膜-基失稳系统的制备及带隙调控

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声子晶体可以抑制弹性波的传播,广泛应用于弹性波导、振动控制、声学隐形等领域。理论研究发现弹性失稳产生的周期性图案具有声子晶体的特性,可以控制膜-基系统中弹性波的传播。然而,通过弹性失稳制备的周期性图案由于应力失配易导致界面剥离和结构翘曲,实验实现仍然是一个挑战。因此,开展针对膜-基系统的周期结构制备以及带隙特性研究,对于拓展膜-基系统在减振降噪领域的应用具有重要意义。基于上述背景,本文针对平面膜-基起皱系统开展以下研究:(1)选择薄膜和基底为同系物材料,采用两相湿气固化工艺控制基底物理状态、表面形貌和残余应力的实验方法,制备出未剥离和无翘曲的膜-基起皱系统。建立有限元模型进行屈曲分析,分析了不同参数对失稳形貌的影响,探究了压缩应变、厚度比和模量比与失稳波长和幅值之间的关系。(2)基于Bloch波理论,针对膜-基起皱系统的带隙特性,建立能带结构自动化计算有限元程序。基于量纲分析方法与有限元模拟的结合,研究了关键参数对带隙特性的影响,探讨了变形量、几何尺寸和材料参数与膜-基起皱系统带隙特性之间的关系。结合实际工程需求给出设计指南,为薄膜厚度和弹性模量的确定提供参考。开展了起皱样品的振动实验,与数值模拟结果相吻合。(3)选取具有不同带隙特性的膜-基起皱系统进行组合,建立有限元模型,通过屈曲分析研究了不同参数下膜-基系统的混合失稳形貌,探究不同混合失稳形貌的带隙特性。算例研究表明,膜-基起皱组合系统具有宽频带隙,同时形貌产生缺陷时,组合系统的宽频带隙会下移。
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