【哈工大（深圳）宣】（理学院 文/图）日前，哈工大深圳校区理学院仲政教授团队提出了一个描述直流电作用下碳纤维增强复合材料力学性能劣化的非线性本构模型，相关研究成果以“Nonlinear constitutive model of CFRP composites under constant direct current: Combined effects of thermal damage and dielectric degradation”为题，在固体力学顶级期刊《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》上发表。

碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料以其卓越的强度重量比和出色的机械特性而闻名，广泛应用于汽车制造、航空航天、新能源等领域。由于碳纤维具有导电性，因而在电场环境中CFRP复合材料除了受到机械载荷作用之外，还会遭受电流的影响。相关研究表明，长时间暴露在电场环境中会导致CFRP复合材料的力学性能逐渐发生退化，影响其服役寿命。因此，研究在电流作用下材料性能的退化过程，对于确保CFRP复合材料在各种应用条件下的安全可靠具有重要意义。

仲政团队基于非平衡热力学构建了一个完整的连续介质力学基本理论框架，用于描述CFRP复合材料在电场环境中的不可逆损伤过程，填补了该领域的空白。如下图所示，CFRP复合材料内部的电化学降解机制主要分为两个类型：一是焦耳热引起的材料电热损伤，即基体退化和界面脱粘；二是电子跃迁或介电击穿引起的基体裂纹和分层。该模型采用特殊形式的Helmholtz自由能密度函数和能量耗散函数，成功推导出了控制热损伤和介电退化过程的演化方程。

CFRP复合材料在直流电作用下的不可逆损伤过程

团队通过将理论模型的预测结果与实验数据进行对比，验证了所建模型的准确性和合理性。据介绍，根据最小二乘法拟合得到模型中的关键参数，利用该模型预测了碳纤维-环氧树脂层压板的电阻率和弹性模量时间演化，并深入分析了材料导电过程中热损伤和介电降解的相互作用。此外，模型可用于预测不同碳纤维含量的CFRP复合材料在长期直流电作用下的力学性能演化，从而为电场环境下CFRP复合材料的可靠性设计提供理论指导。

理论模型与实验数据的对比分析

本文建立了描述CFRP复合材料电化学损伤的非线性本构模型，通过CFRP复合材料电阻率和弹性模量的实验数据证实了模型的合理性和准确性，分析了在长期低密度直流电流作用下材料热损伤和介电降解的协同机制。研究成果有助于更全面地理解和分析电场环境中CFRP复合材料力学性能的时间演化规律，从而为评估材料在长期服役中的稳定性和可靠性提供理论基础。

本文第一作者为理学院博士研究生宋浩然，通讯作者为理学院教授仲政。该研究得到了国家自然科学基金和深圳市战略性新兴产业发展扶持计划等项目的支持。（编辑 谢梁晖 审核 林坤）