Formación de arrugas inducida por compresión versus tensión en estructuras de película delgada: simulaciones numéricas tridimensionales

El desarrollo de arrugas superficiales en películas delgadas unidas a sustratos flexibles se reconoce como una forma de inestabilidad mecánica. Aunque este comportamiento de arrugamiento se estudia ampliamente cuando la película delgada está bajo compresión directa, se ha prestado mucha menos atención a la predicción de la formación de arrugas causada por tensión y deformaciones cíclicas de compresión-tensión. Este trabajo se centra en arrugas inducidas por compresión versus tensión usando una película polimérica relativamente rígida sobre un sustrato elastomérico como sistema modelo. Observaciones experimentales muestran que las arrugas paralelas formadas durante la compresión unidireccional desaparecen gradualmente bajo carga inversa. Cuando la estructura de la película delgada se somete a tensión, se desarrollaría un nuevo conjunto de arrugas paralelas en la dirección perpendicular. Las arrugas inducidas por tensión son causadas por la diferencia en el coeficiente de Poisson entre la película y el sustrato, lo cual genera compresión lateral en la película. Mediante la técnica de imperfección embebida en la modelación por elementos finitos tridimensional (3D), ilustramos que este tipo de transición de arrugas puede simularse de manera continua. Con la suposición elástica lineal, la respuesta global carga-desplazamiento y la evolución de las arrugas son reversibles. Las condiciones de carga tensión-después-de-compresión y tensión directa conducen a exactamente la misma respuesta del material, incluida la inestabilidad de deformación. Se realizaron análisis adicionales sobre los efectos del módulo de la película y del coeficiente de Poisson, contrastando las diferencias en el comportamiento de arrugamiento bajo cargas compresivas y tensiles.