薄膜褶皱的宏观和微观机理与特性的研究

【摘要】：褶皱是薄膜的一种典型构形失稳模式。薄膜褶皱的产生及演化机制与尺度密切相关。不同尺度下的褶皱机理明显不同，对薄膜结构性能的调控作用也不相同。如高精度空间薄膜结构表面的宏观褶皱将影响结构形面精度，需要对其进行控制；而微纳米柔性薄膜器件表面的微观褶皱可以调谐器件的电学、光学及振动等性能，可对其进行利用。本论文围绕薄膜的宏观和微观褶皱机理及其扩展演化特性开展研究，对推进薄膜褶皱研究具有重要的理论意义，对薄膜结构宏观和微观性能调控具有重要的工程意义。 研究了宏观尺度薄膜的二次皱曲机理及特性。分析了薄膜后皱曲过程中的褶皱波构形突变特征，基于分叉理论，阐释了薄膜的二次皱曲机理，即同一皱曲临界载荷对应两种不同的皱曲模态，表现为褶皱波形的分裂，对应后皱曲平衡路径的跳变反转。基于薄膜二次皱曲特征及机理，提出了宏观尺度薄膜二次皱曲临界状态的判定方法。以矩形薄膜剪切皱曲分析为例，利用该判定方法获取了矩形薄膜剪切二次皱曲的临界载荷。在此基础上，引入对折痕的考虑，基于准静态比拟法，给出了一种考虑折痕的薄膜皱曲行为数值分析方法，分析了具有折痕薄膜的皱曲行为，探讨了折痕对薄膜褶皱及二次皱曲行为的影响。 进行了薄膜二次皱曲实验研究。提出了基于数字图像相关技术的薄膜二次皱曲特性实验测试方法，获取了薄膜二次皱曲的波形演化过程、二次皱曲区域及临界载荷，验证了薄膜二次皱曲判定方法的有效性。通过实验分析，明确了折痕对薄膜褶皱的扩展演化以及二次皱曲行为具有抑制作用。基于实验获取的褶皱应变，修正了褶皱幅值预报模型，提高了褶皱构形特征的预报精度。 分析了石墨烯褶皱的演化特性，探究了石墨烯的微观褶皱机理。提出了耦联因子的概念，建立了可同时考虑几何尺寸、手性及长细比的石墨烯弹性参数的多参耦联模型。将石墨烯等代为连续薄膜，采用宏观皱曲分析方法分析了石墨烯褶皱的构形特征，建立了宏观薄膜褶皱特征与石墨烯褶皱特征的相似关系。建立了基于三节点Timoshenko梁单元的石墨烯离散化等代分析模型，从微观组织结构特征出发阐释了石墨烯的微观褶皱机理，即为碳-碳化学键的扭转变形能诱导的离面弯曲变形。最后，比较分析了连续化和离散化等代方法在石墨烯褶皱分析中的适用性。 研究了褶皱构形对石墨烯振动特性的影响。采用连续化等代方法，获取了石墨烯褶皱构形特征，引入褶皱构形带来的质量和应变能变化，建立了具有褶皱石墨烯的振动特性分析模型，预报了具有褶皱石墨烯的振动频率。在此基础上，考虑了由缺陷和官能团引起的石墨烯构形变化特征，分析了不同构形变化特征对石墨烯振动特性的影响，获取了具有可变构形石墨烯的变频振动规律。 薄膜褶皱的宏观和微观机理与特性的研究为薄膜褶皱的调控提供依据，是基于褶皱工程的薄膜性能设计和控制的主要参考，为进一步研究薄膜褶皱的跨尺度关联性奠定理论基础。