薄膜/基底结构的表面失稳行为研究

论文摘要

薄膜/基底结构,在压缩载荷的作用下,由于薄膜和基底的力学相互作用,结构会出现不同的表面失稳行为。从传统地认为失稳是一种失效机制,到现在人们开始利用失稳来实现具有特殊声光电磁热性质的多功能表面,关于薄膜/基底结构的表面失稳行为研究经久不衰。随着微电子工业和薄膜技术的兴起,薄膜/基底结构广泛存在于工程技术领域,在柔性电子、薄膜度量、微纳米制造以及三维自组装等领域都有着广阔的应用前景。结构界面缺陷、结构几何形式、载荷作用形式都对薄膜/基底的屈曲失稳有直接影响,研究不同情况下薄膜/基底结构的表面失稳行为具有重要的理论指导意义。首先,针对具有理想界面的硬薄膜/软基底结构,对其褶皱失稳行为进行研究。建立薄膜基底结构受单轴压缩的模型,薄膜由von Kármán非线性弹性板理论描述,基底由只考虑拉压的Winkler地基模型描述。采用线性稳定性的分析方法,通过建立屈曲特征方程,进一步得到临界屈曲载荷和关键性的褶皱参数。建立薄膜/基底结构的总能量表达式,通过对能量求极小值,得到褶皱幅值演化方程。通过仿真分析对临界条件和幅值演化的理论预报进行数值验证并进行参数化分析。针对基底泊松比较小的情况,提出了更精确的临界失稳参数理论预报公式,并进行了数值验证。其次,以含预制分层的薄膜/基底结构为研究对象,对其分层特性进行研究。通过线性屈曲仿真分析,发现界面裂纹尺寸对于临界屈曲载荷以及初始失稳模式有显著影响,并区分出三种典型的失稳模式,分别是周期性的褶皱模式,局部性的屈曲-分层模式,以及混合模式。改变薄膜厚度以及模量比,进行参数化仿真,建立了区分三种失稳模式的相图。对于屈曲-分层模式,不考虑分层扩展,探究了模量比、薄膜厚度等结构材料参数对于分层幅值演化的影响规律。对于混合失稳模式,不考虑分层扩展,探究了褶皱与分层的耦合特征,发现分层的存在会提高褶皱出现的临界载荷,褶皱的出现会使得分层幅值演化路径出现二次分岔点。对于褶皱失稳模式,考虑分层扩展,探究褶皱演化机制,发现结构的临界屈曲点以及分层开始扩展的临界点把整个演化过程分为前屈曲阶段、褶皱失稳模式向分层失稳模式演化、以及分层扩展三个阶段。然后,对考虑界面微结构特征的薄膜/基底结构的表面失稳特性进行分析。采用立柱阵列这种微结构形式,探究了立柱宽度对于表面失稳形貌的影响。立柱在一定的宽度范围内,结构的失稳行为表现为沟槽处薄膜的屈曲-分层,失稳形貌为类正弦型。超过这一范围的立柱宽度,薄膜失稳形貌不具备周期性。对于类正弦失稳模式,提出了用弹性转动约束梁描述屈曲薄膜的概念并验证其可行性,提出了用转动约束刚度描述薄膜与微结构基底之间的界面相互作用,探讨了转动约束刚度的预报方法。最后,对在低速冲击载荷作用下的薄膜/基底结构的失稳行为进行分析。根据褶皱产生的原因及特点,提出了用于判断动态失稳临界条件的方法,并在10100s-1应变率范围内验证其可行性,定义应变率、临界冲击时间以及临界应力为动态失稳的临界参数。与静态加载相比,动态加载提高了薄膜的临界屈曲应力。在低速冲击载荷范围内探究应变率对于临界失稳条件的影响,并通过数据拟合提出经验公式并进行验证。探究了由于低速冲击加载结构产生的应力波幅值与应变率的关系,并基于应力波的传播和薄膜应力随时间变化的特点,研究了低速冲击载荷下褶皱的演化过程与机制。初始失稳模式的改变、屈曲模态的跃迁、以及褶皱的迁移是动态失稳演化区别于静态失稳的显著特点。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景和意义
•   1.2 国内外在该方向的研究现状及分析
•     1.2.1 薄膜/基底结构褶皱失稳研究
•     1.2.2 薄膜/基底结构分层特性分析
•     1.2.3 带微结构基底的膜基系统的失稳研究
•     1.2.4 轴向载荷作用下的动力屈曲研究
•   1.3 国内外文献综述的评述
•   1.4 本文主要的研究内容
• 第2章 薄膜/基底表面褶皱临界条件与幅值特征分析
•   2.1 引言
•   2.2 薄膜/基底结构临界屈曲载荷及特征失稳波长分析
•   2.3 薄膜/基底表面褶皱的幅值演化分析
•   2.4 薄膜/基底临界失稳参数及褶皱幅值演化的仿真验证
•     2.4.1 数值仿真模型的建立
•     2.4.2 薄膜/基底失稳参数的仿真验证
•     2.4.3 起皱的临界参数及褶皱幅值演化的参数化仿真
•   2.5 考虑薄膜基底界面的剪切力时对临界失稳参数的影响
•   2.6 本章小结
• 第3章 含界面预制裂纹的薄膜/基底分层特性分析
•   3.1 引言
•   3.2 含界面预制裂纹的薄膜/基底临界失稳特性分析
•     3.2.1 界面预制裂纹对临界失稳参数的影响
•     3.2.2 初始失稳模式的参数化分析及相图建立
•   3.3 含界面预制裂纹结构的后屈曲演化特性分析
•     3.3.1 屈曲-分层失稳模式的后屈曲仿真分析
•     3.3.2 褶皱与分层混合失稳模式的后屈曲仿真分析
•   3.4 考虑裂纹扩展的表面褶皱演化特性分析
•   3.5 本章小结
• 第4章 考虑界面微结构特征的薄膜/基底表面失稳特性分析
•   4.1 引言
•   4.2 界面处基底微结构对失稳形貌的影响
•   4.3 类正弦模式临界失稳的理论建模及界面参数预报
•   4.4 本章小结
• 第5章 薄膜/基底结构在低速冲击载荷作用下的失稳特性分析
•   5.1 引言
•   5.2 动态失稳临界条件的判定
•   5.3 应变率对动态失稳临界条件的影响
•   5.4 应变率对应力波传播特性的影响
•   5.5 低速冲击载荷下褶皱演化特性
•   5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 向书毅

导师: 王长国

关键词: 薄膜,基底结构,褶皱,分层,微结构,动态屈曲

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,工业通用技术及设备

单位: 哈尔滨工业大学

分类号: O484.5

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.004367

总页数: 86

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