柔性电子器件中波纹状界面的力学行为表征与破坏机理研究

The studies and applications of Flexible and Stretchable Electronics will take on an enormous influence on our living, because it can withstand large tensile, bending deformation, which will make it has a wide range of potential applications in many aspects such as electronics, biotechnology, medical, sports, and which will help to opened up some new application areas, such as flexible displays, flexible solar cells, artificial muscle, artificial retina, wearable electronic clothing and so on. However, nowadays, comprehensive and in-depth studies are still need to be performed on the mechanical behavior and structure failure mechanism of the Flexible and Stretchable Electronics. The present project is performed on the typical structure with wavy interface in Flexible and Stretchable Electronics, aim to resolve the fracture problems of Flexible and Stretchable Electronics with focus being placed on making clear of their mechanical behavior, failure modes and fracture mechanism for the structure of the films/substrate with wavy interface. The mechanical theory is obtained for wavy plate based on theoretical analysis, experiment study and finite element modeling. Then, the stress concentration phenomenon and the structure failure mechanism near the wavy interface in the films/substrate are analyzed by using the mechanical theory of wavy plate. At last, the main analytical conclusions are validated using finite element and experiment methods. This study can obtain the theoretical foundation for future related research and application of Flexible and Stretchable Electronics.

可延展柔性电子由于可承受大的拉伸、弯曲变形，在电子、生物、医疗、体育等许多方面具有广泛的应用潜力，将可开创柔性显示器、柔性太阳能电池、人工肌肉、人造视网膜、可穿戴电子衣等全新的应用领域，因而柔性电子的研究及应用必将对人类的生活产生巨大的影响。然而，目前对于柔性电子器件的力学行为表征与结构破坏机理尚有待深入研究。 本项目以具有波纹状界面的一种柔性电子典型结构为研究对象，以解决可延展柔性电子中的结构破坏问题为目标，以澄清具有波纹状界面的薄膜/基体柔性结构的力学行为、破坏模式和断裂机理为研究重点。首先，采用理论分析、实验研究和有限元模拟的方法建立波纹板的力学分析理论。然后以此为基础来分析、探讨具有波纹状界面的薄膜/基体柔性结构界面附近的应力集中与结构破坏机理。同时，采用有限元模拟和试验的方法来对主要分析结果进行验证。本项目的研究将为柔性电子的相关研究和应用打下理论与技术基础。

首先，研究了柔性结构的破坏机理问题。基于断裂力学理论对国外课题组发现的试验现象进行了完整的理论解释，并指出了小尺度结构中存在的一种新的破坏方式——界面滑移。相关理论分析及新的破坏方式得到了同行的认可和引用。. 其次，研究了PDMS基体的力学性能及变形问题。目前，PDMS基体一般都是由道康宁液体按照一定混合比加固化剂制备而成。我们在国内首次得到了制备出的PDMS基体的材料参数（弹性模量、与泊松比）随混合比的完整变化关系，也得到了在大气环境和室温下极限混合比约为40:1的结论。相关研究在国际上尚未见期刊论文报道，这一研究可为各类PDMS基体的应用提供数据支撑。. 再次，研究了波纹板理论，基于薄壳理论建立了初步的波纹板理论。并开展了相关试件的制备与试验，也进行了有限元模拟。结果表明三者能基本吻合。. 接下来，研究了PDMS基体与各种薄膜的连接问题。比较了各种粘结方法的优劣，探讨了等离子溅射法各工艺参数对于粘结效果的影响，得到了等离子溅射法的最优粘结工艺。. 最后，研究了余弦型波纹界面典型结构的制备、残余应力应变、及其拉伸载荷作用下的延展破坏问题。在采用预拉伸法制备柔性结构时，如果薄膜与基体的抗拉强度处于相当的量级，将可出现正余弦型界面。其它情况下会出现各种褶皱界面，基体厚度较小时会出现整体卷曲等等。这一研究将有助于制备出相关仿生结构。针对制备质量较好的试件测量得到了多个部位的残余应力应变，与有限元模拟的结果较为吻合。拉伸载荷作用下，余弦型波纹界面典型结构的破坏部位可出现在界面处、或基体、薄膜内，这取决于界面结合强度。而界面结合强度是由薄膜与基体的材料及连接时的表面处理工艺所导致的界面结合的键合类型及结合完整性来决定的。. 通过本项目的实施，将多种测试手段与改造后的小尺寸拉伸试验机整合到气浮式光学试验台上，并设计了多套相关夹具，形成了小尺寸试件综合试验平台。为今后的相关研究提供了设备基础，也提升了课题组设备开发与改造的能力。