纹的扩展历史。通过在有限元ABAQUS/Explicit中的用户单元子程序（VUEL）建立改进的内聚力单元,然后利用该单元模拟了动态试验中的裂纹传播,最后通过动态J-积分和虚拟裂纹扩展等技术确定了动态断裂韧性。通过对改进内聚力单元参数（初始刚度、断裂过程区以及损伤分布函数）进行的合理选择,减小了数值震荡;并采用了三种数值方法（线性拟合法、线性插值法以及Hermite三次插值法）对离散的裂纹点进行插值以获得连续的裂纹扩展。本文得到的主要结论如下:（1）准静态加载下,由于桥联纤维的作用,其断裂韧性会随着裂纹的扩展而增加,表现出明显的R-曲线特性,但是R-曲线特性随着复合度的增加而逐渐减小,当断裂复合度大于0.5时,R-曲线特性基本消失。此外,试样厚度、裂纹长度等会影响R-曲线的发展（R-曲线并不是一个材料参数）。准静态下,加载速率对于I型、II型以及I/II型裂纹起始断裂韧性没有影响,其断裂复合准则可以用B-K准则进行描述,其中η=3.56。准静态下,I型层间断裂的R-曲线不随加载速率的变化而改变（裂纹速度小于0.06 m/s）。（2）在动态下,层间裂纹的起始断裂韧性表现出明显的正率相关性。这种率相关性归因于其微观断裂机制的改变:对于I型断裂,准静态下层间裂纹以碳纤维与基体之间的脱胶为主,存在少量的基体断裂;而动态下,层间断裂则以基体的断裂为主,纤维与基体之间的脱胶为辅。对于I/II型层间断裂,虽然本文采用的同轴非对称加载能够实现复合型断裂,但是这种试验方法会引入摩擦效应,导致实验结果不可靠。为了得到稳定的动态复合型层间断裂,本文提出了两种非同轴、非对称的加载形式,并利用数值模拟验证了这两种方法的可靠性。（3）利用电磁霍普金森杆的对称加载技术,在DCB试样中得到了纯I型的动态裂纹,裂纹速度的范围为50–250 m/s。在该速度范围内,裂纹速度与层间扩展断裂韧性不存在一一对应的函数关系。裂纹扩展的过程中,除了边界上施加的应力波,裂纹尖端可能由于能量的突然释放而产生应力波。因此,动态裂纹受外载（霍普金森杆中的应力波）以及运动裂纹尖端释放的弯曲波的影响:止裂前裂纹的平均速度有保持不变的趋势;在同一平均速度下,其扩展断裂韧性可能发生很大的变化;虽然裂纹的平均速度基本不变,其瞬时速度则受应力波的反复作用而一直发生变化。对内聚力单元的拉伸-分离（Traction-Separation,TS）曲线分析发现,动态扩展断裂韧性受裂纹速度和加载速率两个方面的影响,而不仅仅是裂纹速度的单值函数。（4）动态止裂韧性不是一个稳定的数值,更不是准静态起始断裂韧性,而是在一定的范围内变化。裂纹的止裂是一个动态的过程,受梁试样上弯矩以及挠曲速度分布（即弯曲波的传播）的影响。