《剪紙型可延展電子器件的力學分析及最佳化方法》是依託清華大學，由付浩然擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：剪紙型可延展電子器件的力學分析及最佳化方法
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：付浩然
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
柔性可延展電子器件具有尺度小、變形能力強、延展性大等優點，它在能源、醫學、生物以及工程科學等多個領域的套用對科學研究和技術進步起到了巨大的推動作用。柔性電子器件中的剪紙型可延展設計由於薄膜複雜的幾何構型和屈曲分析的強非線性，其力學性能一直缺乏全面的評估方法，其系統最佳化一直缺乏有效研究。本項目基於連續介質力學理論、數值模擬和實驗觀察，針對常規材料（如銅、金等）的剪紙型薄膜，構建力學模型，研究薄膜後屈曲的力學行為，並推導薄膜延展率的理論解，探索截面參數和劃痕結構參數對延展率的影響，闡明後屈曲過程中剪紙型薄膜的破壞機理，為全面評價柔性電子器件的力學性能提供科學方法；在此基礎上，設計多種劃痕構型，構建相應的延展率的尺度律公式，最佳化劃痕的結構參數，為剪紙型薄膜的設計提供科學依據；最終，將尺度律公式與模擬退火法相結合，提出基於性能的系統層面的最佳化方法，為柔性可延展電子器件的最優設計和微型化奠定基礎。
結題摘要
柔性可延展電子器件在可穿戴供能設備、可穿戴電子/光子器件、皮膚電子、電子眼相機、仿生皮膚等領域具有廣泛的套用前景，對能源、醫學、生物等多個學科的科學研究與技術套用起到了巨大的推動作用。柔性電子器件中的剪紙型可延展設計使用大面積的薄膜對電子器件中的功能組件進行連線，通過在薄膜中引入劃痕，使薄膜在器件拉伸過程中逐步屈曲展開成帶狀薄膜，從而起到了增大器件延展率的作用；另一方面，剪紙型薄膜寬度大、空間利用率高、易於製備的特點也解決了柔性電子器件在散熱、集成程度以及製備技術上的問題。然而，剪紙型可延展設計由於薄膜複雜的幾何構型和屈曲分析的強非線性，其力學性能一直缺乏全面的評估方法，其系統最佳化一直缺乏有效研究。本項目基於連續介質力學理論、數值模擬和實驗觀察，得到了剪紙型薄膜最大應變的理論解，並推導了其延展率的標度率公式，與實驗結果吻合很好。該公式顯示，結構的延展率與劃痕寬度無關，隨薄膜條頻寬度、薄膜厚度的增大而減小，隨剪紙結構單元數量和劃痕寬度的增大而增大。根據標度率公式最佳化得到的剪紙型薄膜具有極大的延展率（≥30%）和很小的電阻（＜4歐姆，常規可延展設計的導線電阻約10~100歐姆）。此外，本研究推導了三種劃痕類型的雙穩態剪紙型結構的穩定性標準。結果顯示，通過引入靠近中心區域的劃痕，或合理排布薄膜中部的劃痕，可以提高剪紙型結構第二構型的穩定性；相反，剪紙型薄膜和元件連線處的劃痕會降低第二構型的穩定性，而且穩定性隨著劃痕寬度的增大而減小。基於該理論指導，設計了自適應射頻電路、微型間諜天線等柔性電子器件。這些研究結果為剪紙型可延展電子器件的設計提供了理論基礎，有助於可延展電池、柔性無線通訊器件、類皮膚感測器的研發。
