化学腐蚀导致的固体开裂(chemo-induced solid fractures)
文一：
基于相场的电化学机械断裂框架: 含裂纹的电解质，化学反应和稳定
摘要：
我们提出了一个新的电化学-机械断裂建模的理论和计算框架。该模型将断裂的相场描述与电解质行为、表面化学反应和应力辅助扩散的完全耦合表征相结合。重要的是，提出了一种新的基于物理的公式来描述含电解质的相场裂纹，适当地捕捉了电化学传输和反应动力学对裂纹开口高度的敏感性。与其他现有方法不同，该方法可以准确地捕捉离散裂缝模拟的结果。通过将电化学-力学模型具体用于分析暴露于水性电解质的金属样品的氢脆，证明了该模型的潜力。有限元实现将电解质电势、相关离子物种的浓度、表面覆盖率、稀释物种的浓度，位移场和相场阶参数作为节点自由度。特别关注提高稳定性和效率，从而开发出避免不受约束的自由度的策略和消除数值振荡的集中积分方案。进行的数值实验展示了该模型对涉及自由流动和含裂纹电解质的系统进行无假设预测的能力。所获得的结果突出了电解质行为在推动裂化过程中的作用，证明了现有模型的局限性。
图：电化学-机械耦合系统概述，包括经历变形、氢吸收和裂解的金属，以及含有几种离子物质的电解质，其运动允许电流。
图：使用 l = 1mm，t = 200h 后的晶格氢浓度，从基于物理的分布式扩散和不同 Uext 的离散断裂模拟中获得
图：使用 l = 1mm，在 t = 200h 后的 pH 值，从基于物理的分布式扩散和不同 Uext 的离散断裂模拟中获得。PH 值只显示 φ > 0.01的位置
图：电解质驱动的裂纹扩展案例研究。t=240小时后晶格氢浓度的轮廓。使用基于物理的模型对两种相场长度尺度的选择获得的结果：（a）ℓ = 0.125 mm，和（b）ℓ = 0.25毫米。
文二：
化学机械内聚断裂的一致性框架及其在固态电池中的应用
摘要：
损伤和断裂不仅可以由机械载荷引起，还可以由固体内的化学相互作用引起。一方面，物种浓度可能使材料变脆或变硬，另一方面，机械状态增加了扩散的额外驱动力。我们提出了一种具有几个新特征的化学-机械耦合内聚骨折模型。它区分了模式相关的损伤进展及其对锂传输的影响。与模式相关的内聚区损伤相结合，该模型再现了锂在界面处的正常和切向传输行为。此外，它还处理了与浓度相关的裂纹萌生、各种软化行为以及循环损伤累积。证明了所提出的模型与上述特征的热力学一致性。该模型采用有限元方法进行了数值模拟。数值结果以及与相关实验数据的比较表明，该模型可用于研究锂离子电池中一般固体离子导体的扩散诱导断裂。特别地，给出了活性材料或固体电解质内部的晶间断裂以及活性材料和固体电解质之间的界面断裂的说明性数值结果。此外，还讨论了固体电解质如何影响主要的裂纹模式。目前的贡献适用于解决氢致开裂和湿度相关断裂的类似问题。
图：上图: 活性物质和固体电解质之间的 Intergranular fracture和界面分层的实验观察。底部: 机械响应和化学相互作用强耦合在一起。右: 粘结性断裂的浓度依赖性质。
图：化学-力学粘结断裂的不同物理耦合。
图：宏观尺度上的损伤演化与微观结构特征密切相关。左图: 一般弹性复合材料体和界面的结构以及不同类型的边界条件。中: 化学-机械耦合环境中的界面配置。右图: 断裂模式对物种通量的影响。
图：通过细化 AM 多晶内部的晶粒形态而产生的损伤模式。
文三：
非均质阴极中颗粒间和颗粒内断裂的化学力学模拟，多晶颗粒用于锂离子电池
摘要：
锂离子电池多晶颗粒阴极在电化学循环过程中复杂断裂模式的演变被发现是容量衰减的主要原因。颗粒的这种断裂涉及颗粒间和颗粒内的裂纹扩展，并且通常伴随着其从粘合剂上的剥离。到目前为止，对化学-机械环境下的这些断裂机制以及整体电化学反应缺乏全面的了解。在这种情况下，开发了一个热力学一致的多物理建模框架，以解释强耦合的化学机械环境和嵌入基体中的多晶阴极颗粒内任意断裂的演变。具体而言，引入了规则相场断裂变量，用于颗粒内颗粒间和颗粒内裂纹的萌生和扩展以及颗粒-基体界面的脱粘。采用两个附加的相场描述符，将晶界和粒子-基体界面表示为扩散状态。因此，晶粒的断裂能、晶界和颗粒-基体界面被适当地结合在数学框架内。采用基于有限元的数值格式，求解了三个状态变量的耦合控制方程：浓度、位移和相场损伤。进行了各种参数研究，以研究基体的晶粒度、电荷率和弹性模量对化学机械行为和断裂演化之间的相互作用的影响，以及最终它们对电化学响应的集体影响。最后，目前的发现为多晶阴极在电极水平上的机械降解的关键断裂机制的参与提供了预测性的见解。
图：表示嵌入在基体中的任意形状的多晶粒子的数学域。提供了颗粒间和颗粒内断裂以及颗粒-基质界面脱粘的说明。在 Γ 域上描述了扩散相场裂纹的放大图。
图：(左)几个组件的电池系统示意图。(右)嵌入在基体中的多晶阴极的放大图。单个颗粒的晶体取向用彩色条表示。
图：(a)独立的圆柱形颗粒，其界面在外表面上承受恒定的外向通量边界载荷。(b)具有扩散界面的粒子的四分之一域。(c)扩散界面的放大图像和有限元离散化。
图：(a)相场断裂参数 d，(b)归一化浓度 c，(c) von-Mises 应力 σvon/Λ 和(d)静水应力 σh/Λ 场在粘结剂基质中嵌入的多晶阴极粒子在2C 电荷率的锂离子脱层时的演化。标准化平均晶粒直径为 dg ∕ R = 0.5。
图：(a)正规浓度 c，(b) von-Mises 应力 σvon/Λ 和(c)2C 电荷率下锂离子脱层时多晶阴极颗粒的静水应力 σh/Λ 场的演化。所有参考的象形图都与在考虑材料各向异性和阴极粒子内部的断裂传播时所进行的模拟有关。
文四：
质子交换膜电解可持续制氢的电化学-机械诱导断裂模拟
摘要：
这项工作为预测质子交换膜-水电解（PEMWE）电池中由于电化学-机械耦合降解过程而导致的催化剂涂层膜（CCM）断裂提供了一个框架。催化剂层（CL）本体中的电解、氢质子通过膜（MEM）的扩散以及与多孔传输层（PTL）界面处的机械压缩产生影响催化剂降解的微裂纹。基于我们的实验观察，我们提出了一个新的理论公式和本构框架，以帮助理解和提供对所述多物理问题的可靠描述。CL体中裂纹形成的计算建模是通过基于尖锐裂纹不连续性正则化的连续相场公式以方便的方式实现的。通过两个具有代表性的边值问题，即PEMWE电池的设置和工作，展示了模型的性能。
图：PEM水电解槽：电解电池组的示意图描述，符合。电解池由涂有阴极和阳极催化剂层（CL）的膜（MEM）组成，该膜夹在两个多孔传输层（PTL）和带流道的双极板（BPP）之间。
图：(a)在 Leibniz Universität Hannover 作者实验室中使用的电池示意图; (b)1 a cm-2(红色)和3 a cm-2(蓝色)的高频电阻 RH F 对阴极压力 p c = 1 bar 的压缩水平的依赖性。
图：由于化学机械诱导的催化剂涂层膜断裂导致的相场演变。
文五：
基于微观力学的聚合物界面瞬态化学质量扩散化学-力学内聚模型
摘要：
本文提出了一个在化学-机械环境下聚合物界面的完全耦合热力学一致化学-机械内聚区模型。采用键链界面法描述了由化学反应程度和界面微观性质控制的宏观界面性能。考虑了键拉伸的能量学以及反应扩散机制与聚合物界面力学之间的耦合。内聚区模型是使用有限元软件ABAQUS通过UEL子程序实现的。将粘性单元的数值模拟与生物启发聚合物界面化学机械断裂的单搭接剪切实验直接进行比较。此外，通过一个包括化学扩散和压缩情况的特别数值例子，清楚地表明所提出的模型能够捕捉到剪切通量和应力驱动扩散的特征，验证了化学-机械界面理论的完整性。最后，进行了参数分析，以评估临界键拉伸、面链密度和化学反应速率对界面损伤演化和化学扩散速率的影响。该模型还考虑了强聚合物界面有效限制化学扩散穿过界面的现象。这项研究为研究聚合物界面的化学机械断裂提供了一种新的研究工具，在材料科学和工程中具有潜在的应用前景。
图：具有多个水平的聚合物界面的多尺度耦合化学-力学模型的说明: (a)由体积结构域和界面区域组成的宏观非均匀连续体，(b)界面的微观结构域，(c)其中红色椭球是扩散的化学物质的八链模型，和(d)键水平。
图：化学机械载荷作用下界面链网络的演化。
图：机械载荷和质量扩散引起的界面变形。浅红色阴影的矩形表示当前配置，浅绿色矩形表示原始配置，淡黄色矩形表示中间配置。
图：改进型单搭接剪切试验模拟的初始有限元模型及边界条件。在这里，矩形框 ABCD 表示用于分析的聚焦子区域。
图：纯化学边界下不同时间点的化学势等值线。请注意，黑线表示原始的几何形状。下图是 Volpe 等人(2019)报道的氧扩散和晶界。
