柔性电子器件中超弹性材料复杂力学行为的预测及控制

柔性电子器件是一个全新的集成电路设计概念,由于具有柔软可任意变形的优点，将在诸多领域取代传统刚性平板电路成为下一代电子器件技术的核心。本项目拟针对柔性电子器件中超弹性材料的复杂力学行为，包括拉弯/折叠/扭曲/褶皱等变形、超弹性材料与周围其他结构体的粘附或剥离、超弹性材料的挤压大变形等，基于非线弹性本构模型和有限变形理论进行力学建模与变形机理分析；同时,研究柔性电子器件超弹性材料基底的热传导规律,对超弹性基底中的局部热应力和热变形进行理论评估,并考察结构和材料参数变化对温度场分布和热变形的影响。通过本项目的实施，拟针对柔性电子器件超弹性材料建立统一的结构分析理论，确定有关结构变形的控制条件，并针对热应力和热变形提出有效的控制方法，可望为提高柔性电子器件的整体性能提供理论依据。本项目的研究不仅具有很强的工程应用背景，也可充分体现力学在高科技领域的作用，具有潜在的科学意义。

柔性电子器件是上世纪九十年代中期发展起来的一种全新的集成电路技术，其核心设计思想是将电子元件和连接电子元件的交联导体全部集成在柔性可延展的高分子聚合物基体上。相比传统刚性平板电路技术，柔性电子器件最突出的特点是以超弹性柔性基底取代刚性基板，可承受拉伸、压缩、折叠、卷曲以及扭曲等变形，同时具备传统半导体器件灵敏高通量的优异电子学特性。由于软硬两种材料在力学性能参数方面（如弹性模量、泊松比、硬度、热传导系数和热膨胀系数等）都相差几个数量级，给结构的整体制备和长期可靠性带来极大挑战，发展相应的力学模型与设计方法，对于掌握该类结构的变形机制及提高设计和制备水平具有重要的科学和现实意义。..本项目主要针对软硬材料膜-基结构体系的协同大变形、膜-基层状结构体系的传热规律和热管理、膜-基界面行为、热力耦合变形等开展系统的理论研究，旨在提出有效的结构材料参数设计准则律，为柔性电子器件的设计、制备和应用提供方便可用的理论公式。项目通过四年探索和研究，在脆硬材料材料薄膜阵列-基底系统的膜结构变形、膜-基界面的热致断裂行为、纳米膜-基结构封装材料热毛细流动行为、膜-基层状结构传热规律和散热设计、膜-基型压电器件俘能和传感等方面获得一些列重要理论发现，建立了一系列实用性强的软硬材料膜-基结构协同变形和散热优化设计的简化准则律公式，为仿生电子照相机、病变心肌烧蚀切割治疗的精确定位、光基因遗传神经调控的脑组织无损化、纳米尺度温度场的精确量测、半导体碳纳米管提纯、柔性电子的高效激光转印制备、以及生物信号监测与传感等无机柔性电子器件的设计、制备和应用提供了重要的科学依据。..项目共发表SCI期刊论文20篇，参加国际国内会议20余人次。项目执行期内项目组成员获得国家级人才计划3人次，获得国家自然科学基金资助5项，项目负责人获得国家自然科学奖二等奖和教育部自然科学奖二等奖，申请国家发明专利4项，授权实用新型专利3项。