基于微孔结构的柔性器件拉伸性能增强研究

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柔性器件具有体积小、质量轻、载体自适应能力强等特点,在国防、医疗、信息、能源等领域应用前景广阔。然而,柔性器件在性能测试和设计制造过程中仍面临诸多问题:(1)在性能测试方面,缺乏专门针对柔性器件拉伸性能测试的设备,如实现柔性器件单轴拉伸、周向拉伸的测试设备;(2)在设计制造方面,确保柔性器件在大形变下导电性能稳定的基底结构有待进一步研究。基于柔性器件对拉伸性能测试设备、合理基底结构的需求,本文设计制造了柔性器件拉伸性能测试平台,揭示了盲孔结构对柔性器件拉伸性能的影响机理,提出了基于通孔结构的柔性器件拉伸性能增强方法,并采用上述拉伸性能测试平台对基于通孔结构的柔性器件拉伸性能增强效果进行了验证。主要研究内容如下:1、针对柔性器件单轴拉伸、周向拉伸测试的需求,按照模块化设计的思想,设计了单轴拉伸模块、周向拉伸模块,完成了柔性器件拉伸性能测试平台的机械系统设计;根据单轴拉伸、周向拉伸测试过程的控制需求,设计了硬件电路和可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)软件系统,完成了柔性器件拉伸性能测试平台的控制系统设计;经联机调试,柔性器件拉伸性能测试平台符合柔性器件单轴拉伸、周向拉伸测试要求。2、对具有盲孔结构的聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)薄膜进行了单轴拉伸仿真分析,结果显示盲孔周围应变在沿拉伸方向和垂直于拉伸方向均呈现对称分布,且沿拉伸方向的应变远小于垂直于拉伸方向的应变。这样的应变分布导致PDMS薄膜上的导电层在盲孔周围产生垂直于拉伸方向的规则裂纹,可以利用盲孔作为电流桥来维持导电性。3、对具有通孔结构的PDMS薄膜进行了单轴拉伸仿真分析,结果显示了通孔结构替代盲孔结构的可行性,以此PDMS薄膜为基底的柔性器件拉伸性能将在通孔间距与直径比值为0.1时达到最佳,且随着该比值偏离0.1而逐渐减弱。在现有加工条件下,制作了通孔间距与直径比值分别为0.5、1、2的通孔结构PDMS薄膜电极与平面PDMS薄膜电极,进行了单轴拉伸实验,结果显示通孔结构PDMS薄膜电极的拉伸性能随着通孔间距与直径比值增大而减弱,但较平面PDMS薄膜电极均有所增强。通孔间距与直径比值为0.5的电极拉伸性能最好,可以承受最大38%的拉伸形变,较平面PDMS薄膜电极提高了4倍。
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