质子交换膜链结构演化对其非线性力学行为与失效机制的影响研究

质子交换膜(PEM)的机械降解严重影响PEM水电解槽耐久性。北京工业大学团队通过分子动力学(MD)模拟和拉伸实验，揭示了湿热环境下PEM链解缠结形成纳米微腔的失效机制，发现338K水浸环境应控制载荷≤4.16MPa以避免塑性变形，SEM证实6MPa载荷会引发凸起损伤。该研究为延长PEM寿命提供了重要理论依据。

　　

在清洁能源技术快速发展的今天，质子交换膜水电解槽(PEMWE)作为制氢核心装置备受关注。然而其"心脏部件"——质子交换膜(PEM)却面临着严峻的耐久性挑战。在长期运行过程中，质子交换膜容易在应力、溶胀等因素作用下产生裂纹、针孔等缺陷，导致气体渗透，严重影响设备寿命。更棘手的是，这些缺陷的演化过程往往发生在纳米尺度，传统实验手段难以捕捉。

北京工业大学机械与能源工程学院的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表的最新研究，创新性地将分子动力学(MD)模拟与实验表征相结合，首次系统揭示了质子交换膜在机械载荷作用下的链结构演化规律及其对失效行为的影响机制。

研究人员主要采用三项关键技术：分子动力学模拟构建Nafion聚合物晶胞模型，通过密度和溶胀率验证模型准确性；在不同湿热环境下进行拉伸试验，测试机械性能变化；利用扫描电镜(SEM)观察微观形貌演变。这些方法的有机结合，实现了从分子尺度到宏观尺度的多维度分析。

分子尺度揭示链结构演化
通过MD模拟发现，机械应力和湿热环境会诱导PEM分子链解缠结，形成纳米级微腔。在338K水浸环境中，当应变达到10%-20%时材料发生屈服，建议工作载荷不超过4.16MPa以避免塑性变形。

湿热环境影响机制
拉伸实验证实，温度和湿度升高会显著降低PEM的机械性能。特别值得注意的是，在65°C水浸环境中，材料的弹性区域明显缩小，表现出更早的屈服行为。

失效过程的微观证据
SEM观察首次捕捉到水浸PEM在6MPa载荷下产生的凸起损伤，随着载荷增加，这些损伤会进一步发展成微裂纹。虽然较高载荷可能提升电化学性能，但会加速材料失效。

工程应用指导价值
研究提出了PEM在湿热环境下的安全使用阈值：338K水浸环境中，建议将工作应力控制在4.16MPa以下。这一结论为PEMWE的优化设计提供了重要参考。

这项研究的创新之处在于首次建立了PEM链结构演化与宏观失效行为的内在联系，填补了该领域分子尺度研究的空白。研究团队提出的"载荷-温度-湿度"协同控制策略，为延长PEM寿命提供了新思路，对推动氢能装备的可靠性提升具有重要意义。特别是提出的4.16MPa临界应力阈值，可直接指导工程实践，显示出突出的应用价值。