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柔性电子卷到卷制造中薄膜褶皱机理建模与实验验证

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卷到卷制造技术在柔性电子、柔性显示等新兴产业得到越来越广泛的关注。然而卷到卷制造中柔性薄膜所受复杂复合载荷的作用、自身不均匀的截面等因素;使得薄膜在受拉时易产生褶皱;进而影响薄膜精确进给、视觉定位及生产线上喷印、精密操作等工艺模块运行;导致加工进程效率低、并降低了产品性能质量。通过分析薄膜的应力分布、产生褶皱的临界条件及其与工艺参数之间的关系;将为卷到卷制造系统设计、工艺参数选取提供了理论基础和技术依据。本文主要研究工作包括： 提出了一种求解薄膜临界褶皱条件的方法。在应力场求解阶段;根据产生局部压应力的不同原因;对于受拉弯剪复合作用的薄膜;采用铁木辛柯梁理论推导了薄膜的应力分布;对于受不均张力作用的薄膜;则基于能量法和应力叠加法获得其应力场。在屈曲特征值求解阶段;针对受拉屈曲中挠曲面项数多、传统伽辽金法直接积分困难的问题;改进了求解过程;降低了求解难度;可适用于受拉屈曲特征值的求解。推导出一个考虑了弯曲刚度变化的屈曲差分方程;用于求解变截面薄膜的受拉屈曲问题。 面向辊轴不平行导致的薄膜的受拉褶皱;建立了基于梁模型和改进伽辽金法的薄膜应力分布和临界褶皱模型。提出了一种迭代计算方法;用于求解临界褶皱条件中的临界张力和临界偏转角。所提方法考虑了薄膜中剪应力与正应力的变化;能获得更高精度的求解。利用该方法详细分析了临界偏转角、临界张力与薄膜几何、材料参数之间相互影响关系。研究表明：薄膜抗褶皱能力随长宽比、张力的增加而增加;随薄膜宽度、弹性模量和厚度的增加而减少。 探索了辊间压力不均匀下薄膜褶皱的规律;建立了褶皱条件受对辊材料-结构、偏载影响模型。首先分析了胶层压入特性;由弹性地基梁理论;获得辊间压力及薄膜所受张力的分布规律;并提出用抛物线分布进行近似。然后基于应力函数叠加法和能量法;求出薄膜的应力分布;分析了其与辊子参数、偏载情况、薄膜长宽比之间的关系。接着采用改进伽辽金法求得了薄膜的临界褶皱条件。研究表明;对辊结构参数是影响薄膜抗褶皱能力的主要原因;张力不均匀程度越大;薄膜越易褶皱。并且薄膜长宽比也影响着薄膜应力分布和屈曲强度;长宽比为1.6时薄膜最容易产生褶皱。 采用有限差分法获得了变截面受拉薄膜的临界褶皱条件。采用位移差分法求出了薄膜中的应力分布;并用考虑刚度变化的差分法获得临界褶皱条件。所求结果与Abaqus 计算结果相吻合。系统分析了变截面区的几何尺寸、位置;辊轴不平行、张力不均匀对薄膜稳定性的影响。并通过改变变截面区的位置模拟薄膜的输送过程;获得了在输送过程中薄膜稳定性的变化规律。研究表明;采用较短较宽的变截面区形状;能提高薄膜的屈曲强度。变截面薄膜的屈曲强度随辊轴偏转角增加而降低;随张力不均程度增加而先增加再降低。 搭建了基于机器视觉的褶皱测量实验平台。测量了不同偏转角、长宽比下;薄膜褶皱波幅与加载张力间的变化规律;获得了临界褶皱张力与偏转角、长宽比的关系曲线。实验分析了含矩形变截面区的薄膜中变截面区几何参数对临界褶皱张力的影响。实验结果表明：实验所测临界褶皱张力及变化规律与本文所提的理论方法相吻合。

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