薄膜結(jié)構(gòu)在工業(yè)生產(chǎn)和尖端技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用,而翹曲現(xiàn)象在受壓薄膜中非常常見,因此深入研究薄膜結(jié)構(gòu)的翹曲發(fā)生和演化在工業(yè)生產(chǎn)和尖端科學(xué)研究中都有著非常重要的意義。一方面,我們需要抑制功能性薄膜材料發(fā)生翹曲以維護(hù)其有效周期;另一方面,可調(diào)控的薄膜結(jié)構(gòu)翹曲形貌在表面形貌調(diào)控、微流器件設(shè)計(jì)、柔性電子器件制造以及薄膜結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)測量中有著廣泛的應(yīng)用。本文主要通過Foppl-von Karman方程從理論上研究薄膜結(jié)構(gòu)翹曲的后屈曲失穩(wěn)模式和后屈曲形貌以及翹曲結(jié)構(gòu)受到薄膜裂紋的影響,另外輔以數(shù)值模擬手段驗(yàn)證理論分析結(jié)果。首先研究了頂部裂紋對(duì)于直條狀鼓包和電話線鼓包翹曲形貌的影響。我們通過總結(jié)文獻(xiàn)中關(guān)于頂部裂紋的工作來修正已有理論模型存在的問題,從而通過引入頂部裂紋導(dǎo)致的中面位移改進(jìn)了帶頂部裂紋的直條狀鼓包的理論結(jié)果。而后通過環(huán)狀鼓包近似方法將帶頂部裂紋的直條狀鼓包的結(jié)果推廣到了電話線鼓包中,從而研究了復(fù)雜周期頂部裂紋影響下的電話線鼓包形貌。然后給出了頂部裂紋和滑移邊界對(duì)于直條狀鼓包穩(wěn)定性的影響。頂部裂紋和低泊松比會(huì)使得直條狀鼓包有利于出現(xiàn)對(duì)稱的失穩(wěn)并形成鼓泡,而滑移邊界條件和高泊松比則更有利于直條狀鼓包出現(xiàn)反對(duì)稱失穩(wěn)并形成電話線鼓包。我們還建立了帶頂部裂紋的非線性模擬模型,所得結(jié)果很好地驗(yàn)證了線性穩(wěn)定性分析的結(jié)果。隨后通過坐標(biāo)變換方法和Koiter展開方法建立了直條狀鼓包失穩(wěn)后屈曲和電話線鼓包翹曲的改進(jìn)模型,其結(jié)果表明周期彎曲邊界不利于平板翹曲的發(fā)生。此外,我們還進(jìn)一步通過近似方法求解這個(gè)模型得到了直條狀鼓包失穩(wěn)后屈曲和簡單周期彎曲邊界情形的一階理論近似解,其中引入了應(yīng)力的影響并且可以給出直條狀鼓包失穩(wěn)后屈曲的總彈性能變化,但是這個(gè)結(jié)果存在無法描述脊部高度的變化,這可能是缺少高階項(xiàng)影響導(dǎo)致的。最后通過數(shù)值手段驗(yàn)證了改進(jìn)電話線鼓包模型的有效性。其中的一階數(shù)值解與一階理論近似解符合得很好,但是仍然無法描述脊部高度的變化。而改進(jìn)之后的二階數(shù)值解準(zhǔn)確描述脊部高度的變化并且和有限元模擬結(jié)果符合得很好,充分說明了改進(jìn)電話線鼓包模型的有效性。此外,彎曲邊界鼓包的彈性能在應(yīng)力稍大于Euler應(yīng)力而且顯著小于直條狀鼓包失穩(wěn)應(yīng)力時(shí)便會(huì)小于直邊情形。這個(gè)結(jié)果指出電話線鼓包可能不經(jīng)過直條狀鼓包失穩(wěn)而是直接由邊界失穩(wěn)形成。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：O484.2
【部分圖文】：

?第１章緒論???膜基底模量比＆／乂、無量綱界面能「／凡片／和薄膜中應(yīng)變＆的相圖［１６］。從屮??可以看到倍周期（ｐｅｒｉｏｄ－ｄｏｕｂｌｅ）裙皺、折痕（ｃｒｅａｓｅ）、疊痕（ｆｏｌｄｉｎｇ）和隆起??（ｒｉｄｇｉｎｇ）等的出現(xiàn)需要比較大的應(yīng)變?cè)趹?yīng)變比較小的時(shí)候，主要的失穩(wěn)模式??為褶皺（ｗｒｉｎｋｌｉｎｇ）和翹曲（ｂｕｃｋｌｅ－ｄｅｌａｍｉｎａｔｉｏｎ），這也是最為常見的兩種薄膜??結(jié)構(gòu)屈曲失穩(wěn)模式。不同的屈曲模式既可能單獨(dú)出現(xiàn)，也可能同時(shí)存在并且互相??轉(zhuǎn)化，比如褶皺誘導(dǎo)翹曲發(fā)生［１７－１９］、褶皺和疊痕共存［２０－２１］以及褶皺到折痕的??轉(zhuǎn)變［２２－２３］等等。不同屈曲模式的相互轉(zhuǎn)化對(duì)于調(diào)控表面形貌有著非常重要的意??義。通過改變薄膜結(jié)構(gòu)的力學(xué)性質(zhì)和幾何條件以及加入耦合擴(kuò)散來調(diào)控屈曲模式??的相互轉(zhuǎn)化從而實(shí)現(xiàn)薄膜結(jié)構(gòu)表面形貌的調(diào)控近年來一直是非線性力學(xué)和非平??衡物理的研宄熱點(diǎn)和重點(diǎn)［２４－２９］。此外，屈曲形貌也可以用來測量薄膜結(jié)構(gòu)的力??學(xué)性質(zhì)，包括薄膜的殘余應(yīng)力、彈性模量以及薄膜與基底之間的界面強(qiáng)度等??［３０－３３］〇??

隨著二維材料和生物材料等新材料的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，新材料的薄快速發(fā)展中。得益于新材料的特殊性質(zhì)，這些薄膜結(jié)構(gòu)往往可以具有化學(xué)性質(zhì)，為薄膜結(jié)構(gòu)拓展了許多新的應(yīng)用。由于二維材料厚度非非常理想的薄膜材料，由二維材料組成的薄膜結(jié)構(gòu)展現(xiàn)了非凡的４３］。研究發(fā)現(xiàn)二維材料薄膜結(jié)構(gòu)表面由于晶格錯(cuò)配產(chǎn)生的應(yīng)力，可能的超晶格結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變異質(zhì)結(jié)構(gòu)的能帶帶隙［３５－３８］。通過這一特通過應(yīng)力手段調(diào)控二維材料電子結(jié)構(gòu)的器件［３９－４０］，其中通過扭轉(zhuǎn)雙現(xiàn)超導(dǎo)的研宄引起了研宄者的廣泛關(guān)注和跟蹤研究［４１－４３］。生物膜（ｂ活體細(xì)菌構(gòu)成的薄膜，具有組織狀性質(zhì)并且可以提升細(xì)菌的耐藥性，會(huì)出現(xiàn)各種屈曲形貌［４４－４６］。生物膜結(jié)構(gòu)的研究一方面可以抑制有害，另一方面在廢物處理、植物保護(hù)和微生物燃料電池等方面有著重４９］�？偠灾S著新興材料的出現(xiàn)和發(fā)展，薄膜結(jié)構(gòu)的屈曲行為與交叉研宄方興未艾，諸多以往的屈曲研究結(jié)果被賦予了新的意義并且的應(yīng)用。??Ｍｏｄｅ?Ｉ?Ｍｏｄｅ?ＩＩ?Ｍｏｄｅ?ＩＩＩ??

圖１．５典型的翹曲斑圖結(jié)構(gòu)［５１－５８］
【相似文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2891226