【摘要】：附著在柔性基底上的納米材料,如納米梁、納米薄膜等通過力學(xué)或者電學(xué)作用可以發(fā)生失穩(wěn)屈曲并形成規(guī)則的波形。這一類結(jié)構(gòu)由于具有優(yōu)良的力學(xué)、電學(xué)性能及良好的變形協(xié)調(diào)能力,可以廣泛應(yīng)用于柔性電子器件、微/納機(jī)電系統(tǒng)(M/NEMS)等領(lǐng)域中。對此類波形結(jié)構(gòu)的屈曲行為進(jìn)行理論分析,并進(jìn)一步研究如何制造此類波形結(jié)構(gòu)并控制它們的形貌對于此類結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用具有重大意義。本文對納米梁在柔性基底上的失穩(wěn)屈曲行為進(jìn)行了一系列理論分析,不同于一般的宏觀結(jié)構(gòu),對于尺寸達(dá)到納米級別的結(jié)構(gòu),小尺度效應(yīng),包括表面效應(yīng)、非局部效應(yīng)等對結(jié)構(gòu)的彎曲、振動、屈曲等力學(xué)行為都具有不可忽略的影響。本文首先針對納米梁在柔性基底上的失穩(wěn)屈曲行為,綜合考慮了表面效應(yīng)理論和修正的偶應(yīng)力理論,建立了相關(guān)的理論分析模型,基于能量的方法得出了結(jié)構(gòu)屈曲形貌以及使得結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲的臨界荷載的相關(guān)理論解析表達(dá)式。接著根據(jù)所得到的理論解,進(jìn)行了相關(guān)數(shù)值計(jì)算分析,總結(jié)得出了納米梁在柔性基底上的屈曲形貌及臨界荷載與納米結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)、材料參數(shù)、小尺度效應(yīng)參數(shù)等因素之間的關(guān)系。然后,在考慮表面效應(yīng)的同時(shí),特別考慮了發(fā)生屈曲失穩(wěn)時(shí)的精確屈曲曲率解形式。采用牛頓迭代法求解分析了屈曲波長與預(yù)應(yīng)變的關(guān)系。另外,我們又選擇形狀記憶聚合物(SMP)作為基底。利用其形狀記憶效應(yīng),分析了時(shí)間和溫度對納米梁屈曲波長和波幅的影響,進(jìn)而分析了在SMP基底幫助下的納米梁屈曲控制方法。研究結(jié)果表明表面效應(yīng)參數(shù)以及修正的偶應(yīng)力理論參數(shù)都具有一定的尺寸相關(guān)性,對于較小較柔的納米梁,甚至可以影響結(jié)構(gòu)的屈曲模式;而考慮精確曲率解時(shí)發(fā)現(xiàn)屈曲波長與預(yù)應(yīng)變有很大的關(guān)系。本文研究結(jié)果可為控制或者預(yù)測此類結(jié)構(gòu)的屈曲行為提供一定的理論參考。
【圖文】：

承受較大的變形，所以這些電子器件不能夠隨意地變形，，并且也不能夠應(yīng)用于任意的曲面。此外，這類電子器件還具有一定的質(zhì)量和體積，攜帶起來并不方便。而柔性基底具有質(zhì)量輕，變形能力強(qiáng)，耐用性好，制作成本低等優(yōu)點(diǎn)，尤其是聚合物基底，有著良好的物理和化學(xué)性能，相比較于傳統(tǒng)的石英基和硅基，生物兼容性、電絕緣性和熱隔離性更佳，因此在電子、生物、光學(xué)、化學(xué)和醫(yī)療等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。常用的柔性基底材料有聚二甲基硅氧烷(Polydimethysiloxane, PDMS)、硅膠(Siliconerubber)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalat, PET)、聚氨酯-丙烯酸酯(Poly urethaneacrylate, PUA)、聚碳酸酯(Polycarbonate, PC)和 SU-8 膠等[1]。目前，已經(jīng)出現(xiàn)了將功能電子元件(Functional electronic component)和電子元件之間的導(dǎo)電體鋪設(shè)于柔性基底上的方法，并被運(yùn)用到了柔性電子器件中[2]。柔性電子器件以其柔性化、大面積和低成本的優(yōu)勢，在許多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，如柔性電子顯示器[3]、電子皮膚[4]、可延展俘能器[5]、薄膜太陽能電池[6]等。如圖 1-1 是由英特爾公司、Plastic Logic 公司和加拿大女王大學(xué)合力研制出的柔軟屏幕，在此基礎(chǔ)上，新一代的電腦將可能薄如紙張，可以隨意彎曲而不致破壞。

如圖1-2a 中的硅納米線(SiNWs)在 PDMS 基底上發(fā)生的是面內(nèi)屈曲，而 Khang 等人[14]對附著在 PDMS 基底表面的有序排列的單壁碳納米管，進(jìn)行的屈曲行為實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)碳納米管(CNTs)在相同的基底上會發(fā)生面外屈曲，如圖 1-2b 所示。其基本實(shí)驗(yàn)過程類似于圖 1-2a 中 Ryu 等人[13]針對硅納米線的試驗(yàn)方法。首先在石英基體上生成排列規(guī)則的單壁碳納米管，然后用化學(xué)方法將碳納米管與預(yù)拉伸的 PDMS 基底結(jié)合；釋放 PDMS 基底的預(yù)應(yīng)變，碳納米管將會發(fā)生垂直于基底的面外屈曲。Khang 的研究結(jié)果還表明，分子尺度材料的屈曲過程可以采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論進(jìn)行分析。Xiao等人[15]對上述實(shí)驗(yàn)中結(jié)構(gòu)的屈曲行為進(jìn)行了相應(yīng)的理論分析，其中基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論，對單壁、多壁碳納米管和碳納米管束的面外屈曲行為進(jìn)行了近似簡化，得到了屈曲波長、波幅和臨界屈曲應(yīng)變的相關(guān)理論形式解，另外還對并行排列的碳納米管之間的相互作用對屈曲行為的影響進(jìn)行了討論。Ryu 等人[16]基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的分析方法
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB383.1;O341

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前3條

1 葛良進(jìn);基于柔性襯底的微納結(jié)構(gòu)圖形復(fù)制技術(shù)及其應(yīng)用[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2012年

2 李明;碳納米結(jié)與柔性電子器件力學(xué)性能的數(shù)值分析[D];大連理工大學(xué);2012年

3 王炳雷;微結(jié)構(gòu)尺寸效應(yīng)研究及其應(yīng)用[D];山東大學(xué);2011年

本文編號：2622887