软弹性体表面刚性薄膜起皱的计算机模拟研究

摘要

刚性薄膜粘附在柔性基底上时，其在基底内部应力释放的过程中会发生起皱现象，起皱机制在柔性电子元件、光学器件、微/纳制造、薄膜度量等方面具有潜在应用价值。目前，人们对起皱动力学的研究很少。在本文研究工作中，我们建立了一种简单的粗粒化分子动力学模型，针对柔性基底拉伸并与刚性薄膜粘附后发生的起皱机理和动力学进行了系统研究。
　　起皱模型包含刚性薄膜和柔性基底两部分，刚性薄膜由单层粗粒化粒子构成，薄膜与基底之间的吸附作用采用非成键 Lennard-Jones作用势。材料弹性模量和泊松比的变化通过调节各部分成键作用和非键作用参数实现；界面作用强度的变化通过调节LJ作用势的势阱深度实现。在本文中我们建立了两种具有不同泊松比的基底，并系统研究了薄膜模量、基底拉伸率、基底厚度以及界面作用强度对起皱的影响。
　　研究结果表明起皱过程主要分为三个阶段：潜伏期、快速增长期和动态平衡期。在潜伏期，模拟体系尺寸缓慢变化，平均振幅缓慢上升且增长指数为0.25，在此阶段无明显的皱纹产生；在快速下降期，模拟体系尺寸急剧下降，平均振幅迅速上升且增长指数为1，此阶段出现明显的皱纹结构；在动态平衡期，模拟体系的尺寸和平均振幅逐渐趋于其平衡值。由于表面刚性薄膜的限制，基底在回缩过程中不能回到拉伸前的尺寸，最终平衡时体系尺寸随薄膜弹性模量增加而增加。当薄膜模量比较小，基底拉伸率比较大或界面作用强度比较弱时，会发生表面起皮的现象。同时，我们比较了模拟结果和现有理论研究结果，得到了很好的一致性。

目录

声明

第一章 绪论

1.1起皱现象

1.1.1起皱现象的产生

1.1.2起皱方法和应用

1.1.3起皱机理研究

1.1.4曲面上的起皱现象

1.2影响起皱的因素

1.2.1边界效应

1.2.2预应变

1.2.3条带宽度与间隙

1.2.4基底厚度

1.3数值求解方法

1.3.1有限差分法

1.3.2有限元法

1.3.3谱方法

1.4研究思路及创新之处

第二章 粗粒化模型的构建

2.1分子动力学

2.2 GROMACS软件

2.3起皱模型的构建

2.4起皱模型参数设置

2.5起皱模拟流程

第三章 弹性体表面起皱研究

3.1泊松比为零（基底A）

3.1.1模量差的影响

3.1.2预应变（基底拉伸比）影响

3.1.3基底厚度的影响

3.1.4界面吸附强度的影响

3.2泊松比非零（基底B）

3.2.1基底厚度的影响

3.2.2 界面吸附强度的影响

3.3小结

第四章 结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢