质子交换膜(PEM)作为燃料电池的核心部件,起着传递质子和隔离反应气的作用,对提高燃料电池的耐久性至关重要。本文针对制约PEM机械耐久性的突出问题,研究了阳离子污染、温湿度变化、增强层、多轴应力等多个因素对PEM断裂和疲劳性能的影响,为开发和优化PEM提供了借鉴和指导。针对机械增强层(外部因素)的影响,采用J-R曲线法及EWF法定量研究了两种PEM的断裂性能。结果表明MD方向Nafion XL膜的裂纹扩展阻力最大,而Nafion 212膜的最小。当处于水环境中时,Nafion 212膜的裂纹扩展阻力明显降低,而Nafion XL膜几乎不受影响。这是由于机械增强层的存在降低了膜材料对湿度环境的敏感性,从而提高了机械增强PEM在湿度循环中的断裂性能。针对阳离子作用(内部因素)对PEM断裂性能的影响,对比了不同一价碱金属阳离子型PEM在空气和水中的断裂性能。发现阳离子污染和水环境都可以使裂纹扩展模式由韧性变为脆性断裂。使用有效交联密度理论可以解释这一现象:尽管在离子交换后离子间作用力增强,但离子型交联的数量也因此降低,从总体上减少了有效交联密度,从而降低了裂纹扩展阻力;而在水环境中,水的屏蔽作用通过降低离子型交联数量和强度而降低了整体有效交联密度。考察了不同温湿度环境对Nafion 212膜断裂性能的影响。并且基于GTN模型,借助有限元手段模拟了不同温湿度环境下的PEM的断裂过程,确定了模型物理参数随温湿度的变化规律。结果表明常温空气和水环境下试验和模拟数据拟合较好,表明该模型能够较好地描述PEM随温湿度环境的断裂破坏规律。研究了增强层对PEM膜疲劳裂纹扩展性能的影响。发现Nafion 212膜疲劳裂纹扩展速率受应力比等因素的影响,且与裂纹长度有关。而Nafion XL膜的疲劳裂纹扩展速率几乎保持恒定,但与初始裂纹长度和材料取向密切相关。Nafion XL膜在疲劳裂纹扩展过程中出现外部离聚物层裂纹扩展和离聚物与增强层之间界面剥离现象,两种作用相互平衡,这是导致差异的主要原因。为了模拟PEM在服役过程中真实的应力状态,采用面内双轴循环加载研究了Nafion 212膜的多轴疲劳裂纹扩展行为。比较了不同加载条件下直裂纹的疲劳裂纹扩展速率,阐明了横向应力对疲劳裂纹扩展速率影响的作用规律。从试验和理论分析角度,研究了单轴和双轴加载条件下斜裂纹的疲劳裂纹扩展速率和扩展路径,其中分叉和转弯的裂纹扩展路径与燃料电池真实失效后膜表面的裂纹形状吻合,澄清了操作工况下PEM裂纹形成的机制和机械驱动力。