固体薄膜/液体膜/基底层状结构中液体膜/基底界面不平整性对结构稳定性影响

考虑液体层较薄的情况下液体膜/基底间界面不平整对结构的稳定性,特别是固体薄膜稳定时的褶皱变形产生的影响。用一扰动函数模拟液体膜/基底间界面的不平整,计算固体膜受力变形前后结构能量的变化,进而分析其稳定性。取两个扰动函数的特例,具体分析了液体膜/基底间界面不平整对结构能量变化以及对结构平衡态的影响。结果表明,平衡时固体膜褶皱变形与原来假设液体膜/基底间界面为理想平整面所得的结果有很大不同。     

双层薄膜与弹性梯度基底三层结构表面失稳分析

硬薄膜/软基底结构的表面失稳问题一直是柔性电子器件的难题,基于此,本文考虑了双层结构与弹性梯度基底间的界面剪切力,建立了双层薄膜/弹性梯度基底模型;利用位移协调条件,理论推导得到了双层薄膜/弹性梯度基底结构的临界应变和失稳波长的表达式并通过有限元仿真,验证了本研究解析解的有效性。在此基础上,应用此解析解进一步研究了弹性梯度基底的材料、双层薄膜结构厚度比等参数对临界应变和波长的影响。结果表明：减小器件层的厚度或者增加封装层的厚度,可以提高双层膜/弹性梯度基底结构的稳定性;当弹性梯度材料基底表面“较软”或器件层“较硬”时,器件层与基底界面的剪切力的影响较大,可以提升三层膜/基结构抵抗界面破坏的能力。本研究成果将为硬薄膜/弹性梯度基底结构的柔性电子器件的制备提供理论支撑。     

切应力协同下受热过冷层流液膜的破断特性

针对界面切应力协同下受热过冷层流液膜流动的破断过程, 建立了不同气液流向下的临界液膜厚度和最小润湿量的理论模型, 分析了不同驱动力作用下, 接触角、流体温度、界面切应力和壁面热流密度对液膜破断特性的影响. 研究表明: 临界液膜厚度和最小润湿量均随壁面热流密度的增加而增大; 重力驱动下的接触角影响在不同热流密度下有所不同, 流体温度在不同驱动力下对最小润湿量的影响截然相反; 同向切应力驱动下临界液膜厚度和最小润湿量随切应力增加而减小; 在重力和切应力协同驱动下, 同向切应力对最小润湿量的影响与重力和切应力所起作用的相对大小有关, 反向切应力使得临界液膜厚度和最小润湿量有所增大.      

水下多级微结构液气界面的稳定性和可恢复性研究

微结构表面浸没水下所形成的液气界面对减阻等应用具有重要意义.液气界面的稳定存在是结构功能表面发挥作用的前提. 因此,如何增强液气界面的稳定性以抵抗浸润转变过程, 以及在液气界面失稳之后,如何实现去浸润过程以提高液气界面的可恢复性能,均具有重要的科学研究意义和实际应用价值, 也是国内外研究关注的热点问题.本文针对具有多级微结构的固体表面,研究其在浸没水下后形成的液气界面的稳定性和可恢复性.通过激光扫描共聚焦显微镜对不同压强下液气界面的失稳过程和降压后的恢复过程进行原位观察,实验结果和基于最小自由能原理的理论分析相吻合.本文揭示了多级微结构抵抗浸润转变以及提高液气界面可恢复性能的机理:侧壁上的次级结构(纳米颗粒、多层翅片)通过增加液气界面在壁面的表观前进接触角增强了液气界面的稳定性;底面的次级结构(纳米颗粒和封闭式次级结构)可以维持纳米尺寸气核的存在,有利于水中溶解气体向微结构内扩散, 最终使液气界面恢复.本文的研究为通过设计多级微结构表面来获得具有较强稳定性和可恢复性的液气界面提供了思路.      

STABILITY OF ULTRATHIN LIQUID FILM EVOLUTION WITH SURFACTANT

针对固体基底上厚度小于100 nm的含活性剂超薄液膜演化过程, 基于润滑理论推导出包含分离压影响的液膜厚度和活性剂浓度的演化方程, 采用正则模态法导出了描述液膜线性稳定性的特征方程, 分析了多个特征参数对线性稳定性的影响, 数值模拟了液膜厚度和活性剂浓度演化历程, 对比了模拟所得非线性结果与线性分析预测结果的一致性.结果表明:范德华力具有促进扰动增长的作用, 较强的玻恩斥力促使扰动衰减, 使液膜趋于稳定;较小的毛细力数易使液膜凹陷处发生二次失稳, 并最终导致去润湿现象发生;液膜厚度和溶于液膜内部的活性剂浓度初值越大, 液膜稳定性越强, 液膜表面活性剂浓度影响则相反;增大吸附系数不利于液膜稳定性.     

水下多级微结构液气界面的稳定性和可恢复性研究

微结构表面浸没水下所形成的液气界面对减阻等应用具有重要意义.液气界面的稳定存在是结构功能表面发挥作用的前提.因此,如何增强液气界面的稳定性以抵抗浸润转变过程,以及在液气界面失稳之后,如何实现去浸润过程以提高液气界面的可恢复性能,均具有重要的科学研究意义和实际应用价值,也是国内外研究关注的热点问题.本文针对具有多级微结构的固体表面,研究其在浸没水下后形成的液气界面的稳定性和可恢复性.通过激光扫描共聚焦显微镜对不同压强下液气界面的失稳过程和降压后的恢复过程进行原位观察,实验结果和基于最小自由能原理的理论分析相吻合.本文揭示了多级微结构抵抗浸润转变以及提高液气界面可恢复性能的机理:侧壁上的次级结构(纳米颗粒、多层翅片)通过增加液气界面在壁面的表观前进接触角增强了液气界面的稳定性;底面的次级结构(纳米颗粒和封闭式次级结构)可以维持纳米尺寸气核的存在,有利于水中溶解气体向微结构内扩散,最终使液气界面恢复.本文的研究为通过设计多级微结构表面来获得具有较强稳定性和可恢复性的液气界面提供了思路.     

界面剪切力作用下波状液膜流的水动力稳定性

液膜流的水动力稳定性作为保障其高效传热传质性能的重要因素之一,受多种因素的制约和影响. 当气液界面处存在因气流流动而产生剪切力作用时,剪切力将通过改变界面处的边界条件,从而影响液膜流动的稳定性. 基于边界层理论,采用积分法建立了剪切力作用下降液膜表面波演化方程,分析了界面剪切力对水动力稳定性的影响. 研究表明,正向剪切力为不稳定性因素,反向剪切力在较小雷诺数时为不稳定因素,在大雷诺数时为稳定性因素;正向剪切力使临界波数和临界波速增大,反向剪切力使其减小;剪切力对临界波速的影响在不同雷诺数下也有所不同.      

含曲线型膜基界面的高分子基金属薄膜延展性能

柔性电子中联接电子元器件的互联金属导线多以附着在高分子基底上的薄膜形式存在。由于此类膜基体系在服役过程中需要承受相对较大的变形,如何改进高分子基金属薄膜的延展性能成为制约柔性电子技术发展的关键问题之一。以往的研究通过对高分子基底进行酸碱腐蚀、喷砂等表面糙化处理,虽然可以有效提高膜基结合性能,但却很少考虑基底表面糙化处理对提高膜基体系延展性能的影响。本文首先实验研究了在含糙化表面的聚酰亚胺基底上附着Cu膜的延展性能,结果表明,提高基底表面粗糙度能够显著降低Cu膜在拉伸条件下的裂纹密度。由于膜基体系表面裂纹的扩展与薄膜表面拉伸正应力分布相关,后者将直接影响薄膜的延展性,采用有限元方法模拟计算了基底表面糙化处理后,金属薄膜在拉伸状态下的应力分布。在计算模型中,膜基界面被处理成正弦曲线形式的理想化界面,并考虑了金属薄膜的外表面为平直状和曲线状两种情况。结果显示,曲线型界面可显著改变后一种情况下金属薄膜在拉伸状态下的表面正应力分布,从而达到抑制金属表面裂纹的扩展以及降低裂纹密度的作用。最后,采用内聚力模型模拟膜基界面,研究了在拉伸条件下曲线型界面的损伤分布情况。结果表明,相对于平直界面,曲线型界面不易发生如界面损伤和界面裂纹扩展的破坏,而且振幅波长比越大的曲线型界面越不容易发生破坏。     

磁场力及膜曲率对磁敏感薄膜-基底界面黏附性能的影响与调控

界面黏附和脱黏的可调控在攀爬装置、黏附开关、机械抓手等方面具有重要的应用需求. 针对磁敏感薄膜-基底界面, 开展了薄膜初始曲率及外加磁场对界面黏附性能影响机制的研究. 首先实验制备了具有初始曲率的磁敏感薄膜, 分别开展了具有初始曲率的磁敏感薄膜-基底界面撕脱实验及理论研究, 研究了薄膜初始曲率、弯曲刚度和外加磁场强度对界面黏附性能的影响规律. 实验和理论结果一致表明: 具有初始曲率的磁敏感薄膜-基底界面黏附力随薄膜初始曲率的增大而减小, 而外加磁场能够有效提高界面黏附力;相比于初始零曲率薄膜-基底界面稳态撕脱力与薄膜弯曲刚度无关, 薄膜弯曲刚度减弱了具有初始曲率薄膜-基底界面的稳态撕脱力. 进一步从能量角度分析了界面等效黏附性能, 揭示了薄膜弯曲能、磁场势能、界面黏附能的相互竞争机制. 最后, 基于本文的实验及理论结果, 提出了一种磁场和薄膜初始曲率协同调控的简易机械抓手, 可连续实现物体的拾取、搬运和释放功能. 本文结果不仅有助于理解多场调控的界面可逆黏附机制, 对界面黏附可控的功能器件设计亦提供了一种新方法.      

具有分形结构界面的固体膜/粘滞层/基底层状结构的变形

考虑固体膜/粘滞层/基底结构中粘滞层/基底界面不平整对结构的稳定性,特别是固体薄膜稳定时的褶皱变形产生的影响.考虑自仿射和峰状的粗糙界面.自仿射的粗糙界面由振幅和分形维表征,振幅和分形维越大对结构平衡的影响越大;峰状界面由振幅和平均峰间距表征,振幅越大对结构平衡影响越大,平均峰间距越小对结构平衡影响越大.进而,用有限元方法模拟分析该结构,得到界面平整和不平整两种情况下固体膜面内失稳力.结果表明,粘滞层/基底不平整情况下结构的平衡状态与假设该界面为理想平整面所得的结果有很大不同,在结构尺寸较小的情况下不可假设该界面为理想平整来考察该结构的稳定性.     

Effective and efficient characterization of lubrication flow over soft coatings

This work models the fluid-structure interactions associated with separating a solid from a soft elastic film in a liquid environment. One side of the soft film is permanently attached to a rigid substrate. The ensuing liquid flow and elastic deformations are derived by considering a system of partial differential equations, that govern the mechanics of the separation process. A finite element based computational scheme is developed to solve the governing equations and predict the resultant forces acting on the solid. It is shown that the resulting forces are influenced by the elasticity of the film for an initial duration and by the viscosity of the liquid at larger times. The proposed model is utilized to shed insights into the mechanics of the separation process in constrained-surface stereolithography process.

     

高温超导带材超导涂层局部脱黏后的电磁力学行为分析

高温超导带材因其高载流能力、低交流损耗等优点,在超导领域得到了广泛的关注,然而在带材的应用中出现的力学问题严重阻碍了其应用.基于此,本文分析了受外部磁场激励YBCO高温超导带材在超导层局部脱黏后的电磁力学响应.基于超导临界态Bean模型和弹性力学平面应变方法,给出了超导薄膜内正应力与基底界面处切应力相关联的控制方程,基...     

Indentation responses of piezoelectric films ideally bonded to an elastic substrate

The influences of elastic substrate on the indentation force, contact radius, electric potential and electric charge responses of piezoelectric film/substrate systems are investigated by the integral transform method. The film is assumed to be ideally bonded to the substrate and the contact interaction between the indenter and the film is assumed to be frictionless, with three kinds of axisymmetric insulating and conducting indenters (i.e., punch, cone and sphere) considered. Obtained results show that when the ratio of the contact radius to the film thickness is close to zero, the influences of the elastic substrate disappear and the indentation behaviors converge to the piezoelectric half space solutions while the indentation responses approach the corresponding ones of elastic half space as the ratio gets to infinity. The transition between the piezoelectric and the elastic half space indentation solutions for the film/substrate system is quantified in terms of the film thickness and the elasticity of the substrate. Finite element analysis on an insulating sphere indentation is conducted to verify the numerical calculations and good agreement is observed. The obtained results are believed to be useful for developing experimental techniques to extract the material properties of piezoelectric film/substrate systems.     

可记录光盘染料旋涂工艺的流动机制研究

染料旋涂是可记录光盘复制中的核心工艺，依据实验给出旋涂工艺的简化模型，并运用旋转圆盘理论分析流体流动，考虑基片上的预刻槽对流动的影响，考虑基片表面和流体间的滑移效应，导出运动方程、边界方程和连续方程，最终导出染料旋涂的控制方程。     

Buckling-induced dislocation emission in thin films on substrates

Atomistic simulations of the evolution of a strained thin film on a substrate has been reported and the formation of dislocations has been observed in the film/substrate interface after the film has buckled. In the framework of the linear elasticity theory, an analytical model has been developed to explain the buckle effect on the formation of the dislocations. A stability diagram with respect to the buckling and dislocation emission phenomena is finally presented for the film as a function of the uniaxial strain and the Burgers vector.     

Size-dependent elastic behavior of FGM ultra-thin films based on generalized refined theory

A generalized refined theory including surface effects is developed for functionally graded ultra-thin films with different surface properties. The classical generalized shear deformable theory is adopted to model the film bulk, while the bulk stresses along the surfaces of the bulk substrate are required to satisfy the surface balance equations of the continuum surface elasticity. As a result, the shape function also shows size-dependence on the film thickness. Since the film is non-homogeneous through the thickness, the state space method and approximate laminate model are employed to derive the variation of shape function through the thickness direction. A simply supported thin film in cylindrical bending is considered as an example to illustrate the application of the present theory. By comparing to the Kirchhoff plate theory including surface effects, the necessity of the present theory for FGM thin films is solidly validated. It is established that the present FGM thin films exhibit significant size-dependence when the thickness approaches to micro-scale. As the gradient index changes, the extent of size-dependence varies accordingly.     

Equilibrium Configurations of Epitaxially Strained Crystalline Films: Existence and Regularity Results

Strained epitaxial films grown on a relatively thick substrate are considered in the context of plane linear elasticity. The total free energy of the system is assumed to be the sum of the energy of the free surface of the film and the strain energy. Because of the lattice mismatch between film and substrate, flat configurations are in general energetically unfavorable and a corrugated or islanded morphology is the preferred growth mode of the strained film. After specifying the functional setup in which the existence problem can be properly framed, a study of the qualitative properties of the solutions is undertaken. New regularity results for volume-constrained local minimizers of the total free energy are established, leading, as a byproduct, to a rigorous proof of the zero-contact-angle condition between islands and wetting layers.     

非牛顿流体雾化力学机理研究

本文用稳定性分析和数值计算方法研究了粘弹性液体射流雾化的力学机理。结果表明,雾化液体的 Ohnesorge 数和 Deborah 数的增大均使波频 ω_i 降低,但前者使空间增长率 k_1上升,而后者的作用相反。本文发现,对于雾化液体应使其表面扰动波的波数大于某一确定波数,并尽量降低液体的 Deborah 数。