引言

通過(guò)實(shí)驗(yàn)、理論模型和有限元模擬的結(jié)合，英思特通過(guò)將一個(gè)薄膜粘接到一個(gè)預(yù)應(yīng)變超過(guò)400%的軟彈性襯底上，探索了微觀和宏觀尺度上控制周期性屈曲脫層形成和發(fā)展的機(jī)理。我們發(fā)現(xiàn)，在大的基底預(yù)應(yīng)變釋放時(shí)，膜中的變形遵循三階段變形機(jī)制，即局部氣泡的開始(階段I)，通過(guò)分層裂紋擴(kuò)展形成周期性正弦氣泡的生長(zhǎng)(階段II)，以及裂紋停止后在固定端壓縮下向后屈曲夾具鋸狀氣泡的過(guò)渡(階段III)。

本文我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究討論了利用自發(fā)屈曲脫層測(cè)量界面韌性的潛在應(yīng)用，包括通過(guò)屈曲脫層薄膜獲得較低的較大拉伸應(yīng)變來(lái)設(shè)計(jì)可拉伸的電子器件。

實(shí)驗(yàn)與討論

我們通過(guò)類似于基底預(yù)拉伸的方法起皺，一維（1-D）周期性扣狀分層模式的生成如圖1所示的2個(gè)步驟。

圖1：自發(fā)屈曲驅(qū)動(dòng)的薄膜周期性分層的示意圖

我們使用基于離子束的濺射鍍膜系統(tǒng)生產(chǎn)高分辨率的連續(xù)超薄金屬涂層。在室溫下，我們?cè)趩屋S預(yù)拉伸聚二甲基硅氧烷(PDMS)襯底上沉積薄的金(Au)膜(厚度t=40nm )，為了評(píng)估微尺度屈曲脫層隨釋放應(yīng)變的演化，我們使用掃描電子顯微鏡(SEM)原位表征屈曲表面形貌的脫層過(guò)程。

圖2顯示了在預(yù)應(yīng)變完全釋放期間，PDMS襯底上的Au膜的順序彎曲和分層過(guò)程的傾斜SEM圖像。我們觀察到，與起皺類似，自發(fā)屈曲-脫層也表現(xiàn)出周期性特征，脫層屈曲或氣泡的波長(zhǎng)和振幅幾乎一致。然而，與大面積周期性褶皺的同時(shí)形成不同，隨著釋放應(yīng)變的增加，屈曲脫層表現(xiàn)出從局部脫層到全局周期性脫層的順序過(guò)程。

圖2：微尺度周期性帶扣分層實(shí)驗(yàn)

結(jié)論

通過(guò)結(jié)合實(shí)驗(yàn)、理論建模和有限元模擬，英思特探索了控制大預(yù)應(yīng)變軟襯底上薄膜自發(fā)屈曲驅(qū)動(dòng)周期性分層的形成和演化的機(jī)制，及其在界面韌性測(cè)量和可拉伸電子器件潛在設(shè)計(jì)中的潛在應(yīng)用。

基于周期性氣泡從正弦曲線到彈性曲線形態(tài)轉(zhuǎn)變的實(shí)驗(yàn)觀察，英思特開發(fā)了一個(gè)基于能量較小的三階段理論模型，以研究在施加大壓縮應(yīng)變下屈曲脫層氣泡的形成(階段I)、生長(zhǎng)(階段II)以及形狀轉(zhuǎn)變和演化(階段III)。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，英思特驗(yàn)證了自發(fā)周期性屈曲脫層可以釋放比起皺更多的應(yīng)變能，從而使屈曲薄膜中的較大拉伸應(yīng)變更小。在大壓縮下，彈性水泡呈現(xiàn)比正弦水泡小得多的較大拉伸應(yīng)變。

這項(xiàng)研究的結(jié)果可以通過(guò)自發(fā)的周期性屈曲脫層在可拉伸電子器件的設(shè)計(jì)中找到潛在的應(yīng)用。微尺度周期性分層上的高深寬比特征和鋸齒形狀在探索高深寬比表面在潤(rùn)濕、光學(xué)、粘附和防冰等方面的獨(dú)特性方面具有潛在的應(yīng)用。

審核編輯 黃宇