近日，合肥工业大学赵昌方副教授与伊朗大不里士大学（University of Tabriz）的Hasan Biglari教授团队合作，在国际知名期刊Materials & Design（TOP期刊，JCR Q1）发表了题为“Multiscale XFEM-CZM simulation of crack propagation in silica/epoxy nanocomposites with interfacial contact effects”的研究论文。该论文构建了一套从纳米到宏观的多尺度数值框架，将代表性体积元（RVE）建模与扩展有限元法（XFEM）和内聚力模型（CZM）相结合，在同一个计算框架内比较了完美键合、摩擦滑动和渐进脱粘三种界面条件对二氧化硅/环氧树脂纳米复合材料裂纹萌生与扩展的影响，并揭示了纳米颗粒团聚体形态对断裂韧性的调控机制。

图1  包含微观-细观-宏观的多尺度建模过程示意图。

聚合物纳米复合材料因其优异的比刚度、比强度和断裂韧性，在结构胶粘剂、防护涂层及承载部件中具有广泛应用前景。然而，纳米颗粒的弥散质量、界面结合强度以及颗粒团聚行为对断裂行为的影响极为复杂，传统单尺度模型往往难以同时捕捉基质开裂与界面脱粘的竞争机制。

对此，该国际研究团队提出了一个多尺度XFEM-CZM框架。在微观尺度，构建了包含单个增强体和多个增强体RVE两类模型，讨论了应力集中、裂纹偏转及能量耗散机制；在细观尺度，建立了非均质域，嵌入随机分布的二氧化硅颗粒，捕捉了裂纹-颗粒相互作用的整体性力学响应；在宏观尺度，基于Eshelby-Mori-Tanaka均匀化方案获取了等效弹性模量、拉伸强度和断裂能，并通过改进模型考虑了界面粘附效应。关键发现如下：

①界面结合质量是断裂抗力的首要决定因素。

②增强体形态对断裂能的影响呈现竞争机制。

③摩擦和CZM界面可延长后效段的变形能力。

④宏观均匀化预测与多尺度模拟结果基本一致。

该研究表明，提高纳米颗粒含量并非是提升断裂韧性的有效途径，强化界面的粘附能力才是核心。未来的研究应聚焦于通过化学功能化、硅烷偶联处理或可控颗粒拓扑设计来优化界面性能，从而激活裂纹偏转、渐进脱粘和裂纹尖端钝化等增韧机制。此外，关于纳米复合材料动态、湿热、老化、粘弹性等因素下的裂纹扩展行为仍需进一步研究。

该论文中，大不里士大学的Ghadir Ahmadi Jeyed博士生为第一作者、Hasan Biglari教授为通讯作者、Tajbakhsh Navid Chakherlou教授为共同作者，合肥工业大学赵昌方副教授为共同作者（系Ghadir Ahmadi Jeyed博士生的共同指导老师）。

文章标题：Multiscale XFEM-CZM simulation of crack propagation in silica/epoxy nanocomposites with interfacial contact effects

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.matdes.2026.116940