纳米结构在柔性基底上的屈曲行为分析

发布时间：2020-04-11 00:13

【摘要】：附着在柔性基底上的纳米材料,如纳米梁、纳米薄膜等通过力学或者电学作用可以发生失稳屈曲并形成规则的波形。这一类结构由于具有优良的力学、电学性能及良好的变形协调能力,可以广泛应用于柔性电子器件、微/纳机电系统(M/NEMS)等领域中。对此类波形结构的屈曲行为进行理论分析,并进一步研究如何制造此类波形结构并控制它们的形貌对于此类结构的实际应用具有重大意义。本文对纳米梁在柔性基底上的失稳屈曲行为进行了一系列理论分析,不同于一般的宏观结构,对于尺寸达到纳米级别的结构,小尺度效应,包括表面效应、非局部效应等对结构的弯曲、振动、屈曲等力学行为都具有不可忽略的影响。本文首先针对纳米梁在柔性基底上的失稳屈曲行为,综合考虑了表面效应理论和修正的偶应力理论,建立了相关的理论分析模型,基于能量的方法得出了结构屈曲形貌以及使得结构发生屈曲的临界荷载的相关理论解析表达式。接着根据所得到的理论解,进行了相关数值计算分析,总结得出了纳米梁在柔性基底上的屈曲形貌及临界荷载与纳米结构的几何参数、材料参数、小尺度效应参数等因素之间的关系。然后,在考虑表面效应的同时,特别考虑了发生屈曲失稳时的精确屈曲曲率解形式。采用牛顿迭代法求解分析了屈曲波长与预应变的关系。另外,我们又选择形状记忆聚合物(SMP)作为基底。利用其形状记忆效应,分析了时间和温度对纳米梁屈曲波长和波幅的影响,进而分析了在SMP基底帮助下的纳米梁屈曲控制方法。研究结果表明表面效应参数以及修正的偶应力理论参数都具有一定的尺寸相关性,对于较小较柔的纳米梁,甚至可以影响结构的屈曲模式;而考虑精确曲率解时发现屈曲波长与预应变有很大的关系。本文研究结果可为控制或者预测此类结构的屈曲行为提供一定的理论参考。
【图文】：

电子显示器,柔性

承受较大的变形，所以这些电子器件不能够随意地变形，，并且也不能够应用于任意的曲面。此外，这类电子器件还具有一定的质量和体积，携带起来并不方便。而柔性基底具有质量轻，变形能力强，耐用性好，制作成本低等优点，尤其是聚合物基底，有着良好的物理和化学性能，相比较于传统的石英基和硅基，生物兼容性、电绝缘性和热隔离性更佳，因此在电子、生物、光学、化学和医疗等领域被广泛应用。常用的柔性基底材料有聚二甲基硅氧烷(Polydimethysiloxane, PDMS)、硅胶(Siliconerubber)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalat, PET)、聚氨酯-丙烯酸酯(Poly urethaneacrylate, PUA)、聚碳酸酯(Polycarbonate, PC)和 SU-8 胶等[1]。目前，已经出现了将功能电子元件(Functional electronic component)和电子元件之间的导电体铺设于柔性基底上的方法，并被运用到了柔性电子器件中[2]。柔性电子器件以其柔性化、大面积和低成本的优势，在许多领域具有广泛的应用前景，如柔性电子显示器[3]、电子皮肤[4]、可延展俘能器[5]、薄膜太阳能电池[6]等。如图 1-1 是由英特尔公司、Plastic Logic 公司和加拿大女王大学合力研制出的柔软屏幕，在此基础上，新一代的电脑将可能薄如纸张，可以随意弯曲而不致破坏。

柔性基底,纳米,屈曲行为

如图1-2a 中的硅纳米线(SiNWs)在 PDMS 基底上发生的是面内屈曲，而 Khang 等人[14]对附着在 PDMS 基底表面的有序排列的单壁碳纳米管，进行的屈曲行为实验研究发现碳纳米管(CNTs)在相同的基底上会发生面外屈曲，如图 1-2b 所示。其基本实验过程类似于图 1-2a 中 Ryu 等人[13]针对硅纳米线的试验方法。首先在石英基体上生成排列规则的单壁碳纳米管，然后用化学方法将碳纳米管与预拉伸的 PDMS 基底结合；释放 PDMS 基底的预应变，碳纳米管将会发生垂直于基底的面外屈曲。Khang 的研究结果还表明，分子尺度材料的屈曲过程可以采用连续介质力学理论进行分析。Xiao等人[15]对上述实验中结构的屈曲行为进行了相应的理论分析，其中基于连续介质力学理论，对单壁、多壁碳纳米管和碳纳米管束的面外屈曲行为进行了近似简化，得到了屈曲波长、波幅和临界屈曲应变的相关理论形式解，另外还对并行排列的碳纳米管之间的相互作用对屈曲行为的影响进行了讨论。Ryu 等人[16]基于连续介质力学的分析方法
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.1;O341

【参考文献】