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，高度拉伸的聚合物薄膜已广泛应用于软机器、可穿戴技术与生物医学工程。高分子材料在大变形加卸载过程中易发生材料损伤（聚合物链断裂），进而影响材料变形行为和结构稳定性。研究薄膜大变形稳定性行为对于功能薄膜结构设计及应用具有重要价值。
近日，复旦大学航空航天系徐凡课题组揭示了轴向受拉软柱壳的Mullins效应与曲率之间的非线性竞争机制，研究成果以“Competition between Mullins and curvature effects in the wrinkling of stretched soft shells”为题发表于固体力学权威期刊Int. J. Solids Struct. (doi: 10.1016/ j.ijsolstr. 2022. 111473)。研究人员建立了考虑Mullins效应（应力软化和残余应变的非弹性行为）的有限应变薄壳模型。研究结果发现当软柱壳曲率略高于临界曲率时，其在拉伸时表面光滑，但在卸载过程中出现褶皱并产生残余应变（图1）。对于曲率较小的软柱壳，在加卸载阶段均出现褶皱。相反，曲率较大的软柱壳在整个加卸载过程中始终保持表面光滑无褶。这种Mullins效应与曲率之间的非线性竞争可以由基于无量纲参数（长宽比和曲率）决定的稳定性边界相图来理解（图2）。图2中灰色区域出现褶皱，而当参数或不在该区域中时，薄膜保持表面光滑。加载后，受拉软柱壳由于Mullins效应发生了永久伸长（即残余应变），因而在卸载时由于增加的长宽比落在了稳定性边界内而出现褶皱（例如从到）。对于曲率较小的薄膜在加卸载时均出现褶皱（例如从到），而对于曲率较大的软柱壳在加卸载过程中都保持表面光滑（例如从到）。Mullin效应和曲率之间的这种复杂的非线性竞争机制可以简单地理解为：Mullins效应促进褶皱形成，而曲率则抑制失稳发生。理解材料损伤与几何曲率对形貌演化的耦合效应对于功能褶皱表面的可调控设计至关重要。
图1. 薄膜拉伸时产生整体弯曲变形但表面光滑，卸载时由于Mullins效应出现褶皱。
图2. 超弹性薄膜稳定性边界相图。
复旦大学航空航天系研究生汪婷、杨易凡和傅晨玻为论文共同一作，徐凡教授是论文的通讯作者。研究得到国家自然科学基金委、上海市科委和上海市教委等资助。
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0020768322000397
