软物质的力学性能及其失稳研究

发布时间：2020-07-25 19:48

【摘要】：软物质已与人们的日常生活息息相关,在人类的生产和技术上有着极为广泛的应用。在当今科学界,软物质已经成为物理学科中的一个新兴的前沿学科。控制软物质表面和界面的形貌和性质为许多工程应用提供了新的机会。折痕是软物质在自然状态和工程应用中被广泛观察到的失稳模式,此时光滑的表面会折叠成一个局部的尖端自接触区域,这种不稳定状态通常由机械加载或者膨胀引起。本文工作主要通过两部分进行探讨。第一部分研究双层水凝胶的膨胀失稳下形成表/界面折痕。第二部分研究双层水凝胶在压缩和膨胀下的表面屈曲失稳。在第一部分工作中,本论文通过对双层水凝胶的数值模拟和实验研究来探索表面和界面折痕之间的竞争机制。通过大量数值模拟,本论文发现双层水凝胶在膨胀下失稳的失稳模式主要由上下层的模量比和高度比决定的,双层水凝胶的界面折痕只能在适中的模量比和较大的高度比下才能发生。最终也通过实验验证了数值模拟结果的可靠性。在第二部分工作中,本论文结合线性理论、有限元模拟和实验对双层水凝胶的表面屈曲失稳进行研究。通过研究发现双层结构中上层薄膜的厚度会对表面失稳形貌产生影响。通过研究也发现对上层水凝胶施加一定量的预膨胀同样会对失稳后的表面形貌和临界失稳应变产生影响,最终整理结果得到一个相图能够有效的预测不同情况下失稳的形貌变化。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB301
【图文】：

对于软物质的表面形貌失稳而言，失稳的存在既有好的方面也有不好的方面。好的一方面在于，我们可以利用软物质在一定的载荷和刺激下容易形成表面形貌失稳这一特性，制备出独特的软物质表面形貌用来实现一些我们需要的材料性质，例如亲疏水性质、粘附性质等，这一方法广泛的应用于柔性电子、材料性能表征和生物医学工程等领域。另一方面，软物质的表面形貌失稳也会导致一些不好的问题，对于一些实际的软物质的结构或者产品，由于在复杂载荷下使用，可能形成一些无法控制和预测的复杂小形貌失稳，这些失稳往往会导致原本结构的破坏，从而致使其本身的功能失效[5]。1.1.3 软物质的应用软物质与人们的日常生活息息相关，在人类的生产和技术上有着极为广泛的应用。对软物质的进一步深入研究也将对生命科学、医学、食品、化学化工、材料、环境、工程等领域以及人们的日产生活产生广泛而深远的影响。在当今科学界，软物质已经成为物理学科中的一个新兴的前沿学科，也成为物理科学通向生命科学的桥梁。接下来将从几个具体的方面介绍软物质的应用。

往往需要在人体内植入一些可以相容，并且具备传感功在人体内的测量等功能，这些都是传统的传感器所不能达，柔性传感器顺应需求出现了并且得到了快速的发展。把单晶硅粘附在了柔性基底上，制备出了可以承受大面积 1.2 所示。Choi 等人则利用了软物质表面双向失稳的特承受较大变形的柔性电子器件，如图 1.3 所示[7-10]。材料力学性质的表征上也有着大量的应用，像很多纳米的力学性质是很难用传统的拉伸试验机来进行测量的，当可以利用软物质的表面失稳来对这些的材料进行测量。比们可以把薄膜粘附在软物质基底上，然后对整个系统施加超过失稳临界值后，薄膜就会发生屈曲失稳从而产生周期失稳的波长就可以反推出薄膜的弹性模量，这种利用软物量几纳米到几毫米的薄膜，弹性模量的测量范围可以 Mao 等人提出了一种基于软物质基底表面屈曲的方法，去测米纤维的力学性质，如图 1.4 所示，使用这种方法测量后

图1.3双向拉压变形的柔性电子器件Fig1.3Bi-directionaltensionanddeformationofflexibleelectronicdevices

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本文编号：2770285