轻质薄膜结构的稳定性是重要的科学和工程问题，也是固体力学的关键问题之一，对结构/器件性能和功能至关重要。近年来，随着软材料与柔性结构的迅速发展，聚合物柔性薄膜已广泛应用于太阳光帆、智能皮肤、可穿戴技术与生物医学工程。薄膜大变形扭转褶皱现象无处不在，例如透明胶带、包装条带和柔性电子等（图1）。研究薄膜扭转载荷下的稳定性行为对于功能柔性薄膜结构形貌设计和无褶化抗起皱应用具有重要意义。
图1. 扭转褶皱无处不在：(a) 透明胶带，(b) 包装条带，(c) 柔性电子
近日，复旦大学航空航天系徐凡课题组与华东理工大学王凡凡、意大利拉奎拉大学Ivan Giorgio合作研究，从实验和理论上揭示了软薄膜扭转褶皱复杂形貌演化机制（图2）。研究成果以“Wrinkling of twisted thin films”为题发表于固体力学权威期刊Int. J. Solids Struct. (doi:10.1016/j.ijsolstr.2022.112075)。
图2. 一定尺寸的薄膜扭转时褶皱起源于两个自由边，然后向中心扩展
为定量理解扭转薄膜起皱的内在机理，研究人员通过在膜厚方向高阶级数渐近展开，建立了一个高精度的有限应变板模型，可准确预测软薄膜扭转实验中褶皱形貌的后屈曲演化全景。研究结果表明，随着薄膜扭转程度增加，存在三种不同的褶皱演化过程，其取决于薄膜的长宽比和宽厚比（图3）：（1）褶皱起源于薄膜的两个自由边，然后向中心扩展（图2）；（2）在较长的薄膜中，褶皱出现在中心，随后扩展到两个自由边；（3）在较短的薄膜中，褶皱总是集中于中心区域。为定量指导薄膜结构褶皱的可调控设计，研究人员给出了软薄膜扭转褶皱模态演化相图（图3）。最后，研究人员探究了薄膜厚度和预拉伸对起皱形貌的影响规律，结果表明增加薄膜厚度和预拉伸可增强薄膜刚度，进而提升薄膜扭转起皱临界阈值，从而防止褶皱形成。研究结果可用于柔性薄膜结构褶皱的可调控与无褶化表面的理性设计。
图3 薄膜扭转褶皱模态相图：长度比和宽厚比
华东理工大学王凡凡副教授和复旦大学航空航天系研究生汪婷为论文共同一作，徐凡教授是论文的通讯作者。论文合作者包括复旦大学航空航天系研究生张晓亮和黄阳超，意大利拉奎拉大学Ivan Giorgio博士。研究得到国家自然科学基金委、上海市基础研究特区计划、上海市科委、上海市教委和复旦大学等资助。
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0020768322005285
