軟物質薄膜表面失穩(wěn)的有限元模擬和形貌分析.pdf

1、軟物質薄膜在自然界中廣泛存在,其表面的穩(wěn)定性和高度有序的微納米尺度表面形貌的形成是物理、力學、材料科學和微納電子學等多學科共同關注的熱點問題。本文通過線性穩(wěn)定性分析,研究了單層液體薄膜覆蓋均勻對稱固體蓋層薄膜所形成的“三明治”膜結構(Dutcher膜)在范德華力作用下的表面穩(wěn)定性問題,探討了通過施加初應變調控Dutcher膜表面失穩(wěn)形成的具體形貌。為了模擬在薄膜失穩(wěn)中的外場作用,本文采用ABAQUS軟件對平版印刷自組裝過程(LISA)中

2、軟物質薄膜在范德華力作用下的表面失穩(wěn)和形貌形成進行了相應的數值模擬。
　　 首先,建立了Dutcher膜在范德華力作用下失穩(wěn)的二維理論分析模型,通過線性穩(wěn)定性分析,得到膜表面波動的生長指數以及薄膜失穩(wěn)臨界波長的解析表達式,進一步討論了Dutcher膜失穩(wěn)臨界波長與Dutcher膜液體層厚度、固體蓋層厚度以及固體蓋層的材料參數之間的定量關系。
　　 接著,對給定初應變下的Dutcher膜穩(wěn)定性問題進行理論分析。通過線性穩(wěn)定

3、性分析,得到了施加預應變下薄膜失穩(wěn)的臨界波長的解析表達式。進一步的討論了臨界波長與施加初應變之間的關系,發(fā)現對Dutcher膜固體蓋層進行預拉伸可以使Dutcher膜失穩(wěn)的臨界波長增大從而抑制薄膜失穩(wěn),而對固體蓋層進行預壓縮卻使Dutcher膜失穩(wěn)的臨界波長減小從而使得薄膜更易于失穩(wěn),表明了在Dutcher膜固體蓋層上施加預應變能夠調控Dutcher膜表面的失穩(wěn)形貌。
　　 然后,采用ABAQuS有限元軟件對平版印刷自組裝過程中

4、(LISA)軟物質薄膜表面失穩(wěn)和形貌形成進行了相應的數值模擬,得到相應的薄膜失穩(wěn)的范德華相互作用剛度以及薄膜失穩(wěn)時的屈曲模態(tài)。通過不斷改變薄膜的波長來進行大量數值仿真,得到薄膜波長與范德華相互作用剛度曲線圖。
　　 最后,在線性屈曲分析的基礎上,采用弧長法對LISA過程中的薄膜失穩(wěn)進行有限元非線性屈曲分析,得到了整個過程中薄膜上表面荷載與節(jié)點位移的關系曲線。同時,對引入不同大小初始缺陷對薄膜失穩(wěn)的影響進行了分析。通過分析發(fā)現,引