剪纸型可延展电子器件的力学分析及优化方法

Stretchable/flexible electronics open up a range of important applications in the field of energy, medicine，biology and engineering science since their micro-scale size and the ability to allow extreme mechanical deformations. However, the mechanical behavior and the topological optimization of stretchable/flexible electronics with kirigami design has not been systematically explored due to their complex geometries and complicated buckling mechanisms. In this project, a theoretical model for kirigami membrane with conventional material (e.g. copper and gold) will be developed through the theory of continuum mechanics, numerical simulations and experimental observations, to investigate the post-buckling behavior in kirigami membrane, and to deduce the analytical solution for the stretchability of the membrane. Moreover, the correlations between the stretchability and various parameters will be established, and the failure mechanism of the kirigami membrane during post-buckling process will be illustrated, thereby providing an effective method to evaluate the mechanical properties of the stretchable/flexible electronics. Furthermore, varieties of kirigami design will be carried out and the corresponding scaling law will be established, to provide a design guidelines for the optimization of kirigami membrane. Finally, a performance-based system-level optimization will be developed through combined scaling law and simulate anneal arithmetic, to establish a foundation for the microminiaturization of flexible/stretchable electronics.

柔性可延展电子器件具有尺度小、变形能力强、延展性大等优点，它在能源、医学、生物以及工程科学等多个领域的应用对科学研究和技术进步起到了巨大的推动作用。柔性电子器件中的剪纸型可延展设计由于薄膜复杂的几何构型和屈曲分析的强非线性，其力学性能一直缺乏全面的评估方法，其系统优化一直缺乏有效研究。本项目基于连续介质力学理论、数值模拟和实验观察，针对常规材料（如铜、金等）的剪纸型薄膜，构建力学模型，研究薄膜后屈曲的力学行为，并推导薄膜延展率的理论解，探索截面参数和划痕结构参数对延展率的影响，阐明后屈曲过程中剪纸型薄膜的破坏机理，为全面评价柔性电子器件的力学性能提供科学方法；在此基础上，设计多种划痕构型，构建相应的延展率的尺度律公式，优化划痕的结构参数，为剪纸型薄膜的设计提供科学依据；最终，将尺度律公式与模拟退火法相结合，提出基于性能的系统层面的优化方法，为柔性可延展电子器件的最优设计和微型化奠定基础。

柔性可延展电子器件在可穿戴供能设备、可穿戴电子/光子器件、皮肤电子、电子眼相机、仿生皮肤等领域具有广泛的应用前景，对能源、医学、生物等多个学科的科学研究与技术应用起到了巨大的推动作用。柔性电子器件中的剪纸型可延展设计使用大面积的薄膜对电子器件中的功能组件进行连接，通过在薄膜中引入划痕，使薄膜在器件拉伸过程中逐步屈曲展开成带状薄膜，从而起到了增大器件延展率的作用；另一方面，剪纸型薄膜宽度大、空间利用率高、易于制备的特点也解决了柔性电子器件在散热、集成程度以及制备技术上的问题。然而，剪纸型可延展设计由于薄膜复杂的几何构型和屈曲分析的强非线性，其力学性能一直缺乏全面的评估方法，其系统优化一直缺乏有效研究。本项目基于连续介质力学理论、数值模拟和实验观察，得到了剪纸型薄膜最大应变的理论解，并推导了其延展率的标度率公式，与实验结果吻合很好。该公式显示，结构的延展率与划痕宽度无关，随薄膜条带宽度、薄膜厚度的增大而减小，随剪纸结构单元数量和划痕宽度的增大而增大。根据标度率公式优化得到的剪纸型薄膜具有极大的延展率（≥30%）和很小的电阻（＜4欧姆，常规可延展设计的导线电阻约10~100欧姆）。此外，本研究推导了三种划痕类型的双稳态剪纸型结构的稳定性标准。结果显示，通过引入靠近中心区域的划痕，或合理排布薄膜中部的划痕，可以提高剪纸型结构第二构型的稳定性；相反，剪纸型薄膜和元件连接处的划痕会降低第二构型的稳定性，而且稳定性随着划痕宽度的增大而减小。基于该理论指导，设计了自适应射频电路、微型间谍天线等柔性电子器件。这些研究结果为剪纸型可延展电子器件的设计提供了理论基础，有助于可延展电池、柔性无线通讯器件、类皮肤传感器的研发。