工学院戴兆贺课题组及合作者在纳米薄膜力学表征方面取得一系列进展

薄膜材料在微机电系统、生物医学装置、柔性电子器件以及光、热、电磁学用途的表面涂层方面有着广泛的应用。近年来，一系列纳米级、亚纳米级厚度的新型薄膜材料涌现而出，其优异的物性正进一步提升现有薄膜器件的功能表现，也对现有薄膜力学表征方法带来挑战。

　　

薄膜材料在微机电系统、生物医学装置、柔性电子器件以及光、热、电磁学用途的表面涂层方面有着广泛的应用。这些应用很大程度上得益于过去针对薄膜材料所建立的机械和界面力学表征理论和方法。近年来，一系列纳米级、亚纳米级厚度的新型薄膜材料涌现而出，其优异的物性正进一步提升现有薄膜器件的功能表现，也对现有薄膜力学表征方法带来挑战。宏观薄膜材料的机械和界面性能表征可以通过单轴拉伸、撕脱等标准化实验力学方法来实现，但这些标准化方法随着薄膜厚度的减小而难以沿用。过去研究针对微纳米厚度薄膜提出了压力或集中力加载的鼓泡方法，但在表征手段和分析理论方面仍存不足。基于此，北京大学工学院力学与工程科学系戴兆贺课题组及合作者在纳米薄膜力学表征方面开展了系统的理论和实验研究。

弹性薄膜在不太参数区间响应面外压力和黏附作用力的示意图

研究团队针对薄膜抵抗拉伸和压缩的不对称性，提出了考虑超薄薄膜非光滑力学行为的界面脱粘准则。该准则在薄膜承受拉伸时可退化到经典的Kendall撕脱角，在薄膜承受压缩时也能够描述材料褶皱失稳所导致的弹性应变能松弛效应。相关工作以“Two-dimensional crystals on adhesive substrates subjected to uniform transverse pressure”为题发表于International Journal of Solids and Structures。本文第一作者为戴兆贺，通讯作者为美国德克萨斯大学奥斯汀分校Nanshu Lu教授。

集中力剥离石墨烯薄膜的SEM照片和理论模型图

针对集中力载荷鼓泡实验，如何分析有限加载区域半径的影响是解释实验数据的关键。与现有解析解答不同，本研究在不对问题的物理背景作任何假设的前提下，基于只适用于泊松比为1/3的Schwerin解答施加扰动，提出了精确度远高于现存解析理论的高阶扰动解，误差在1%以内，为纳米薄膜鼓泡和撕脱实验分析以及其它相关的应用场景提供了理论依据。相关工作以“Axisymmetric Peeling of Thin Elastic Films: A Perturbation Solution”为题发表于Journal of Applied Mechanics。论文第一作者为西安交通大学本科生陈尔腾（即将为北京大学工学院2023级直博生），通讯作者为戴兆贺。

原位机械剥离二维材料示意图以及相关的力-位移关系

戴兆贺与北京大学电子学院魏贤龙教授课题组合作，通过原位扫描电子显微镜加载技术实现了纳米薄膜的轴对称撕脱，结合上述理论实现了纳米薄膜杨氏模量和界面黏附能的直接测量，并揭示了拉拔力与薄膜撕脱位移之间的弱非线性关系。相关工作以“Pull-to-Peel of Two-Dimensional Materials for the Simultaneous Determination of Elasticity and Adhesion”为题发表于Nano Letters，并入选为封面论文，论文第一作者为北京大学电子学院2018级直博生方峥，通讯作者为戴兆贺和魏贤龙。该研究工作得到国家自然科学基金、玛丽居里项目以及北京大学2023年度新工科交叉青年专项支持。