薄膜力學
關注創建者：匿名 創建時間：2021-10-12
薄膜力學的視頻教程
Abaqus-薄膜褶皺模擬
本課程對薄膜褶皺分析原理流程進行詳細講解，并通過拉伸褶皺，剪切褶皺，扭轉褶皺3個案例詳細操作，講解每一步設置原因及意義。希望對研究薄膜力學行為研究的同學有所幫助。謝謝
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薄膜力學的實例教程
聚酰亞胺（PI）薄膜因其優異的力學性能以及顯著的熱穩定性和化學穩定性，被作為航天器外衣的首選材料，用于保護航天器免受近地軌道不利環境（例如原子氧、紫外線輻射、空間碎片和熱循環等）的損害。即便擁有出色的性能，聚酰亞胺薄膜也與其他碳氫聚合物一樣，極易受到原子氧攻擊。薄膜中的碳、氫和氮等元素，在原子氧輻射后容易被氧化而形成揮發性氣體分子，導致薄膜的力學性能急劇下降，從而顯著縮短其使用壽命。隨著航天工業的快速發展，以及對航天器的安全性和可靠性需求的增加，迫切需要對聚酰亞胺薄膜材料的力學性能和原子氧抵抗性能不斷提高。
當前所采用的解決方案主要包括：1）在薄膜表面沉積均勻的無機物涂層，以增加薄膜頂層的硬度和原子氧耐受性，但是該涂層容易開裂、脫落；2）通過在聚酰亞胺聚合前添加可產生鈍化層的多面體低聚倍半硅氧烷（POSS），但是POSS單體的價格昂貴、合成復雜、受到規模化制備的限制。
近日，中國科學技術大學俞書宏院士/高懷嶺團隊，通過借鑒珍珠母的“磚-泥”層狀結構優勢，提出了一種雙層仿珍珠母結構設計的新策略。研究人員以其前期開發的具有優異力學性能和紫外屏蔽功能，且可宏量制備的高質量云母納米片為構筑基元（Nat. Commun. 2018, 9, 2974），與聚酰亞胺前驅體混合后，借助噴涂與熱固化聯用法制得了具有雙層類珍珠母結構的聚酰亞胺-云母納米復合膜，通過改變組分配比，使所得復合膜的頂層具有更致密的云母納米片（圖1）。這種獨特的結構設計有效地提升了聚酰亞胺薄膜的力學性能和抗原子氧性能。
展開 納米纖維素的濕度界面力學行為。(a) 分子模型。(b) 應力-應變曲線中的線彈性階段和隨后的應變硬化階段。(c) 濕度界面滑移。(d) 應變局域化過程。
最后，通過宏觀實驗驗證了環境濕度（RH）對納晶纖維素薄膜力學性能的影響規律。當RH ≤ 50%時，應變硬化效應使得斷裂應變大幅度增加，與分子模擬結果相呼應。在合適的RH范圍內，納晶纖維素薄膜的強度和韌性都得到顯著提高，而當RH ≥ 60%時，彈性模量和強度明顯下降，這主要是由于界面水分子過多導致溶脹，削弱了界面強度并阻礙了載荷傳遞能力。
圖3. 納晶纖維素薄膜在不同環境濕度下的的力學性能。
該研究表明氫鍵在納米纖維素濕度界面力學行為中發揮了關鍵作用，揭示了氫鍵對納米纖維素序構材料設計的重要性，為自下而上設計高性能納米纖維素復合材料提供了新策略。
中國科大碩士研究生侯遠震、博士后研究員管慶方和夏駿為論文共同第一作者，吳恒安教授為通訊作者，俞書宏院士和朱銀波博士為共同通訊作者。該研究得到了中國科學院戰略性先導科技專項（B類）、國家自然科學基金、中國科學技術大學青年創新重點基金等項目的資助。
原文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c08574
展開 將GO納米片的尺寸由4.4μm增大到25.1 μm時，得到的石墨烯薄膜的拉伸強度、韌性和導電率分別從821.2 MPa、20.2MJ/m3和415.8 S/cm增大到924.8MPa，31.4 MJ/m3和550.2S/cm。
圖2.有序交聯石墨烯薄膜的力學性能、電學性能以及電磁屏蔽性能。
為了評估這種有序交聯石墨烯薄膜在柔性電子器件領域的應用前景，團隊還研究了其循環拉伸和360°彎折疲勞性能。如圖3所示，該石墨烯薄膜的拉伸疲勞壽命遠優于無交聯石墨烯薄膜。并且，在同等循環拉伸和360°彎折下，石墨烯薄膜的力學和電學性能保持率也較高。此外，如圖4所示，在不同溶劑中長期浸泡或者超聲下，該有序交聯的石墨烯薄膜的性能穩定性優于無交聯石墨烯薄膜。這種綜合性能優異的石墨烯薄膜在柔性電子器件和航空航天等領域具有廣泛的應用前景，同時，這種室溫有序交聯策略也可以用于指導其它一維，二維納米材料的宏觀高性能組裝。
圖3.有序交聯石墨烯薄膜的循環拉伸和360°彎折疲勞性能。
圖4.有序交聯石墨烯薄膜在不同溶劑中長期浸泡和超聲處理的性能穩定性。
該工作以“Strong, Conductive, Foldable Graphene Sheets by Sequential Ionic and π Bridging”為題，以背封面的形式（如圖5所示）發表在國際材料領域權威期刊Advanced Materials上，這也是程群峰教授和Ray H. Baughman教授合作團隊，在室溫有序交聯強韌一體化高導電石墨烯薄膜研究領域的又一重要進展。文章的第一作者是北京航空航天大學化學學院博士研究生萬思杰同學。
圖5.論文被選為當期背封面發表。
展開 Comsol的電潤濕液態鏡頭多物理場耦合仿真 ￥2800
這種方法驅動功耗小，鏡頭光圈大小靈活、外形僅有薄膜力學性能決定，與填充液體無關、變焦范圍大等優點。其缺點是：鏡頭較大時對震動和重力的影響較為敏感、結構較為復雜。</p><p><br></p><p> 電潤濕效應透鏡，是通過改變施加的電壓來控制液體在固體表面上的潤濕特性的液體透鏡。那么電潤濕效應又是什么呢？簡單來說就是通過電壓來控制液滴的表面形狀。更準確來說，電潤濕效應是一種物理化學現象，通過改變液體-固體界面的外加電壓來控制液體在固體面上的潤濕特性，從而改變液滴的接觸角，使其能像人眼的晶狀體一樣改變曲率實現變焦。同時，對施加電壓的不同，其表面曲率會發生變化，從而實現光學變焦。</p><p><br></p><p> 下圖3左邊為未加電壓時，整個液體透鏡表現為凹透鏡；當加上110V電壓之后，其液面發生變化，形成一個凸透鏡，產生聚光效果。下圖4為液體透鏡的聚焦效果。這種方法的優點在于響應時間短、變焦范圍寬、操作便捷、集成性能好、結構簡單等優點，是目前液體透鏡最主流的研究方向。但是，目前也存在其驅動電壓高（幾十到上百伏）、口徑很難做大等缺陷。最新研究表明，其驅動電壓能降低至30-50V，但這對于手機攝像頭來說還是偏高。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/202102/imgs/becceb320f6245ee9409f43de6129d27.jpeg"></p><p>左：未加電壓 右：電壓值為110V</p><p> 除了在手機攝像頭上具有應用前景，液體透鏡還在生物醫學微型化方面也有廣闊空間。目前研究最火熱的就是醫用內窺鏡的小型化。
展開 2018年11月23日至25日，2018年全國固體力學學術會議在哈爾濱召開。本次會議由中國力學學會固體力學專業委員會和國家自然科學基金委數理科學部主辦，黑龍江省人民政府協辦，哈爾濱工業大學、哈爾濱工程大學、中國地震局工程力學研究所、哈爾濱理工大學和特種環境復合材料技術國家級重點實驗室聯合承辦，寧波大學力學與工程科學系、黑龍江省力學學會和黑龍江省復合材料學會為支持單位。全國固體力學學術會議每四年舉辦一屆，本屆會議吸引了來自全國120多所高校2000余名專家學者和研究生代表參會。
杜善義院士、謝禮立院士、方岱寧院士、王鐵軍教授和吳林志教授擔任大會主席。申勝平教授擔任大會秘書長。黑龍江省人民政府孫東生副省長，中國力學學會理事長、中國科學院院士楊衛教授，中國科學院院士、北京理工大學方岱寧教授、中國科學院院士、北京大學魏悅廣教授，中國科學院院士、南京航空航天大學郭萬林教授，中國航天科技集團有限公司科技委常委、中國工程院院士周志成研究員，國家自然科學基金委員會辦公室主任孟慶國研究員、數理科學部常務副主任董國軒研究員等領導及嘉賓出席會議。本次會議的主題是“固本求新，頂天立地”，本次會議設置了34個主要的學術議題，主要包括 復合材料力學、計算固體力學、實驗力學先進測量方法、技術與應用、微納米力學、超材料結構設計理論及方法、軟物質力學、彈性力學與塑性力學、表面、界面與薄膜力學、生物材料力學與仿生力學、結構力學與結構優化、損傷與斷裂力學、柔性結構器件力學、爆炸與沖擊、結構振動、噪聲與控制、多尺度力學與跨尺度關聯、結構健康監測與無損檢測、制造工藝力學、輕質復合材料與結構青年學者論壇、固體力學教學改革與創新、壓電半導體器件與多場耦合力學、極端條件材料力學行為、智能材料多場耦合變形行為、復雜介質及多場耦合波動力學等固體力學議題。
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但在薄膜吹塑和流延成型加工后，發現兩者的薄膜力學性能差異較大，導致生產良率波動，部分抗穿刺包裝袋產品不達標。
2.1 基礎物性參數對比
為確認材料的基礎參數，國高材分析測試中心對其進行了全面的基礎熱學、流變學與分子量表征。通過120 ℃高溫環境下的核磁共振測試確認兩者均為乙烯與1-己烯的共聚物。標準密度測試、熔體流動速率測試、DSC熔融行為測試及HT-GPC分子量測試數據見表1。
另一方面，由于石墨烯基面之間的Vander Walls相互作用較弱，石墨烯薄膜的力學性能不如氧化石墨烯薄膜。在這方面，如圖2(f- 1)所示，一種新的掃描離心鑄造方法被用于增強石墨烯片的對準，從而將散熱和電磁干擾屏蔽性能分別提高到190 W/mk和93 dB。
1、膠凝階段
從糊塑料開始受熱到形成薄膜表現出一定力學強度的階段。
① 由于受熱，塑料不斷吸收分散劑并發生腫脹。
② 液體揮發，粘度逐漸增大，加熱到更高的溫度，糊塑料成為一種表面無光和易碎的固體
物料。此時認為膠凝階段達到終點，溫度常在 100℃以上。
2、熔化階段
糊塑料在繼續加熱下，從膠凝終點發展到力學性能達到最佳的一段時間內的物理變化。
① 腫脹的塑料顆粒粘合。
薄膜中的碳、氫和氮等元素，在原子氧輻射后容易被氧化而形成揮發性氣體分子，導致薄膜的力學性能急劇下降，從而顯著縮短其使用壽命。隨著航天工業的快速發展，以及對航天器的安全性和可靠性需求的增加，迫切需要對聚酰亞胺薄膜材料的力學性能和原子氧抵抗性能不斷提高。
圖3 SUPE薄膜的熱學和力學性能及其柔性混合電子應用。
其透明性和低霧度性質與PET薄膜相近，力學性質（比強度、比剛度、拉伸模量以及斷裂韌性）均與皮膚相近，尤其是其斷裂韌性為14.4±4 kJ m-2，使其具有可形狀工程設計的能力，在表皮電子中展現巨大的應用潛力。
離電液晶彈性體纖維/薄膜的光學、力學和電學表征。
作者通過低場核磁氟譜、SAXS、紅外、分子模擬等表征手段分析了離電液晶彈性體纖維電導率急劇增強效應的原因。研究發現，離子電導率提升主要發生在后軟彈性區間（post-soft elasticity，應變>200%），即單疇向列相向近晶相的轉變過程。
1) 在低壓化學氣相淀積（Si3N4）工藝中存在的薄膜應力會引起變形，改變薄膜的光學和力學性能，過大的張應力會使薄膜發生斷裂，而過大的壓應力則會使薄膜發生翹曲，因此研究氮化硅薄膜的應力特性和低應力氮化硅技術是十分必要的。
圖4 不同厚度TiN/AlN超晶格薄膜的納米壓痕硬度
本文在相同沉積條件下制備了具有(110)和(100)擇優取向的單片TiN/AlN超晶格薄膜，結果表明，薄膜的晶體取向顯著地改變了TiN/AlN超晶格薄膜中AlN的共格厚度，進而決定了整個薄膜的力學性能。具有較厚共格AlN層的<110>定向薄膜的峰值硬度更高。本文為提高超晶格薄膜的機械性能提供了一種新的方法。
這種方法驅動功耗小，鏡頭光圈大小靈活、外形僅有薄膜力學性能決定，與填充液體無關、變焦范圍大等優點。其缺點是：鏡頭較大時對震動和重力的影響較為敏感、結構較為復雜。</p><p><br></p><p> 電潤濕效應透鏡，是通過改變施加的電壓來控制液體在固體表面上的潤濕特性的液體透鏡。那么電潤濕效應又是什么呢？
