受约束软弹性固体表面变形与失稳形貌调控的研究

Soft elastic solids tend to be deformed and buckling, to generating surface morphology with delicate microstructure, which can be used as template to transfer or replicate micro/nano structure. Therefore, soft elastic solids are already widely used in life science, the bionic technology, flexible microelectronics devices and microfluidic chips. But how to tune the buckling mode for purpose of the specific surface morphology is a great challenge. .The buckling mode and surface morphology of soft elastic solids depend on the stress and train distribution. We propose to introduce geometric constraint or heterogeneity to bring out the non-uniform distribution of stress and strain in soft elastic solids, and then can to tune the surface instability morphology..We focus on the surface deformation and buckling behavior of soft elastic solids with internal and external geometric or the incompatible constraints, combining theoretical analysis, numerical simulation and experimental measurement. We propose to reveal the influence of constrains on the buckling mode and the final surface morphology, so as to present a rational approach to manufacture the specific and complex surface micro/nano structure. The study will provide theoretical guidance for the preparation of well-defined ordered surface morphology in micro/nano technology.

软弹性固体易于变形并产生具有精细微结构的表面屈曲形貌，以此作为模板可以实现微纳米结构的转移和形貌复制。因此，软弹性固体在生命科学、仿生技术、柔性微电子器件以及微流控芯片等技术领域有重要应用，而如何以可控的方式形成特定的表面形貌则是这些应用面临的主要挑战。.软弹性固体表面的失稳模式和具体形貌取决于其应力、应变的分布状态，通过引入内部或表面非均匀性，可以调节软弹性固体内部的应力、应变分布，进而能够调控在其表面形成的失稳形貌。.本项目结合理论分析、数值模拟和实验测量，系统研究内、外部几何或非协调性约束下软弹性固体表面的变形和屈曲行为，揭示这些因素对表面屈曲发生、模式选择以及最终平衡形貌的影响规律，探索导致特定复杂表面结构形貌形成的有效调控策略。研究成果将为微纳米技术中高度规则有序的表面形貌的制备提供理论指导。

软弹性固体在生命科学、仿生技术、柔性微电子器件以及微流控芯片等技术领域有重要应用，而如何以可控的方式形成特定的表面形貌则是这些应用面临的主要挑战。.通过引入约束或非均匀性，可以在软弹性固体内部产生非均匀的应力、应变分布，进而能够调控在其表面形成的失稳形貌。研究了面内加载对软弹性固体薄膜的表面稳定性影响，揭示了面内有限变形对薄膜失稳形貌的调控作用。研究了一维、人字以及棋盘等不同失稳模式，探讨不同失稳模式的竞争机制；研究了液体膜夹层对软弹性固体薄膜稳定性的影响，推导膜表面扰动生长指数的具体表达式，以及失稳的判据以及最不稳定模式，揭示了固体盖层预变形对失稳形貌的调控作用；对固体表面附近非均匀球形夹杂引起的局部位移场与应力场进行了分析，研究了无穷远处施加单向拉伸荷载与夹杂含有本征应变这两种情况下的应力场，讨论了夹杂颗粒大小、夹杂与固体表面的距离、材料常数、以及界面效应对软弹性固体内应力大小和分布的定量影响；发展了包含夹杂的软弹性固体薄膜失稳分析模型，研究了夹杂尺寸与夹杂本征应变大小等因素对薄膜稳定性的影响，扩张的本征应变引起轴对称失稳，而收缩的本征应变引起非轴对称屈曲，定量揭示了夹杂的本征应变对固体薄膜失稳形貌的调控作用。在此基础上进一步研究了施加拉伸应力场对夹杂引起的失稳形貌的调控作用。以上研究工作及结果，对于制备高度规则有序的微纳米尺度的表面形貌具有一定的理论和实际意义。