哈工大在薄膜褶皱研究中获新进展并发表在权威杂志上

2019-10-08      227 次浏览

近日,哈尔滨工业大学航天学院复合材料与结构研究所王长国教授与美国布朗大学高华健教授合作研究成果《薄膜/塑性基底的褶皱和棘轮行为:锂电池中固态电解质界面的失稳》(Wrinklingandratchetingofathinfilmoncyclicallydeformingplasticsubstrate:mechanicalinstabilityofthesolid-electrolyteinterphaseinLi-ionbatteries)发表在固体力学领域期刊《固体力学与固体物理学杂志》(JournaloftheMechanicsandPhysicsofSolids,影响因子3.566)上。


该论文首次实现了薄膜/塑性基底弹塑性失稳问题的理论建模与求解,揭示了褶皱、棘轮与安定的多模式耦联作用机制。论文第一作者为航天学院2014级博士生刘远鹏,导师为王长国教授,哈工大为第一完成单位,王长国教授和高华健教授为论文的共同通讯作者。


该论文打破传统弹性理论框架,首次建立并求解了基底为理想弹塑性的膜基系统的失稳行为,分析了系统弹塑性褶皱、塑性棘轮和安定特性及其耦合作用机制。并以高容量锂电池充放电电极材料耗损问题为背景,首次将电极材料考虑为塑性,建立了高容量电极材料与固态电解质界面的失稳力学理论模型,理论分析了锂电池充电/放电过程中固态电解质界面的失稳和棘轮行为,得到了可以准确预报固态电解质界面失稳和棘轮临界条件的解析公式。研究发现,通过引入具有高刚度和厚度的人造固态电解质界面,并在固态电解质界面中引入拉伸预应力,可以有效预防固态电解质界面在充放电循环过程中的失稳和棘轮,为设计高容量锂电池提供了重要的理论指导。


大型空间充气展开薄膜结构是目前国际上十分关注的一种新型空间结构。这些结构主要由薄膜组成。其中薄膜为功能部件,也作为主要的结构部件。由于薄膜的弯曲刚度很小,薄膜不能支撑压应力的作用。当薄膜中出现压应力时,薄膜发生局部屈曲产生褶皱。褶皱产生以后,首先影响到结构的表面精度及稳定性,同时薄膜褶皱还会影响到结构的动态性能。作为主要受力结构的支撑管,其扭转刚度很小,在外力作用下,极易出现局部褶皱而失去稳定性。对于薄膜和充气管来说,虽然其结构形式不同,但其失稳的变形形式都是局部褶皱的形成,并且其后屈曲的过程也都是褶皱进一步扩展的过程。因此建立褶皱分析方法十分重要。


本文摘自:哈尔滨工业大学


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