受壓彈性薄膜基底結(jié)構(gòu)中的屈曲現(xiàn)象.pdf

1、薄膜基底結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于高科技領(lǐng)域。由于薄膜與基底的材料性質(zhì)存在差異，例如熱膨脹系數(shù)、晶格常數(shù)，在加工或使用時(shí)薄膜中會(huì)產(chǎn)生壓應(yīng)力。較大的壓應(yīng)力導(dǎo)致薄膜發(fā)生屈曲，屈曲有兩種常見的模態(tài)，包括表面起皺與翹曲。理解這些屈曲模態(tài)對(duì)于薄膜基底結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用有著重要意義。本文通過構(gòu)建一個(gè)統(tǒng)一的連續(xù)統(tǒng)模型并結(jié)合理論分析，研究了不同材料參數(shù)對(duì)薄膜基底結(jié)構(gòu)屈曲形貌演變的影響，主要工作可歸納如下:
　　發(fā)展了用于模擬薄膜基底結(jié)構(gòu)屈曲形貌的連續(xù)統(tǒng)模型。該

2、模型在能量最小化的框架下整合了內(nèi)聚區(qū)模型、馮卡門板理論以及格林函數(shù)方法，并利用梯度流動(dòng)力學(xué)演化方程數(shù)值求解。在一維受壓的情況下，該模型證實(shí)了前人給出的關(guān)于起皺以及起皺導(dǎo)致翹曲的臨界條件，并繪出了一維屈曲模態(tài)的相圖。揭示了隨著預(yù)應(yīng)變的增加，薄膜平衡形貌由起皺到翹曲共存再到翹曲鼓泡的動(dòng)力學(xué)演變過程。發(fā)現(xiàn)一維的翹曲鼓泡的高度和寬度滿足關(guān)于預(yù)應(yīng)變、界面斷裂韌性的一系列標(biāo)度律分析。在薄膜二維受壓的情況下，利用數(shù)值模擬給出屈曲的臨界條件，并繪出二維

3、的屈曲相圖。通過改變預(yù)應(yīng)變、彈性模量以及界面斷裂韌性模擬出了一系列豐富的屈曲平衡形貌。這些結(jié)果為將來通過控制材料參數(shù)來設(shè)計(jì)薄膜表面形態(tài)提供了重要思路。
　　探究材料參數(shù)對(duì)電話線鼓泡的平衡形態(tài)以及動(dòng)力學(xué)擴(kuò)展的影響。對(duì)于剛性基底上雙向受壓的薄膜，利用線性穩(wěn)定性分析研究了界面滑移對(duì)直邊形轉(zhuǎn)變成電話線鼓泡的影響，發(fā)現(xiàn)形成電話線鼓泡的臨界應(yīng)力以及波長隨著滑移程度的增大而增大，通過數(shù)值模擬進(jìn)一步證實(shí)了界面滑移的影響。對(duì)于彈性基底上薄膜雙向受壓

4、情況，通過改變相關(guān)參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)隨著薄膜基底模量比的增加，電話線屈曲鼓泡由曲折的向前擴(kuò)展模態(tài)逐漸過渡為直線的擴(kuò)展模態(tài)。隨著模量比的進(jìn)一步增加電話線鼓泡最后甚至消失，表明軟基底上電話線鼓泡不容易產(chǎn)生。此外還發(fā)現(xiàn)電話線屈曲在演化過程中會(huì)發(fā)生橫向擴(kuò)展，并伴隨著波長粗化。
　　考慮基底表面粗糙度對(duì)薄膜屈曲的影響。假定基底初始構(gòu)型滿足余弦函數(shù)形式且波長等于系統(tǒng)的本征波長，在薄膜一維受壓的情況下求得起皺平衡振幅的解析解，發(fā)現(xiàn)其隨