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软物质薄膜在自然界中广泛存在,其表面的稳定性和高度有序的微纳米尺度表面形貌的形成是物理、力学、材料科学和微纳电子学等多学科共同关注的热点问题。本文通过线性稳定性分析,研究了单层液体薄膜覆盖均匀对称固体盖层薄膜所形成的“三明治”膜结构(Dutcher膜)在范德华力作用下的表面稳定性问题,探讨了通过施加初应变调控Dutcher膜表面失稳形成的具体形貌。为了模拟在薄膜失稳中的外场作用,本文采用ABAQUS软件对平版印刷自组装过程(LISA)中软物质薄膜在范德华力作用下的表面失稳和形貌形成进行了相应的数值模拟。
首先,建立了Dutcher膜在范德华力作用下失稳的二维理论分析模型,通过线性稳定性分析,得到膜表面波动的生长指数以及薄膜失稳临界波长的解析表达式,进一步讨论了Dutcher膜失稳临界波长与Dutcher膜液体层厚度、固体盖层厚度以及固体盖层的材料参数之间的定量关系。
接着,对给定初应变下的Dutcher膜稳定性问题进行理论分析。通过线性稳定性分析,得到了施加预应变下薄膜失稳的临界波长的解析表达式。进一步的讨论了临界波长与施加初应变之间的关系,发现对Dutcher膜固体盖层进行预拉伸可以使Dutcher膜失稳的临界波长增大从而抑制薄膜失稳,而对固体盖层进行预压缩却使Dutcher膜失稳的临界波长减小从而使得薄膜更易于失稳,表明了在Dutcher膜固体盖层上施加预应变能够调控Dutcher膜表面的失稳形貌。
然后,采用ABAQuS有限元软件对平版印刷自组装过程中(LISA)软物质薄膜表面失稳和形貌形成进行了相应的数值模拟,得到相应的薄膜失稳的范德华相互作用刚度以及薄膜失稳时的屈曲模态。通过不断改变薄膜的波长来进行大量数值仿真,得到薄膜波长与范德华相互作用刚度曲线图。
最后,在线性屈曲分析的基础上,采用弧长法对LISA过程中的薄膜失稳进行有限元非线性屈曲分析,得到了整个过程中薄膜上表面荷载与节点位移的关系曲线。同时,对引入不同大小初始缺陷对薄膜失稳的影响进行了分析。通过分析发现,引入初始缺陷越大,薄膜越容易失稳。