在土木工程、微电子、能源装备等领域，工程材料长期处于高温、高湿、循环载荷等复杂环境中。微观缺陷悄然发展，最终引发构件开裂、结构失效。如何解析材料性能劣化的机理并预判其寿命，一直是固体力学领域的核心难题。

近日，由西南林业大学牵头，联合东南大学等单位共同完成的科研项目，围绕这一难题取得重要进展并荣获2025年云南省自然科学奖三等奖。项目团队系统研究了复杂环境下材料的蠕变、损伤与断裂行为，构建了一套多尺度力学理论与实验测试体系，为工程材料的可靠性设计、损伤防控与寿命预测提供了有力的理论支撑和技术路径。

获奖代表 盛冬发

从微观到宏观，破解“多尺度”难题

材料从微观损伤萌生到宏观结构破坏，跨越了原子、细观、宏观等多个尺度。传统的经验模型难以完整刻画材料全生命周期的力学响应。项目团队瞄准这一痛点，以秸塑复合材料、岩石、再生混凝土等脆性工程材料，以及MEMS微纳器件中的柔性薄膜材料为主要研究对象，坚持“理论建模数值模拟试验验证”一体化思路，系统开展多物理场耦合下的材料失效机理研究，突破了传统模型在损伤判据和跨尺度仿真上的技术瓶颈。

理论创新，让模型更“懂”材料

在理论层面，团队对经典的Burgers模型、西原模型进行了优化改进，将非线性损伤元件引入本构框架，构建了能完整描述材料“减速、等速、加速”全蠕变过程的六元件蠕变模型与改进西原模型。该模型能引入温度、湿度、应力等多因素耦合效应，弥补了传统模型无法表征材料加速蠕变阶段的短板。泥岩三轴蠕变试验验证表明，改进后模型与试验数据的相关系数可达0.96以上，拟合精度显著提升。

针对秸塑复合材料，科研人员通过多组蠕变试验，揭示了湿热耦合条件下纤维秸塑界面脱黏与基体蠕变的竞争机制，建立了基于时温应力等效原理的蠕变柔量预测方法，实现了对湿热环境中生物质复合材料长期变形行为的有效预测。面向再生混凝土，团队厘清了再生骨料取代率、纤维掺量和力学性能的内在关系，证实了混杂纤维能有效补偿再生骨料带来的强度衰减，为绿色建材的性能优化提供了理论依据。

技术突破，打通“跨尺度”仿真链路

针对微电子领域微纳器件的多场耦合失效问题，项目拓展了多尺度损伤理论的应用边界。面向MEMS谐振器、金属薄膜等柔性功能材料，团队建立了疲劳累积损伤模型，量化了微裂纹演化与谐振频率退化、电阻性能衰减之间的定量关联。通过创新融合分子动力学、连续介质损伤力学与有限元算法，搭建了FEMD跨尺度模拟框架，打通了从原子级位错演化、细观损伤累积到宏观构件失效的仿真链路，实现了微纳器件疲劳损伤的可视化与寿命评估，为微机电系统器件的可靠性优化设计开辟了新思路。

实验创新，让损伤“看得见、听得到”

实验技术的创新是理论模型落地的重要保障。项目团队自主开发了数字图像相关（DIC）与声发射（AE）联用的原位测试系统，并搭配扫描电镜（SEM）微观表征手段。这套系统既能捕捉试件表面的全场应变动态变化，同步采集损伤演化的声发射信号，又能观测微米尺度的界面和裂纹形态。它实现了从宏观变形到细观界面损伤的联合观测，成功揭示了秸塑复合材料界面松弛、再生混凝土纤维骨料界面微裂纹闭合等关键损伤机制，形成了“跨尺度黏弹本构模型+耦合场实验”的全新研究范式。

成果丰硕，应用前景广阔

项目依托国家生物质材料国际联合研究中心等高水平科研平台，组建了跨校联合创新中心，汇聚了力学、材料、土木等多学科研究力量。团队累计发表学术论文200余篇，其中SCI论文130余篇，研究成果被引用千余次，部分模型已被其他学者用于跨材料体系的二次开发，学术影响力持续扩大。

相关理论方法已在岩石边坡隧道稳定性评估、高层建筑火灾安全验算、生物质绿色建材耐久性分析、微纳器件寿命预测等场景中得到应用，有力服务了“双碳”目标下新材料产业的绿色转型。

从实验室走向工程实际

科研团队也客观指出，当前研究仍存在局限，实验室环境难以完全复刻工程现场随机多变的服役工况，跨尺度模拟运算效率、微米级早期损伤识别精度仍有提升空间。下一步，团队将继续拓展试验边界，完善多场耦合本构理论，推进产学研协同，推动理论成果进一步走向工程实际，为复杂环境下重大装备与工程结构的安全服役筑牢力学基础。（来源:宣传部/图文：柏顺文/初审：张凡/复审：冷瑾/终审：柏顺文）