尺寸和加载次数对均匀软物质固体表面折痕失稳的影响

摘要

弹性的软物质材料在受压或者膨胀的情况下可能产生多种多样的弹性失稳，包括整体屈曲，表面的褶皱和折痕，弹跳突变等。传统意义上，由于这些失稳的出现就意味着机械失效，所以我们需要避免材料产生这样的失稳。但近些年通过控制这样的失稳机制并得到特殊的形貌来赋予材料特殊的功能已成为一种新的趋势。利用这些失稳可以可逆地来响应它们所处环境改变的特点设计出很多新的应用结构。例如，我们可以利用软物质材料在被压缩时它平滑的表面会突然形成折痕并且折痕能被清楚地观察到这一特殊的性质，来控制仿造化学品，控制酶的活性，以及材料表面的粘附性能等。
　　本课题重点关注软物质表面的折痕失稳，整个研究过程中我们结合实验和数值模拟来研究软物质材料在受压状态下的折痕失稳。实验中，通过自己设计的一个加载装置压缩设计的薄样品来测量折痕在平面应变条件下的形成和生长并且精确地测量形成折痕的临界应变，得到和非线性理论解高度吻合的应变。通过压缩不同尺寸下样品产生的折痕失稳来测量折痕之间的距离、深度和长度，可以定量的揭示尺寸对于它的影响并且获得了样品在多次加载情况下产生的折痕形式。
　　数值中，我们利用自由面的点扰动原理来模拟软物质材料在大变形情形下的折痕失稳。通过该理论我们清楚地分辨出了软物质材料在受压条件下产生的折痕失稳形貌且确认了产生失稳的临界条件。此外，我们利用在所建构型中模拟了很大范围的折痕扰动深度并建立了折痕深度和距离的尺寸法则，模拟数据和实验测得的数据高度吻合。此方法也为其他实验者在研究表面失稳，尤其是折痕失稳的时候提供了可行的实践路线。