纤维复合薄膜在自然界和工程应用中广泛存在，例如皮肤、心脏瓣膜和植物叶片等。在膜材料中引入纳米纤维制成增强增韧的纤维复合薄膜已广泛应用于软机器、可穿戴器件与生物医学工程。目前对于薄膜结构稳定性的研究主要聚焦于各向同性材料，对各向异性纤维复合薄膜褶皱失稳规律和机制的研究相对较少。
近日，复旦大学航空航天系徐凡课题组揭示了纤维取向对超弹性薄膜拉伸褶皱形貌的影响规律，研究成果以“A consistent finite-strain plate model for wrinkling of stretched anisotropic hyperelastic films”为题发表于国际薄壁结构期刊Thin-Walled Structures (doi:10.1016/j.tws.2022.109643)。研究人员建立了正交各向异性超弹性材料的一致协调大应变薄板模型，并推导出适用于各向异性材料的旋转对称边界条件。研究结果表明，纤维取向（纤维方向与拉伸方向夹角）对薄膜褶皱形貌的产生和演化均有影响。纤维取向从0°到45°，随着纤维夹角增大，斜褶的偏转角度也随之增大；然而，从45°到90°，随着角度增大，褶皱偏转反而减小（图1）。当纤维取向接近于拉伸方向（0°-15°）或垂直拉伸方向（75°-90°）时，纤维材料越硬，越不容易产生褶皱（抑制作用）；而纤维取向在15°-75°时，纤维材料越硬，越容易产生褶皱（促进作用）（图2）。通过改变纤维取向和软硬，可实现灵活定向褶皱方向和有无，为纤维增强和仿生薄膜的褶皱调控提供了新思路。
图1. 纤维取向对褶皱方向（斜褶）的影响规律
图2. 纤维取向在0°（抑制褶皱）和45°（促进褶皱）分岔图
该研究由复旦大学航空航天系徐凡课题组独立完成，傅晨玻博士、杨易凡和汪婷博士为论文共同第一作者，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、上海市教委、上海市人保局和复旦大学等资助。
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S026382312200413X?dgcid=author
