柔性电子器件非屈曲结构的结构设计、理论分析与应用

The achievement of the flexibility and stretchability of flexible electronics depends on the mechanical structure design, for which a great progress has been made in past years. However, it still can’t meet the requirements of encapsulation and high stretchability simultaneously, and that almost all of the existing designs are based the mechanism of buckling. We creatively found the nonbuckling structure design, which is capable of not only solving the above problem, but also enhancing the electrical performance. In this project, nonbuckling design will be studied systematically, including: 1) the transition from the buckling structure to the nonbuckling structure, and the corresponding mechanism; 2) the new problem of basic mechanical theory brought by nonbuckling structure, i.e. buckling theory for beams with thick cross section; 3) the optimization of nonbuckling structure; 4) effects of encapsulation on nonbuckling structure design; 5) the applications of fractal design and pre-strain strategy to nonbuckling structure design; 6) the application of nonbuckling structure design to flexible electronics by experimental fabrication. These studies will drive the developments of both the structure design for flexible electronics, and the fundamental mechanical theory of buckling theory for beams with thick cross section.

力学结构设计是实现柔性电子器件可变形性以及可伸展性的保障，尽管过去的研究已经有了很大的进步，但是仍然无法同时满足封装需求与高伸展性需求，而且几乎所有的设计都是基于结构屈曲的力学原理。申请人创造性地提出了非屈曲结构设计，不仅可以解决上述问题，并且可以大大提高其电学性能。本项目将对非屈曲结构设计进行系统的研究，包括：1）从屈曲结构到非屈曲结构的过渡和转变规律，揭示其中的力学机理；2）非屈曲结构的出现带来的力学基本理论问题，即中厚截面梁屈曲的求解理论；3）非屈曲结构的优化设计；4）封装层对非屈曲结构的影响；5）将分形结构设计思想以及预应变策略与非屈曲结构设计结合；6）非屈曲结构的实际应用，实验制备具有非屈曲结构的柔性电子器件。通过这些研究，不仅进一步完善柔性电子器件的可伸展结构设计，并且带动中厚截面梁屈曲问题的力学基本理论的发展。

力学结构设计是实现柔性电子器件可变形性以及可伸展性的保障，尽管过去的研究已经有了很大的进步，但是仍然无法同时满足封装需求与高伸展性需求，而且几乎所有的设计都是基于结构屈曲的力学原理。申请人创造性地提出了非屈曲结构设计，不仅可以解决上述问题，并且可以大大提高其电学性能。本项目对非屈曲结构设计进行系统的研究，获得以下研究成果：1）通过理论数值实验三种方法，本项目研究了可伸展导线从褶皱模式经过屈曲模式到非屈曲模式的过渡和转变规律，揭示了其中的力学机理；2）探究了非屈曲结构的出现带来的力学基本理论问题，即中厚截面梁屈曲的求解理论，发展了梁与结构体的有限初始变形屈曲理论；3）结构设计是影响非屈曲结构力学性能和电学性能的主导因素，给出了非屈曲结构的优化设计方案；4）将分形结构设计思想以及预应变策略与非屈曲结构设计结合，极大提升了非屈曲结构的延展性，相比于与基底粘结的屈曲结构有较大的优势；5）探索了非屈曲结构的实际应用方向，实验制备具有非屈曲结构的柔性电子器件，如LED阵列、可延展太阳能电池、可延展天线、可延展柔性电极等。通过这些研究，不仅进一步完善柔性电子器件的可伸展结构设计，并且带动力学基础理论的发展，即中厚截面梁屈曲问题的力学求解理论。对柔性电子器件的设计与分析，及其成果落地化具有重要意义。