柔性电子器件可延展极限的数值模拟研究

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在电子器件领域,一项新兴的研究旨在开发可延展、柔性电子系统,该系统的延展性主要取决于薄膜交联导体的延展性。圆弧和直线构成的蛇形轨迹能显著提高系统的延展性,具有广泛的应用前景。本文以完全粘接的蛇形结构为例,来研究薄膜交联导体在基底预应变作用下的延伸率。首先,为了增大系统的延伸率采用蛇形交联导体和基底预应变相结合的方法,使用ABAQUS非线性有限元软件建立蛇形薄膜交联导体-基底的三维模型,在基底预应变和无基底预应变下改变基底的材料和几何参数,研究金属导体的弹性延伸率与各参数间的关系曲线。曲线结果表明:在有预应变和没有预应变的条件下,导体的弹性延伸率随着基底弹性模量的增加而减小;对于厚度比交联导体大很多的基底,导体的弹性延伸率相对基底的厚度变化不敏感,数值结果图定量的说明了基底预应变能够改善结构的延展性。通过结合在支撑基底上使用预应变和薄膜交联导体的蛇形布局来提供弹性延伸率大于100%。其次,改变金属导体的材料和几何参数,研究预应变和无预应变下弹性延伸率随各参数的变化曲线。建立屈曲模式的解析模型,得出局部屈曲和全局屈曲的临界条件,以及金属薄膜发生局部屈曲的临界厚度。曲线结果表明:导体的弹性延伸率随着金属弹性模量的增大而增大;蛇形交联导体单元中的长间距比,对于1,金属导体的弹性延伸率随着的增大而增大,1时,随着的增大基本保持不变;有基底预应变时,弹性延伸率随着金属宽度的增加稍微的增大,最后保持基本不变;没有基底预应变时,延伸率对金属宽度变化不敏感;当金属厚度从2μm降到0.25μm时,弹性延伸率迅速的增加,对于金属tm<0.40μm,弹性延伸率超过100%;tm<0.9μm时,金属发生局部屈曲。最后,建立蛇形交联导体裂纹扩展有限元模型;并对蛇形结构进行优化,建立预应变基底的马蹄型金属导体结构模型。有限元结果表明,金属导体中产生的集中应变大于其断裂应变时,金属导体发生裂纹扩展;在各金属厚度,基底各参数相同情况下,马蹄形金属导体的延伸率大于蛇形导体,并且其弹性延伸率与角、基底弹性模量等参数有关。本论文研究结果对于具有大的延展性和高的有源器件覆盖范围的电子器件的设计具有重要了理论和实际意义,在太阳能电池、健康监测器等领域具有极大地应用潜力。
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