金属三维折纸结构后屈曲力学行为及其应用研究

Metallic 3D origami structures have important applications ranging from flexible electrons, designs of metamaterials to micro/nano-electro-mechanical system (MEMS/NEMS). By theoretical analysis, simulation and experiment research, this project aims to reveal the influences of plasticity on the post-buckling characteristics of the metallic 3D origami structures. It will focus on the effect of plasticity on the post-buckling configurations of metallic film structures and its mechanics characterization; analytical and experimental analysis for plasticity and buckling-induced origami for assembly of 3D metallic structures; substrate-free, isolated metallic origami structures. It is a multidisciplinary system that integrates the researches involving mechanics, material science and flexible electronics. And for the first, demonstrates the concept of substrate-free isolated metallic origami structures induced by plasticity and buckling. This study will establish the fundamental of the mechanics characterization for the post-buckling analysis of metallic 3D origami structures and could serve as guidelines for future fabrication and optimization of stretchable electronics and assembly of 3D origami structures.

金属三维折纸结构在柔性电子技术、超材料结构设计以及微/纳机电系统等领域有着重要的应用。本项目拟通过理论分析，有限元仿真和实验研究相结合的方法，研究在大变形条件下，金属折纸结构的后屈曲特性。着重研究材料塑性对结构后屈曲形态的影响及其力学表征方法；屈曲和塑性诱导的金属三维折纸结构成形方法的理论和实验研究；脱离柔性基体的独立金属折纸结构等内容。研究内容是集力学、材料科学和柔性电子技术等多学科为一体的交叉研究系统，并首次提出利用金属塑性实现与柔性基体分离的独立金属折纸结构的理论与实验基础。研究成果有望系统地建立金属三维折纸结构后屈曲力学行为的分析方法，并为柔性电子器件制备和三维折纸结构成形技术等提供新的制备方法和优化设计方案。

柔性电子器件等新兴技术的出现为复杂微纳尺度电子器件的制造提出了新的挑战，近期提出的屈曲诱导的三维折纸结构自组装技术将微结构制造和折纸艺术相结合，建立了成型迅速、适用尺度广、材料选择多样的新型制备技术。.在屈曲诱导的折纸结构设计中，结构屈曲对三维折纸结构的装配过程和成品形态都有着重要的影响，现有研究主要针对半导体和高分子薄膜材料的弹性屈曲过程，目前尚缺乏对于金属薄膜材料的弹塑性后屈曲行为以及其对三维折纸结构形态影响等方面的研究。.针对上述问题，本项目以三维金属薄膜自组装结构在设计和制备中的结构屈曲问题为研究对象，着重探讨与结构后屈曲行为相关的力学建模、构型调控以及结构优化设计等问题，主要工作概括如下：.(1).以屈曲诱导的三维金属折纸结构的屈曲成型过程为研究对象，系统地阐述了折纸/剪纸以及折痕设计在金属薄膜折纸结构中的应用。通过理论分析，有限元仿真和实验验证的方法，展示了金属塑性在结构设计和成型过程中的作用。.(2).提出了金属塑性诱导的三维独立折纸结构的设计和制备方法，并完成了相关的微米/毫米尺度结构实验。提出了微米尺度三维独立折纸结构的实验方案，为后续的研究工作指明了方向。.本项目相关工作的主要创新点包括：.(1).提出了由材料塑性和结构屈曲诱导形成的三维折纸结构设计，以及相应的实验方法；.(2).基于材料塑性变形，提出了可脱离基体的三维独立折纸结构的设计方案；.(3).建立了折纸型薄膜柔性太阳电池阵的力学分析模型，并完成相关实验。