【摘 要】
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微纳光电器件表面上的微纳结构集成了热力学、生物学等领域的优势,能够极大提高器件的性能,因此具有广泛的应用前景。制造加工高精度的微纳表面结构是学术界的热门研究领域之一,但目前缺乏关于聚合物材料方面的研究,传统的微纳加工技术无法满足量产化的品质需求。针对上述问题,本论文提出一种电场诱导微纳表面结构成形的调控方法,从理论分析、模拟仿真以及实验研究三个方面,探讨电场诱导成形的调控方法在制备微纳表面结构上的
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微纳光电器件表面上的微纳结构集成了热力学、生物学等领域的优势,能够极大提高器件的性能,因此具有广泛的应用前景。制造加工高精度的微纳表面结构是学术界的热门研究领域之一,但目前缺乏关于聚合物材料方面的研究,传统的微纳加工技术无法满足量产化的品质需求。针对上述问题,本论文提出一种电场诱导微纳表面结构成形的调控方法,从理论分析、模拟仿真以及实验研究三个方面,探讨电场诱导成形的调控方法在制备微纳表面结构上的潜在应用。本文的主要研究内容如下:(1)使用相场模型计算方法,开展电场诱导作用下聚合物微纳表面结构成形的数学模型研究。首先,介绍相场模型理论及其数值计算方法。然后,分析温度场和电场作用下聚合物表面的行为特性,阐明电场诱导作用下聚合物表面结构的形变机理,构建电场诱导作用下聚合物表面结构成形的相场模型。最后,结合CahnHilliard理论、Navier-Stokes方程、高斯定理等理论公式,推导电场诱导作用下聚合物分子扩散迁移的偏微分方程,使用半隐式傅里叶谱法和半隐式差分法等数值计算方法获得偏微分方程的理论解。为后续的模拟仿真研究提供理论依据。(2)基于电场诱导作用,开展聚合物表面微纳结构成形的模拟仿真研究。首先,根据推导完成的数学模型分析聚合物的形变机理,设置合理的模型参数进行仿真研究。然后,将数学模型的偏微分方程编译成仿真程序,通过改变模型中的聚合物初始结构、外加电场等参数得到仿真数据。最后,进行仿真数据图像化得到对应的数值模拟仿真结果,分析总结上述各因素对聚合物表面成形的影响规律。为聚合物表面结构的制备提供指导性建议。(3)根据模拟仿真结果,开展电场诱导作用下聚合物表面结构成形的实验研究。首先,搭建实验装置,调配实验材料,介绍实验方法。然后,基于不同的聚合物初始结构、电场强度、电场分布形状等参数分别开展实验研究。最后,将对应参数的实验结果与仿真结果进行比较,从而验证电场诱导作用下聚合物表面成形调控方法的正确性与可行性。
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