可延展電子器件中蛇形導(dǎo)線島橋結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析及優(yōu)化.pdf

1、柔性可延展電子器件具有尺度小、變形能力強(qiáng)、延展性大等優(yōu)點(diǎn)，它在能源、醫(yī)學(xué)、生物以及工程科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用對(duì)科學(xué)研究和技術(shù)進(jìn)步起到了巨大的推動(dòng)作用。蛇形導(dǎo)線島橋結(jié)構(gòu)能高效地實(shí)現(xiàn)柔性電子器件的延展性，關(guān)于其力學(xué)行為的研究是涉及柔性電子器件設(shè)計(jì)和應(yīng)用的重要課題，具有重要的理論和實(shí)際意義。本論文的主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新成果包括:
　　1.通過建立自由變形的蛇形導(dǎo)線島橋結(jié)構(gòu)的理論模型，首次導(dǎo)出了蛇形導(dǎo)線臨界屈曲應(yīng)變和彈性延展率的解析解。在此基

2、礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了導(dǎo)線彈性延展率與導(dǎo)線單元數(shù)量、高跨比、截面厚寬比、材料屈服極限之間的關(guān)系。通過對(duì)解析解的分析和數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，確定了蛇形導(dǎo)線正對(duì)稱和反對(duì)稱兩種屈曲模態(tài)及相應(yīng)的后屈曲過程的參數(shù)范圍。
　　2.提出了分形導(dǎo)線幾何構(gòu)型的詳盡構(gòu)建方法，在此基礎(chǔ)上建立了力學(xué)解析模型，通過分析各級(jí)自相似結(jié)構(gòu)柔度矩陣的遞推關(guān)系，首次導(dǎo)出了任意級(jí)厚分形導(dǎo)線（導(dǎo)線厚度與寬度差距較小）彈性延展率的解析解。通過對(duì)解析解的參數(shù)分析及有限元結(jié)果的驗(yàn)證

3、，闡明了厚分形導(dǎo)線彈性延展率和結(jié)構(gòu)自相似級(jí)數(shù)之間的關(guān)系。
　　3.基于薄分形導(dǎo)線（導(dǎo)線厚度遠(yuǎn)小于寬度）在拉伸過程中分級(jí)展開的力學(xué)行為，提出了一個(gè)用于薄分形導(dǎo)線后屈曲分析的分級(jí)計(jì)算數(shù)值模型。通過有限元模擬及實(shí)驗(yàn)觀察，證明了該模型在保證足夠精度的前提下，能極大地提高有限元模擬的計(jì)算效率，闡明了薄分形導(dǎo)線的彈性延展率和結(jié)構(gòu)自相似級(jí)數(shù)之間的關(guān)系。
　　4.通過對(duì)比導(dǎo)線與基體不同粘合狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及有限元分析結(jié)果，建立了與基體部分粘合

4、的二級(jí)分形導(dǎo)線的解析模型，求出了其彈性延展率的尺度律公式，闡明了該工況下導(dǎo)線彈性延展率與導(dǎo)線單元數(shù)量、高跨比之間的關(guān)系。
　　5.通過一個(gè)可延展銅電極的數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，論證了蛇形導(dǎo)線島橋結(jié)構(gòu)在延展率上遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于直導(dǎo)線島橋結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合本文的理論模型，論述了分形導(dǎo)線的優(yōu)化步驟，優(yōu)化后的分形導(dǎo)線彈性延展率要遠(yuǎn)大于相同條件下的蛇形導(dǎo)線。通過對(duì)柔性可延展的體表健康監(jiān)測(cè)儀器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，證明了上述理論和方法的適用性。
　　本文