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中国科学技术大学在薄膜力学方面取得重要突破
2017-02-09 15:24:46 编辑:易小编 浏览次数:2570
据了解，欧拉屈曲是薄膜类弹性结构在临界受压载荷下丧失稳定性的一种主要模式，屈曲发生后薄膜产生复杂的面外几何非线性变形并与面内变形耦合，冯·卡门(Von Karman)于1910年提出著名的薄板大扰度理论成为该领域的奠基者。衬底上受限的薄膜结构广泛应用于各类器件与保护性涂层等结构。实验发现在屈曲的驱动下薄膜结构会进一步产生层间开裂，自发出现“电话线”形态的屈曲泡破坏结构。表征“电话线”屈曲泡的三维形貌精细结构一直是薄膜力学领域的一个挑战性问题。
近日，中国科学技术大学中科院材料力学行为与设计重点实验室研究团队倪勇教授、姜洪源教授、何陵辉教授与中国计量大学余森江副教授合作，通过理论、模拟与实验研究，解析了“电话线”屈曲泡三维形貌的普适特征。相关研究成果以“The shape of telephone cord blisters”为题在线发表在Nature Communications上(DOI: 10.1038/ncomms14138)。
理解“电话线”形态屈曲泡的形成机制与演化发展过程，对理解薄膜类结构与器件的细观失效力学并进一步指导提升薄膜结构的力学稳定性与寿命具有重要意义。研究团队前期通过对“电话线”屈曲泡结构的形成与生长形貌进行了大量的原子力显微镜表征(Yu et al, ActaMaterialia, 64, 41–53 (2014))和非线性力学分析模拟(Ni and Soh, ActaMaterialia, 69, 37–46 (2014))。
结合姜洪源教授发展的解析手段，研究团队进一步揭示了“直边形”屈曲泡二次失稳演化成“电话线”屈曲泡过程中的精细形貌结构变化。评审人认为“该文更完整刻画了电话线屈曲泡现象”(“This is a much more complete and coherent portrait of the telephone-cord phenomenon than we had before.”)。
此项研究不仅系统揭示了“电话线”破坏结构剖面线周期性变化的“蝶形”曲线特征，而且所发展的冯卡门板模型在曲线坐标系下的解析方法和数值模拟方法为研究薄膜结构更复杂的破坏力学行为提供了新的手段。
该工作得到了国家自然科学基金委优秀青年基金、青年千人计划、苏州纳米科技协同创新中心、中科院先导专项等经费的支持。
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