【摘要】：薄膜材料被廣泛應(yīng)用于制備柔性顯示、太陽(yáng)能電池、柔性傳感器等器件，了解薄膜材料的力學(xué)性能，如彈性模量、屈服強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度等，對(duì)器件設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化具有極其重要的意義。目前，測(cè)試薄膜力學(xué)性能主要是通過拉伸薄膜或通過原子力探針、納米壓痕儀等對(duì)薄膜進(jìn)行按壓，然而上述方法用于研究超薄薄膜整體的力學(xué)性能具有一定的局限性。超薄薄膜往往難以自支撐，而在基底上進(jìn)行測(cè)試引起的誤差較大;按壓的方式僅僅局限在很小的測(cè)量區(qū)域，難以反映出超薄薄膜整體的力學(xué)性能。

基于以上原因，有待提出新的研究方法來測(cè)量薄膜的力學(xué)性能。水的表面張力高達(dá)72 m N/m，在室溫下水的粘度僅為0.89m Pa?s。因此，密度較低的物體在水面上不僅能保持漂浮的狀態(tài)，還可以進(jìn)行幾乎無(wú)摩擦的滑動(dòng)。研究表明，超薄膜材料能在水的表面張力作用下發(fā)生拉伸、彎曲或失穩(wěn)起皺。因此，可以通過在水面上對(duì)薄膜材料進(jìn)行拉伸的方法，來測(cè)量薄膜材料的力學(xué)性能。本文研究了一種基于液體表面張力的薄膜力學(xué)性能表征方法，重點(diǎn)研究了微米級(jí)厚度的聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)圓環(huán)薄膜的彈性模量，證明了該方法的可行性。

我們讓PDMS圓環(huán)薄膜自由漂浮在水面上，在圓環(huán)中心處滴加表面活性劑，降低圓環(huán)內(nèi)液面的表面張力，使得PDMS圓環(huán)薄膜的內(nèi)外邊界因表面張力差而發(fā)生受拉變形。針對(duì)這種方法，本文研究了影響PDMS圓環(huán)薄膜的受拉變形的主要因素(PDMS的配比、薄膜厚度、表面活性劑的面濃度)，總結(jié)了變形量隨時(shí)間變化的規(guī)律。結(jié)合圓環(huán)所受液面表面張力的測(cè)量結(jié)果，進(jìn)一步討論了圓環(huán)受拉變形過程。最后基于實(shí)驗(yàn)中測(cè)量得到的變形量和表面張力的數(shù)據(jù)，使用超彈性材料的本構(gòu)方程計(jì)算出PDMS的彈性模量。

本論文研究的是一種新穎的力學(xué)性能表征方法，利用液體表面張力的變化使漂浮在液面的固體薄膜發(fā)生拉伸變形。使用水面作為支撐基底，避免了普通拉伸測(cè)試中固體基底對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。該方法實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，且無(wú)需大型精密儀器的輔助，具有測(cè)量各類薄膜材料力學(xué)性能的潛力。同時(shí)該方法便于完整轉(zhuǎn)移難以自支撐的薄膜材料，為大尺寸柔性器件制備提供了新的方法和思路。因此，基于液體表面張力的薄膜力學(xué)性能表征方法具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值和重要的研究意義。