Formação de Rugas Induzidas por Compressão vs. Tensão em Estruturas de Filmes Finos: Simulações Numéricas Tridimensionais

O desenvolvimento de rugas na superfície de filmes finos ligados a substratos flexíveis é reconhecido como uma forma de instabilidade mecânica. Embora esse comportamento de enrugamento seja amplamente estudado quando o filme fino está sob compressão direta, muito menos atenção foi dada à predição da formação de rugas causada por deformações de tensão e compressão-tensão cíclicas. Este trabalho foca nas rugas induzidas por compressão vs. tensão usando um filme polimérico relativamente rígido sobre um substrato elastomérico como sistema modelo. Observações experimentais mostram que rugas paralelas formadas durante compressão unidirecional desaparecem gradualmente sob carga reversa. Quando a estrutura do filme fino é submetida à tensão, um novo conjunto de rugas paralelas na direção perpendicular se desenvolve. As rugas induzidas pela tensão são causadas pela incompatibilidade do coeficiente de Poisson entre o filme e o substrato, que gera compressão lateral no filme. Por meio da técnica de imperfeição embutida em modelagem por elementos finitos tridimensional (3D), ilustramos que esse tipo de transição de ruga pode ser simulado de forma contínua. Com a suposição de elasticidade linear, a resposta geral carga-deslocamento e a evolução das rugas mostram-se reversíveis. As condições de carregamento tensão-apos-compressão e tensão direta levam exatamente à mesma resposta do material, incluindo a instabilidade da deformação. Análises adicionais sobre os efeitos do módulo do filme e do coeficiente de Poisson são realizadas, com as diferenças no comportamento de enrugamento sob cargas compressivas e tensivas sendo contrastadas.