大压缩作用下软基底薄膜周期性分层现象的研究

引言

通过实验、理论模型和有限元模拟的结合，英思特通过将一个薄膜粘接到一个预应变超过400%的软弹性衬底上，探索了微观和宏观尺度上控制周期性屈曲脱层形成和发展的机理。我们发现，在大的基底预应变释放时，膜中的变形遵循三阶段变形机制，即局部气泡的开始(阶段I)，通过分层裂纹扩展形成周期性正弦气泡的生长(阶段II)，以及裂纹停止后在固定端压缩下向后屈曲夹具锯状气泡的过渡(阶段III)。

本文我们通过实验研究讨论了利用自发屈曲脱层测量界面韧性的潜在应用，包括通过屈曲脱层薄膜获得较低的较大拉伸应变来设计可拉伸的电子器件。

实验与讨论

我们通过类似于基底预拉伸的方法起皱，一维（1-D）周期性扣状分层模式的生成如图1所示的2个步骤。

图1：自发屈曲驱动的薄膜周期性分层的示意图

我们使用基于离子束的溅射镀膜系统生产高分辨率的连续超薄金属涂层。在室温下，我们在单轴预拉伸聚二甲基硅氧烷(PDMS)衬底上沉积薄的金(Au)膜(厚度t=40nm )，为了评估微尺度屈曲脱层随释放应变的演化，我们使用扫描电子显微镜(SEM)原位表征屈曲表面形貌的脱层过程。

图2显示了在预应变完全释放期间，PDMS衬底上的Au膜的顺序弯曲和分层过程的倾斜SEM图像。我们观察到，与起皱类似，自发屈曲-脱层也表现出周期性特征，脱层屈曲或气泡的波长和振幅几乎一致。然而，与大面积周期性褶皱的同时形成不同，随着释放应变的增加，屈曲脱层表现出从局部脱层到全局周期性脱层的顺序过程。

图2：微尺度周期性带扣分层实验

结论

通过结合实验、理论建模和有限元模拟，英思特探索了控制大预应变软衬底上薄膜自发屈曲驱动周期性分层的形成和演化的机制，及其在界面韧性测量和可拉伸电子器件潜在设计中的潜在应用。

基于周期性气泡从正弦曲线到弹性曲线形态转变的实验观察，英思特开发了一个基于能量较小的三阶段理论模型，以研究在施加大压缩应变下屈曲脱层气泡的形成(阶段I)、生长(阶段II)以及形状转变和演化(阶段III)。

通过实验结果，英思特验证了自发周期性屈曲脱层可以释放比起皱更多的应变能，从而使屈曲薄膜中的较大拉伸应变更小。在大压缩下，弹性水泡呈现比正弦水泡小得多的较大拉伸应变。

这项研究的结果可以通过自发的周期性屈曲脱层在可拉伸电子器件的设计中找到潜在的应用。微尺度周期性分层上的高深宽比特征和锯齿形状在探索高深宽比表面在润湿、光学、粘附和防冰等方面的独特性方面具有潜在的应用。

审核编辑 黄宇