液体表面非均匀弹性薄膜失稳的力学研究

发布时间：2020-08-17 14:01

【摘要】：薄膜-基底结构广泛存在于自然界和工程领域中,对于这类结构表面失稳问题的研究有助于防止相关工程结构失效、拓展膜-基系统在现代科技中的应用及揭示自然界中膜-基复合结构表面形貌形成等。本文选取弹性薄膜-液体基底系统作为研究对象,对平面压缩载荷作用下带有缺陷的薄膜的失稳行为和形貌演化过程进行了系统的力学研究。首先,建立理论模型分析了非均匀薄膜失稳的初始屈曲载荷,并利用有限元方法模拟了非均匀弹性薄膜-液体基底系统的动态屈曲过程,重点讨论了薄膜缺陷部分的几何形状和材料属性对初始屈曲载荷和失稳形貌的影响。结果表明:缺陷部分的长度、位置和弹性模量对初始屈曲载荷均有重要影响,当弹性模量比小于和大于1时,缺陷部分长度的改变对薄膜失稳的初始屈曲载荷有着截然相反的影响结果;随着缺陷部分的位置向薄膜中心移动,初始屈曲载荷随之减小并逐渐趋于稳定;在一定范围内,随着弹性模量比的增加,薄膜失稳的初始屈曲载荷也随之增加。另外,上述缺陷参数的改变在非均匀薄膜的失稳形貌演化中也起着重要作用,当弹性模量比小于1时,整个失稳过程只在缺陷部分所处的位置产生局部失稳形貌,而缺陷部分的长度决定了形貌的对称性和反对称性;当弹性模量比大于1时,整个失稳过程会发生初始全局失稳和二次局部失稳,缺陷部分的长度会影响全局失稳形貌的幅值,而二次局部失稳形貌会在薄膜中距离缺陷部分较远的一端产生。其次,通过自制实验装置,实验研究了带有预制缺陷的聚酯薄膜在水表面的失稳行为,主要关注薄膜不同的缺陷参数对失稳形貌的影响。实验结果与数值模拟结果基本一致。最后,根据特殊表面形貌复制和硬膜-软基底系统表面失稳原理提出了制备具有毫-微米级失稳形貌特征表面的方法,同时结合表面喷涂纳米颗粒方法成功制备出了具有多级形貌的超疏水表面。实验结果发现:相比没有微形貌的样品表面,具有微形貌的正弦硅橡胶样品表面的疏水性能有显著提高,并且由于样品的正弦形貌使其表面形成的微形貌有所差异,从而在样品表面的不同位置得到了不同的疏水接触角。本文的研究工作可以为液体表面薄膜失稳形貌的优化设计提供指导,有助于更好地理解一些生物组织的形态现象,并为特定特殊形貌薄膜的制备提供途径。
【学位授予单位】：西南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.2
【图文】：

人体皮肤,牛奶,失稳,自然界

西南科技大学硕士研究生学位论文的作用使得软膜表面产生失稳。Huang 等[25]通过对软膜表析得到了薄膜的弹性模量。当然，这些存在于膜-基系统表生不利的影响，例如在一些传统工程结构中（如铁路、汽皱会导致结构破坏和失效，应避免其发生[26-27]。黄等[28]提法在压缩条件下抑制或者推迟了双层基底-薄膜的表面失稳与超弹性薄膜构成的膜-基系统中，上层薄膜可压缩至 46%。考虑到压缩和拉伸同等重要性，该方法也为延展性电子种新思路。因此，在研究过程中重要的是要理解薄膜起皱实际应用需要更可靠地控制和优化褶皱。

形貌,失稳,多级结构,表面

膜-基系统表面失稳在现代科技中的应用：(a)、(b)分别为多级结实验实现[16]；(c)表面褶皱的光子晶体结构[17]；(d)类蜂窝状透镜阵柔性电子；(f)材料性质测量[24]Application of surface instability of film-substrate sience and technology:(a)、(b) Numerical simulation[15] and extation[16] of multistage structures, respectively;(c) Photone of surface folds[17];(d) A honeycomb like lens array[19];(eelectrons;(f) Measurement of material properties[24]内外研究现状个世纪以来，科研工作者们在膜-基系统褶皱的产生和演化的科研成果。1998 年，Bowden 等[8]在 Nature 上发表了对基底上薄膜失稳形貌的报道。这一报道引起了很多学者对形貌的关注，并致力于解释膜-基系统表面失稳形貌的形

示意图,失稳,形貌演化,硬膜

二次方程；Audoly 等[41]研究了在平行于薄膜的面内单向压缩情况下，漂浮在液体基底上的二维弹性薄膜的屈曲行为，通过线性稳定性分析预测了在达到临界压缩量时弹性体从正弦褶皱屈曲向局部折叠屈曲转变的过程，得到了失稳形貌的非线性振幅方程并且和非线性弹性基底上杆的局部屈曲的经典问题进行了类比；Oshri 等[42]在理论上得到了液体表面有限长薄膜在褶皱状态周期性变形的精确解和在局部折叠状态的近似解，并且计算出了这两种状态转变时的临界约束，2/FL ，如图 1-3 所示；Brau 等[43]在 2013 年研究了硬膜分别在液体基底和弹性基底上的失稳过程，探讨了不同基底对薄膜从周期褶皱形貌向局部折叠形貌转变的影响，分析比对了两种系统下的物理和数学关系，从而得到了不同基底下薄膜失稳的初始波长和临界载荷值；Rivetti 等[44]对膜-基系统失稳中液体基底的强度和薄膜两端的位移加载的改变进行了整体的研究，计算出了膜-基系统平衡和稳定的解决方案，揭示了薄膜的二次分叉在局部折叠过程中所扮演的重要角色，分析了后屈曲的解决方案并阐明了局部折叠形貌形成机制，以及在文章最后得到了问题的近似解析解。

【相似文献】