多孔PDMS基底柔性电子器件的动力特性

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可延展柔性电子技术近年来已成为电子产业领域和学术界的研究热点。其最显著的优点是在承受拉伸、弯曲、折叠等复杂变形的同时能够保证电路稳定。用于临床医学柔性电子器件的柔性基底应满足人体的生理元素正常交换(如体内微量元素的流动,体外的汗液、热量排放)以减少对人体正常生理活动的影响。多孔基底的应用则提供了解决这一问题的有效途径。此外,柔性电子器件的应用环境往往是复杂、动态的,可能受到冲击、动态拉伸等随机荷载,因此柔性电子器件的动力特性需要进一步评估分析。本文主要研究内容如下:(1)通过DMA动态测试以及最小二乘法拟合获得多孔PDMS材料在广义Maxwell本构模型下的粘弹性参数。通过DMA动态试验测得多孔PDMS材料在频率、温度、应变幅值等因素情况下的动态力学性能参数;选取广义Maxwell本构模型对多孔PDMS材料的粘弹性力学行为进行描述,采用最小二乘法对试验数据进行拟合得到材料在Prony级数形式下的粘弹性参数。(2)分析了多孔PDMS基底柔性电子器件在动态拉伸时的变形特性。采用有限元方法并考虑基底或封装层的粘弹特性,分析了多孔PDMS基底蛇形导线结构在不同加载应变速率下的延展性能。结果表明基底孔隙率对结构延展性的提升作用随着加载应变速率的增大逐渐降低;随着基底孔隙率的增加,结构延展性劣化程度增大;含有封装层的蛇形导线结构延展性劣化程度随孔隙率的增大略有增加;金属导线中的最大应变随松弛时间逐渐衰减,当松弛阶段完成后金属导线中的最大应变仍然保持较高的水平。(3)建立考虑弹性基底的柔性电子直导线岛桥结构分析模型,引入几何非线性并建立严格的控制方程对其屈曲行为和自由振动进行分析。采用分析模型与有限元结果进行对比分析的方法,研究了不同因素对柔性基底岛桥结构固有频率的调控作用。结果表明,基底预拉伸程度对弹性基底岛桥结构的固有频率几乎不产生影响;多孔PDMS基底的应用可以有效调节岛桥结构的固有频率;基底材料属性和几何参数对柔性基底岛桥结构固有频率的调节作用较为显著。本文研究结果可为柔性电子器力学性能优化提供指导,对柔性电子产品的设计、应用具有参考意义。
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