隨著(zhù)技術(shù)的迅速發(fā)展，可穿戴設備將會(huì )對我們的生活帶來(lái)很大轉變。而可延展可彎曲的柔性電子器件，由于能滿(mǎn)足人們對電子產(chǎn)品的可變性、便攜等要求，將會(huì )在電子產(chǎn)業(yè)發(fā)揮不可替代的支柱性作用。其中最重要的是使薄膜器件的電學(xué)性能在大變形中維持在相對穩定的水平。為了提升功能薄膜的可變形性，科學(xué)界從力學(xué)性質(zhì)入手提出了幾個(gè)策略。
      例如，硅和砷化鎵的半導體帶能以正弦曲線(xiàn)周期的皺褶或扣環(huán)的方式集成在彈性基底上，這種皺褶或扣環(huán)是一種可拉伸結構，能夠適應大的拉伸或壓縮位移。另一個(gè)可伸縮的結構是由功能薄膜器件組成孤立的剛性群島，配以薄的金屬薄膜的蛇形線(xiàn)連接。功能薄膜的蛇形結構的設計能大大增加薄膜的可延展性。魯南姝在聚酰亞胺上濺射ITO的蛇形線(xiàn)，研究了不同尺寸蛇形線(xiàn)結構的力學(xué)和電學(xué)性質(zhì)變。Rogers團隊成功將2維功能薄膜轉變成了3維的結構，相比于原有的2維結構，這種新的3維結構能夠適應更大程度的拉伸和彎曲，從而使制得的柔性器件具備更強的穩定性。
      然而，對于柔性基底本身的研究還較少。筆者首次從基底的角度，通過(guò)有限元分析，提出了改善基底的大應變性能的方案。大應變、輕便性好的基底材料對于柔性基底將會(huì )起到重要的作用，具有廣泛而實(shí)用的價(jià)值。其中聚二甲基硅氧烷(PDMS)具有極好的生物親和性、化學(xué)惰性和低彈性模量，可以在不破壞結構的情況下承受極大的機械形變，是理想的大應變柔性基底材料。通過(guò)改變PDMS的配比，調整基底的彈性模量和泊松比，從而對其拉伸性進(jìn)行調控。
      本文采用有限元及位移法，利用Abaqus，對矩形PDMS薄板在水平均勻位移載荷下的應變模態(tài)進(jìn)行仿真，繪制不同配比時(shí)的應力-應變的變化關(guān)系，進(jìn)而計算出柔性基底的受力和形變關(guān)系，得到具有更好大應變性能基底的方法。
      超彈性(hyperplastic)是指材料存在一個(gè)彈性勢能函數，該函數是應變張量的標量函數，其對應變分量的導數是對應的應力分量，表示在卸載時(shí)應變可自動(dòng)恢復的現象。應力和應變不再是線(xiàn)性對應的關(guān)系，而是以彈性能函數的形式一一對應。
      PDMS拉伸極限較大，應力很難超過(guò)它的拉伸極限。PDMS在外力撤去后一般仍能恢復原有的形狀和尺寸，故不認為它超過(guò)彈性極限，可認為它的應力-應變曲線(xiàn)取線(xiàn)性變化階段。在計算過(guò)程中，把PDMS的材料性質(zhì)定義為超彈性。
      鑒于超彈性是描述一種應力應變關(guān)系非線(xiàn)性的材料的一種模型，常見(jiàn)的超彈性模型有StVenant-Kirchhoff模型、Fung模型、Mooney-Rivlin模型、Ogden模型等，本模擬中應用的是Mooney-Rivlin模型。
      根據有限元分析的思想，模擬中將矩形基板劃分為有限個(gè)特定體積的小單元，并對每個(gè)小單元進(jìn)行數值分析。故在以下的應變分布以及應力-應變關(guān)系的分析中，以等間距法選取一些具有代表性的小單元。具體表現為：先選取一列目標單元并記錄其標簽，再按照等間距的方法選取具有代表性的小單元的標簽，輸出這些標簽并帶入分析。這樣做既能保證結果具有代表性，又能大大簡(jiǎn)便運算量，提高結果分析的效率。
      采用Abaqus軟件對柔性基板進(jìn)行有限元分析，具體步驟如下：
      (a)建立模型。參數設置為：長(cháng)度100mm，寬度40mm，厚度5mm，E=1.8MPa，v=0.48。將材料的性質(zhì)參數轉化為Mooney-Rivlin模型中的C10、C01和d，則C10=0.243243，C01=0.060811，d=0.133333。(b)定義載荷。結構兩側均施加拉位移10mm，其余方向為初始狀態(tài)。(c)劃分網(wǎng)格。將模型按照近似尺寸為0.5mm進(jìn)行劃分，得到個(gè)數為200×40×5的網(wǎng)格，便于下一步的有限元分析。(d)設置分析步，建立作業(yè)，提交分析。(e)輸出結果，記錄并分析。從表述PDMS基板應變模態(tài)分布的圖可以看出，在基板不同位置，其應變模態(tài)是不同的。下面將討論不同位置的應變分布。
 

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