纳米柔性复合电子材料可延展性数值模拟优化设计

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纳米柔性复合电子材料具备极强的可延展性，能够像橡胶棒一样被弯曲，能够像弹簧一样被拉伸，而系统不发生崩溃，依然能够具有电学性能。经研究发现，蛇形轨迹的金属交联导体能够提高纳米柔性复合电子材料的可延展性，而马蹄形轨迹的金属交联导体所提高纳米柔性复合电子材料的可延展性更多。纳米柔性复合电子材料的可延展性能够通过金属交联导体优化来提高。
　　本文主要以完全粘接的马蹄形金属交联导体为研究对象，通过对其进行各方面优化研究延伸率的变化。本文研究采用数值模拟分析的手段完成，主要通过ABAQUS非线性有限元软件建立马蹄形薄膜交联导体-基底三维模型。本文从建立几何模型、网格划分、组装和接触、设置分析步等几个方面对建模过程进行了阐述。施加优化设计的基底预应变是提高纳米柔性复合电子材料可延展性的一项重要措施。接下来，本文研究了金属导体几何参数、材料参数与其能够承受最大预应变之间的关系以及柔性基底几何参数、材料参数与金属导体所能够承受最大预应变之间的关系。并对金属导体弹性延伸率与预应变的关系进行了验证研究。在基底预应变不使金属导体产生塑性变形的前提下，基底预应变越大，马蹄形金属交联导体弹性延伸率越大。
　　优化马蹄形交联导体几何参数和材料参数，研究预应变与无预应变情况下不同参数的马蹄形交联导体在拉伸至弹性极限率情况下的延伸率大小。以Origin软件绘制的曲线显示，无论存不存在预应变马蹄形交联导体弹性延伸率随着交联导体宽度、厚度变大而减小；而马蹄形交联导体弹性延伸率随着马蹄形半径、角度数增大而增大。交联导体金属层的弹性模量越大，弹性延伸率就会越大。此外，本文还对马蹄形交联导体结构进行了优化，将原来实心的马蹄形交联导体金属带优化为间隔镂空式马蹄形交联导体金属带。这种做法有利于提高交联导体弹性延伸率。
　　纳米柔性复合电子材料可延展性不仅来自金属交联导体，也来自柔性基底。优化柔性基底几何参数与材料参数同样可以提高纳米柔性复合电子材料可延展性。以Origin软件绘制的曲线显示，弹性模量越大的柔性基底，其降低导体可延展性能力越强；在基底厚度比交联导体厚度大很多的情况下，弹性延伸率相对基底厚度变化不敏感。在实际应用当中，为避免物理损坏和环境伤害，往往要对纳米柔性复合电子材料进行封装，在交联导体和岛状物上覆盖封装层。但是，封装层会大大降低纳米柔性复合电子材料的可延展性。通过优化封装层结构，将封装层中心部分镂空，使封装层与交联导体不发生接触，从而降低对金属导体可延展性的影响。比原先的封装层，镂空式的封装层大大提升了金属导体的可延展性。

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作者
王冠军;
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作者单位

燕山大学;

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授予单位燕山大学;
学科机械工程
授予学位硕士
导师姓名李学通;
年度 2016
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类 TB341;
关键词
纳米柔性复合电子材料; 金属交联导体; 马蹄形轨迹; 可延展性; 封装层;

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