基于智能软材料的柔性电子新型动态可控转印力学机理研究

Flexible electronics, capable of accommodating large deformation and complex curvilinear surface, have better application prospects than conventional electronics. Transfer printing approach, assembling functional devices from donor substrate to flexible receiving substrate, is the key problem in the fabrication of flexible electronics. Current transfer printing approaches emphasize on changing the stamp structure and using external force/interfacial adhesion to realize a successful transfer printing, ignoring the enhancement on transfer printing invoked by the response of stamp to external stimulus. Inspired by the unique behavior of smart soft materials, such as shape memory polymer returns to its initial configuration under heating, this project uses smart soft material shape memory polymer as stamp, controls the strong-weak transition of interfacial adhesion under external stimulus for substrates with different adhesion, and realizes the high-efficiency reversible dynamically controllable transfer printing. With experiments, theoretical analysis and finite element simulations approaches, this project analyzes the configuration change of stamp under external stimulus and the adhesion, separation of stamp/ink, proposes the critical condition of interfacial crack in different stages of transfer printing, reveals the law and mechanism of influence of external stimulus on the strong-weak interfacial adhesion transition and transfer printing, provides useful theoretical guide and possible approach for the design of transfer printing system and fabrication of flexible electronics.

柔性电子器件可承受大变形和用于复杂工作曲面，与传统电子器件相比具有广阔的应用前景。将功能性电子元件由生长基体集成至柔性基体上的转印技术是柔性电子器件制备中的关键环节。当前转印方法侧重于改变印戳结构、利用外力和界面粘附能实现成功转印，忽视了印戳材料在外部激励下响应对转印的促进作用。受智能软材料形状记忆聚合物加热回复初始构型等独特力学行为的启发，本项目以智能软材料形状记忆聚合物为转印印戳，针对不同界面粘性基体，通过外部激励控制界面粘附作用强弱转化，实现高效率的可逆动态控制转印，并结合物理实验、理论分析和有限元模拟方法，分析印戳在外部激励下的构型变化和印戳/转体界面粘附、剥离力学问题，提出转印不同阶段界面断裂的临界条件，揭示外部激励对界面粘附作用强弱转化、转印的影响规律和机理，为设计转印系统和柔性电子器件制备提供理论指导和可行性方案。

柔性电子器件可承受大变形和用于复杂工作曲面，与传统电子器件相比具有广阔的应用前景。柔性电子制备是柔性电子研究中的一个重要问题，涉及到转印印戳结构优化设计、柔性电子典型结构变形分析、应变能与粘附能竞争机理、结构失效行为与机理研究和界面断裂行为等典型力学问题，在国内外得到广泛的重视。针对转印印戳结构优化设计问题，我们使用J积分表征界面开裂能力，以印戳结构为优化域，以单元密度为设计变量，求得最大化界面开裂能力的印戳结构最优构型。在柔性电子典型结构变形分析方面，建立具有更高计算精度和更少求解变量的分段线性解析模型，考虑材料不匹配引起的界面应变重分配问题，得到柔性电子器件受弯曲载荷时准确的轴向应变分布。在应变能与粘附能竞争机理方面，以柔性电子新型功能材料石墨烯绕碳纳米管自组装为例，提出了基于能量法的有限变形梁解析模型，给出与分子动力学结果吻合的临界长度和稳定自组装构型，同时进一步以碳纳米框架结构储氢为例，结合优化设计手段给出范德华力驱动下碳纳米框架储氢性能最优的构型，并提出方便有效的脱氢机制；在结构失效行为与机理研究方面，以碳纳米管常见形式－异质碳纳米结拉伸破坏为例，结合分子动力学模拟和修正转换态理论给出温度和应变率等影响下的拉伸强度和不同失效模式，并给出破坏失效的直径阈值和失效模式转换的临界条件。在界面断裂行为方面，结合物理实验、数值模拟、解析等方法，拟合粘弹性本构模型参数，得到界面断裂时速度与临界拉力的关系，为柔性电子制备转印提供理论指导。