屈曲引导的微尺度三维结构组装方法的力学模型、设计概念与实验研究

基本信息
批准号:11672152
项目类别:面上项目
资助金额:66.00
负责人:张一慧
学科分类:
依托单位:清华大学
批准年份:2016
结题年份:2020
起止时间:2017-01-01 - 2020-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:师岩,付浩然,范智超,刘源,张帆,欧大鹏
关键词:
柔性薄膜有限变形脱层曲梁后屈曲屈曲
结项摘要

Three-dimensional (3D) micro/nanostructures have important widespread applications in a broad range of areas, such as biomedical devices, microelectromechanical systems and etc. They have been the research focus of many technological fields. The existing fabrication/assembly approaches of 3D micro/nanostructures are however, constrained by a narrow range of applicable materials and 3D geometries. Especially, there is a lack of approaches capable of building complex 3D structures of high-performance semiconductor materials. The buckling-guided assembly approach of 3D microstructures, as developed by the applicant in the previous works, can overcome the above limitation effectively. However, the development of this assembly approach is still at the beginning stage, and many aspects, such as the finite-deformation theory of postbuckling and the designs concepts, are still far from mature. This project will (1) establish the finite-deformation theoretical model of postbuckling in ribbon-type films with complex curved patterns, and develop the computational mechanics model of the buckling-guided assembly process for the film/substrate system, with the consideration of the interface; (2) propose a design concept of residual stresses for the 3D microstructures formed through buckling, to avoid multiple buckling modes that have similar levels of energy, and experimentally fabricate the complex microstructures with multi-level 3D configurations; (3) construct the model and algorithm of inverse problem for the buckling-guided assembly approach, such that the initial 2D designs required to transform into the prescribed target 3D structures can be obtained rapidly. The results of this research project will provide important theoretical foundation and experimental basis for the assembly approach of 3D microstructures guided by buckling.

三维微纳米结构在生物医学器件、微机电系统等众多科技领域具有重要而广泛的应用,一直以来都是科技研究的焦点。然而现有的三维微纳米结构制备及组装方法却较为局限,尤其是缺乏高性能半导体材料的复杂三维结构成型方法。申请人在先期工作中建立的屈曲引导的微尺度三维结构组装方法,可有效解决这一局限。然而这种组装方法的发展尚处于起步阶段,在后屈曲大变形理论、设计概念等方面都还不成熟。本项目拟(1)建立复杂曲线构型的条带状薄膜的后屈曲大变形理论模型,并发展考虑界面影响的硬薄膜/软基底系统的屈曲组装过程的计算力学模型;(2)提出三维屈曲微结构的残余应力设计概念,避免出现多种能量相近的屈曲模态,实验制备出具有复杂多层次三维构型的微尺度结构;(3)构建屈曲组装方法的反问题模型和算法,从而针对给定的目标三维结构,快速地得到所需的初始二维设计。本项目的研究成果将为屈曲引导的三维微结构组装方法提供重要的理论基础及实验依据。

项目摘要

三维微纳结构在生物医学器件、超材料和微机电系统等领域具有重要的应用,可控的三维微纳米结构成型方法一直是研究的焦点。然而,现有的三维微纳米结构制备及组装方法在结构形式、成型速度、材料选择等方面仍存在一定局限性,特别在成型复杂三维拓扑时应用高性能半导体材料的上存在较大困难。申请人在先期工作中建立的屈曲引导的微尺度三维结构组装方法可有效突破这一瓶颈。为了进一步发展这种组装方法,使其具备更广泛的应用场景,本项目首先建立了相应的理论模型,包括基于能量法和摄动法的二维条带状薄膜三维后屈曲大变形理论模型,和针对硬薄膜/软基底系统中弱界面未脱粘阶段中界面影响的计算力学模型。进一步地,为了更有效地调控三维屈曲微结构的构型,本项目提出了在结构中施加残余应力的设计概念,并发展了基于氮化硅的材料体系。此外,为了快速得到目标三维结构的初始二维设计,本项目建立了基于理论模型的逆向设计方法以及基于自适应遗传算法的反问题求解模型,并通过一系列结构实例验证了逆向设计方法的收敛性和准确性。最后,基于所发展的微尺度屈曲三维结构组装方法,本项目设计并制备了包括可重构天线,手性三维超材料和可视大量程应变传感器在内的一系列微尺度三维功能器件。本项目的研究成果将为以高性能半导体材料为基础的三维微结构组装方法和功能器件制备提供重要的理论基础及实验依据。

项目成果
{{index+1}}

{{i.achievement_title}}

{{i.achievement_title}}

DOI:{{i.doi}}
发表时间:{{i.publish_year}}

暂无此项成果

数据更新时间:2023-05-31

其他相关文献

1

基于一维TiO2纳米管阵列薄膜的β伏特效应研究

基于一维TiO2纳米管阵列薄膜的β伏特效应研究

DOI:10.7498/aps.67.20171903
发表时间:2018
2

正交异性钢桥面板纵肋-面板疲劳开裂的CFRP加固研究

正交异性钢桥面板纵肋-面板疲劳开裂的CFRP加固研究

DOI:10.19713/j.cnki.43-1423/u.t20201185
发表时间:2021
3

特斯拉涡轮机运行性能研究综述

特斯拉涡轮机运行性能研究综述

DOI:10.16507/j.issn.1006-6055.2021.09.006
发表时间:2021
4

小跨高比钢板- 混凝土组合连梁抗剪承载力计算方法研究

小跨高比钢板- 混凝土组合连梁抗剪承载力计算方法研究

DOI:10.19701/j.jzjg.2015.15.012
发表时间:2015
5

栓接U肋钢箱梁考虑对接偏差的疲劳性能及改进方法研究

栓接U肋钢箱梁考虑对接偏差的疲劳性能及改进方法研究

DOI:10.3969/j.issn.1002-0268.2020.03.007
发表时间:2020

张一慧的其他基金

相似国自然基金

1

结构抗震防震新概念-诱导屈曲理论和实验研究

批准号:59778025
批准年份:1997
负责人:陈宜亨
学科分类:E0810
资助金额:10.00
项目类别:面上项目
2

基于Stirling热机原理的微尺度软体驱动器的概念设计、动力学理论及实验研究

批准号:11772272
批准年份:2017
负责人:袁江宏
学科分类:A0808
资助金额:56.00
项目类别:面上项目
3

多孔点阵薄膜在屈曲诱导组装三维微结构中的设计、分析及应用

批准号:11802154
批准年份:2018
负责人:范智超
学科分类:A0808
资助金额:27.00
项目类别:青年科学基金项目
4

微尺度与多场耦合实验力学技术和分析方法研究

批准号:10232030
批准年份:2002
负责人:亢一澜
学科分类:A0812
资助金额:150.00
项目类别:重点项目