温湿环境下纤维素纳米纸湿/热/力/光性能多尺度分析与设计

Cellulose nanopaper has superior mechanical and optical properties. It is also renewable and degradable. As the environment and energy issues are becoming serious, cellulose nanopaper shows great potential in the substrate application of the flexible electronics. To maintain flexible, tough, transparent and deformation compatible in the hydro-thermo environment are the key issues to the cellulose nanopaper’s application in the flexible electronics. In this study, the induced hygro-thermal-mechanical-optical response and its evolution mechanism of cellulose nanopaper due to the change of humidity and temperature is revealed. Then it is possible to optimize the hygro-thermal-mechanical-optical properties simultaneously for various service conditions. To achieve this, both hygro-thermo coupled multiscale theoretical and numerical methods are proposed based on the analysis about the influence of humidity and temperature on the components’ performance and microstructure as well as the influence of the components’ properties and microstructure on the material properties. The mapping rules between temperature and humidity, components’ properties and microstructure, and material properties are revealed accordingly. Moreover, the microstructure is improved for the thermo-hydro-mechanical condition by referring to the construction characteristic of biological structures. A design method for the parameters of components’ properties and microstructure with manufacturing constrains is proposed to optimize the hygro-thermal-mechanical-optical properties simultaneously. This study can provide theoretical basis for the design and manufacturing of environment-friendly flexible electronics in high performance for various applications.

纤维素纳米纸具有优异的力学、光学特性，并且可再生、自降解，随着环境和能源问题日益突出，在柔性电子器件基底领域显现出巨大的应用前景。在温湿环境下保持柔韧性、透光性和变形协调性，是其在柔性电子器件中应用的关键。本项目旨在通过研究温湿度变化引起的湿/热/力/光性能响应规律和演变机理，开展面向不同载荷环境的湿/热/力/光性能协同优化。为此，本项目综合考虑组分性能/微结构对温湿度的响应，以及不同组分性能/微结构作用下的材料性能变化，建立温湿度耦合的多尺度数值和理论分析方法，揭示“温湿度-组分性能/微结构-材料性能”三者之间的映射规律；进而面向温/湿/力载荷环境，借鉴生物材料构造规律改进微结构构型，并建立制造工艺约束的组分性能/微结构参数设计方法，开展湿/热/力/光性能协同优化。本项目的实施将为研制满足不同服役条件的环境友好型柔性电子器件提供理论基础。

本项目针对温湿场耦合作用下的纤维素纳米纸性能变化行为，围绕纳米纤维素界面粘接性能预测、纤维网络几何构建、织物结构厚向变形预测、纸基蜂窝结构弯曲畸变等开展了研究。具体包括：开展了温湿度场对纳米纤维素界面损伤行为的耦合影响研究，揭示了“温湿度-组分性能/微结构-材料性能”三者之间的映射关系；发展了纤维网络结构的高效构建算法，实现了不同纤维取向构型的快速构建；开展了仿生纤维与纤维界面的多尺度分析与优化设计研究，实现了通过多场耦合工艺将纳米材料多孔结构向层状结构转变的可控制备；建立了纤维网络结构粘弹性-塑性本构模型，表征了厚向压缩导致的密化效应，准确预测了厚向压缩蠕变与回复行为；开发了基于机器视觉的纤维织物缺陷检测方法，实现了对缺陷的快速提取与几何重建，为分析缺陷特征与力学性能的关联规律提供了重要支撑；开展了纸基蜂窝弯曲过程芯格屈曲演化以及弯曲后压剪复合力学性能研究，建立了考虑弯曲缺陷的强度准则与参数识别算法，为纸基蜂窝结构的高效利用提供了支撑。取得的主要成果包括：阐明了湿热条件变化引起的纤维素纳米晶体界面性能变化规律，明确了湿热环境下纤维素纳米晶体界面体系氢键数量与界面能量之间的关系，为纤维素纳米晶体的设计与应用提供了参考依据；建立了纤维树脂界面多尺度分析方法，实现了从微观界面力学性能到复合材料细观力学性能的过渡；发展了温度场与流场耦合调控微观结构的电磁功能纳米复合材料制备方法，实现了通过多场耦合将纳米材料多孔结构向层状结构转变的可控制备；建立了蜂窝芯弯曲过程芯格畸变评估方法，揭示了弯曲蜂窝面外压剪性能演化机理。研究成果发表高水平研究论文22篇，获得最佳论文奖1项，授权发明专利1项、申请发明专利3项，培养研究生7人。项目取得的研究成果为分析多场耦合作用下的纤维网络结构的热力耦合行为与渗流特性提供了有效的思路和方法，同时为实现多功能高性能复合材料的设计制造提供基础理论指导。