軟物質(zhì)薄膜表面失穩(wěn)的有限元模擬和形貌分析.pdf

1、軟物質(zhì)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(xué)、材料科學(xué)和微納電子學(xué)等多學(xué)科共同關(guān)注的熱點(diǎn)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?qū)ΨQ固體蓋層薄膜所形成的“三明治”膜結(jié)構(gòu)(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(yīng)變調(diào)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(zhì)薄膜在范德華力作用下的表面失穩(wěn)和形貌形成進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)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(shù)以及薄膜失穩(wěn)臨界波長的解析表達(dá)式,進(jìn)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(shù)之間的定量關(guān)系。
　　 接著,對給定初應(yīng)變下的Dutcher膜穩(wěn)定性問題進(jìn)行理論分析。通過線性穩(wěn)定

3、性分析,得到了施加預(yù)應(yīng)變下薄膜失穩(wěn)的臨界波長的解析表達(dá)式。進(jìn)一步的討論了臨界波長與施加初應(yīng)變之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)對Dutcher膜固體蓋層進(jìn)行預(yù)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(jìn)行預(yù)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(yù)應(yīng)變能夠調(diào)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(zhì)薄膜表面失穩(wěn)和形貌形成進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)值模擬,得到相應(yīng)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(jìn)行大量數(shù)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(chǔ)上,采用弧長法對LISA過程中的薄膜失穩(wěn)進(jìn)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(diǎn)位移的關(guān)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(jìn)行了分析。通過分析發(fā)現(xiàn),引