近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)研究所王長(zhǎng)國教授與美國布朗大學(xué)高華健教授合作研究成果《薄膜/塑性基底的褶皺和棘輪行為：鋰電池中固態(tài)電解質(zhì)界面的失穩(wěn)》（Wrinklingandratchetingofathinfilmoncyclicallydeformingplasticsubstrate:mechanicalinstabilityofthesolid-electrolyteinterphaseinLi-ionbatteries）發(fā)表在固體力學(xué)領(lǐng)域期刊《固體力學(xué)與固體物理學(xué)雜志》（JournaloftheMechanicsandPhysicsofSolids，影響因子3.566）上。

該論文首次實(shí)現(xiàn)了薄膜/塑性基底彈塑性失穩(wěn)問題的理論建模與求解，揭示了褶皺、棘輪與安定的多模式耦聯(lián)作用機(jī)制。論文第一作者為航天學(xué)院2014級(jí)博士生劉遠(yuǎn)鵬，導(dǎo)師為王長(zhǎng)國教授，哈工大為第一完成單位，王長(zhǎng)國教授和高華健教授為論文的共同通訊作者。

該論文打破傳統(tǒng)彈性理論框架，首次建立并求解了基底為理想彈塑性的膜基系統(tǒng)的失穩(wěn)行為，分析了系統(tǒng)彈塑性褶皺、塑性棘輪和安定特性及其耦合作用機(jī)制。并以高容量鋰電池充放電電極材料耗損問題為背景，首次將電極材料考慮為塑性，建立了高容量電極材料與固態(tài)電解質(zhì)界面的失穩(wěn)力學(xué)理論模型，理論分析了鋰電池充電/放電過程中固態(tài)電解質(zhì)界面的失穩(wěn)和棘輪行為，得到了可以準(zhǔn)確預(yù)報(bào)固態(tài)電解質(zhì)界面失穩(wěn)和棘輪臨界條件的解析公式。研究發(fā)現(xiàn)，通過引入具有高剛度和厚度的人造固態(tài)電解質(zhì)界面，并在固態(tài)電解質(zhì)界面中引入拉伸預(yù)應(yīng)力，可以有效預(yù)防固態(tài)電解質(zhì)界面在充放電循環(huán)過程中的失穩(wěn)和棘輪，為設(shè)計(jì)高容量鋰電池提供了重要的理論指導(dǎo)。

大型空間充氣展開薄膜結(jié)構(gòu)是目前國際上十分關(guān)注的一種新型空間結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)主要由薄膜組成。其中薄膜為功能部件，也作為主要的結(jié)構(gòu)部件。由于薄膜的彎曲剛度很小，薄膜不能支撐壓應(yīng)力的作用。當(dāng)薄膜中出現(xiàn)壓應(yīng)力時(shí)，薄膜發(fā)生局部屈曲產(chǎn)生褶皺。褶皺產(chǎn)生以后，首先影響到結(jié)構(gòu)的表面精度及穩(wěn)定性，同時(shí)薄膜褶皺還會(huì)影響到結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能。作為主要受力結(jié)構(gòu)的支撐管，其扭轉(zhuǎn)剛度很小，在外力作用下，極易出現(xiàn)局部褶皺而失去穩(wěn)定性。對(duì)于薄膜和充氣管來說，雖然其結(jié)構(gòu)形式不同，但其失穩(wěn)的變形形式都是局部褶皺的形成，并且其后屈曲的過程也都是褶皺進(jìn)一步擴(kuò)展的過程。因此建立褶皺分析方法十分重要。

本文摘自：哈爾濱工業(yè)大學(xué)