聚合物电解质膜（PEM）是聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）的基本组成部分 [1,2]，主要功能是隔绝气体 [3] 和促进质子传递 [4,5]。然而，最常用的 PEM 类型全氟磺酸（PFSA）膜的耐久性长期以来一直是限制 PEMFC 商业化的主要因素 [8,9]。在燃料电池运行过程中，由于开路/怠速、动态负载以及汽车应用中典型的启动 - 关闭循环等复杂条件，PEM 会经历机械和化学退化 [10,11]。特别是，主要由相对湿度和压力波动驱动的膜机械退化 [10]，被广泛认为是导致燃料电池早期失效的首要原因 [11,12]。
迄今为止，已采用各种离位和原位方法来表征 PFSA 膜的机械性能和耐久性。评估机械耐久性最常用的原位方法是相对湿度（RH）循环测试 [13,14]。虽然 RH 循环能有效模拟 PEMFC 中的三轴应力环境（如图 1 所示），但由于膜内水分扩散和吸收的限制，每个周期通常需要几分钟 [15,16]。这使得整个测试过程极其耗时且成本高昂，尤其是在 PEMFC 中机械增强膜的开发和应用方面 [17]。因此，大量研究致力于开发各种离位测试方法来评估膜的机械性能 [7,8]。最常用的离位方法可分为三类，包括机械拉伸测试、使用动态力学分析仪（DMA）的机械疲劳测试以及基于气泡循环的双轴加载测试。机械拉伸测试可以提供不同温度和湿度条件下的静态单轴机械性能。然而，它们无法捕捉耐久性方面 [18,19]，并且无法清楚地解释与温度和湿度相关的观察到的趋势 [20]。相比之下，利用 DMA 进行的机械疲劳测试可以准确评估 PFSA 膜的寿命，更真实地模拟 PFSA 膜在实际运行条件下经历的交替应力，无论是在催化剂涂层膜（CCM）级别 [21] 还是在原始膜级别 [22,23]。
然而，需要注意的是，上述测试方法主要关注单轴应力，这并不能准确代表 PFSA 膜在运行期间经历的实际约束。在实际燃料电池运行中，PFSA 膜经常暴露于双轴甚至三轴应力中，如图 1 所示。最近，许多研究人员采用压力加载气泡测试来评估 PFSA 膜的双轴耐久性 [24,25] 和气体泄漏电阻 [26]，包括它们在原始膜级别 [27] 或膜电极组件（MEA）级别 [28,29] 下的温度和湿度循环行为。
以往的研究广泛调查了不同温度 [7,26]、湿度 [20,27]、压力 [17] 和时间尺度 [24,25] 下使用压力加载气泡测试的 PFSA 膜的双轴疲劳行为。然而，这些研究主要集中在表征双轴耐久性，尚未系统地建立将单轴机械性能与双轴和三轴耐久性联系起来的统一定量框架。
总之，本研究的主要目标是建立单轴机械性能、双轴耐久性和三轴耐久性之间的定量相关性。我们首先考察了不同温度和湿度条件下机械性能和双轴耐久性的趋势。同时，我们进一步引入了源自单轴机械性能（即弹性模量和拉伸强度）的应力因子（SF），作为一个关键的机械描述符，在单轴机械性能与双轴和三轴耐久性之间提供定量桥梁。随后采用分子动力学（MD）模拟进一步调查了相互作用力在机械性能和双轴耐久性变化中的作用。最后，使用具有不同机械性能的定制膜在受控条件下建立单轴机械性能、双轴耐久性和三轴耐久性之间的相关性。最终，这些相关性允许根据材料性能直接预测机械耐久性，为燃料电池膜材料的设计和寿命预测提供了高效的评估工具和理论基础。
