2015第2期李学通仝洪月赵-应用力学学报.pdf

基金项目：河北省自然科学基金(E2011203090)；燕山大学青年教师自主研究课题资助项目(13LGA002) 收稿日期：2014-02-11 修回日期：2015-02-05 第一作者简介：李学通，男，1976 年，博士，燕山大学，副教授；研究方向——机械设计及其力学问题的数值模拟技术。E-mail: xtli@ 柔性器件基底预应变和各参数对 蛇形结构延展性的影响 李学通 仝洪月 赵越 杜凤山 （燕山大学机械工程学院 066004 秦皇岛） 摘要：为了提高柔性电子器件在大变形过程中的可变形性，防止失效破坏，本文以完全粘结的蛇形结构为例，利 用ABAQUS 有限元软件建立金属薄膜交联导体-基底的三维有限元模型，研究金属导体在基底预应变作用下的延 展性，计算出导体和基底的不同材料和几何参数(基底厚度 t (500~3000μm) 、导体宽度 w (1~4μm) 、导体厚度 t s m m (0.3~6μm) 、长间距比α(0~3))下的蛇形结构的弹性延伸率(ε)大小，利用origin 软件得出各参数与弹性延伸率的关 s 系曲线。曲线结果表明弹性延伸率随着基底弹性模量、金属厚度的增加而减小，随着导体弹性模量的增大而增大， 当金属厚度 t 0.45μm，弹性延伸率超过 100%；导体延伸率受基底厚度、金属宽度影响较小；当长间距比 α1 m 时延伸率随着α的增大而增大，α1 时基本保持不变。根据这些曲线可进一步优化系统结构，使系统获得最大延 展性。数值模拟结果也说明基底预应变能显著提高蛇形交联导体的弹性延伸率。 关键词：柔性电子器件；蛇形交联导体；有限元分析；预应变；延展性 中图分类号： O34 文献标识码：A DOI ：10.11776/cjam.32.02.B012 1 引 言 明交联导体能够任意变形，通过侧向屈曲来减少拉 伸时交联导体中产生的应变能，这种结构能提供大 电子器件领域新兴的研究旨在开发一种可延 的延展性。事实上，可延展、柔性电子系统需要封 展、柔性技术，应用这种技术制成的电路板系统具 [3] 装层来提供机械和环境保护 。然而，对于非粘结 有常规基于刚性电路板系统的性能，也具有像橡皮 [1-3] 在弹性体上的蛇形交联导体结构，由于其变形是任 筋一样的力学特能，允许拉伸、压缩 。柔性技术 意的，封装层会限制其运动，导致延伸率的降低。 的出现为许多领域提供了新的契机，如柔性太阳能 [4] [5-7] [8] 完全粘结到弹性基底上的交联导体提供了另一种选 电池 、半球形数码相机 、健康监测器 领域。 [12] 择 。固体封装的完全粘接的交联导体的延伸率低 实现系统延展性的一个有效方法是把脆性功能源器 于非粘结的情况，若给定一个变形可能会导致完全 件放到独立的岛上，岛与岛之间由作为桥的薄膜交 粘结结构比非粘结、无密封结构具有更大的延展性。 联导体联接。这种方法确保了非常大的二维延伸率