具有周期性多孔PDMS基底的柔性电子元件的热机械瞬态响应

《FlexTech》：Thermomechanical Transient Response of Flexible Electronic Components With Periodic Porous PDMS Substrates

本研究通过有限元模型分析了周期多孔PDMS基底层的热脉冲加载速率和孔隙率对柔性电子组件热-机械耦合响应的影响，发现低孔隙率基底层能有效降低热应力和位移，提升组件稳定性与寿命。

　　在当前的研究中，科学家们聚焦于柔性电子器件中一种特殊材料——周期性多孔聚二甲基硅氧烷（PDMS）基底的热力耦合响应。通过建立热力耦合有限元模型，他们深入探讨了热脉冲加载速率和基底多孔率对这些器件整体性能的影响。研究发现，当热脉冲加载速率和基底多孔率发生变化时，器件内部的功能层和基底层在温度、热应力以及位移等方面的响应呈现出显著差异。特别是，在热脉冲作用下，基底层表现出更大的热应力和位移变化，这表明多孔基底在热力耦合过程中具有更强的能量吸收能力，从而保障了功能层的稳定运行。这一发现为优化柔性电子器件的结构设计和提高其耐用性提供了重要的理论依据。

### 研究背景与意义

柔性电子器件因其独特的可弯曲性和可拉伸性，广泛应用于可穿戴设备、柔性传感器、医疗监测系统等多个领域。然而，这些器件在实际使用中往往会面临复杂的热力耦合环境，例如在外部热源作用下产生的温度变化，以及由于机械冲击或变形引起的应力分布。因此，如何在设计阶段合理调控材料的热力特性，以确保器件在极端条件下的稳定性和长期性能，成为当前研究的重点。

PDMS作为一种具有低弹性模量、优异耐腐蚀性和良好电子材料兼容性的弹性材料，已被广泛应用于柔性电子器件的基底设计中。其多孔结构不仅提升了器件的机械性能，还显著改善了热管理能力。研究表明，多孔PDMS可以通过调控孔隙率、孔隙尺寸、分布方式以及连通性等参数，实现对热传导、应力分布和整体结构稳定性的有效优化。这种材料的灵活性使其能够更好地适应复杂的外部环境，同时在热力耦合过程中展现出良好的能量耗散能力。

然而，目前大多数关于PDMS的研究主要集中在其机械性能和拉伸行为上，而对热力耦合特性（即温度变化与机械变形之间的相互作用）的系统性研究仍较为有限。本研究通过有限元模拟，结合热脉冲加载和机械冲击加载，对柔性电子器件在极端条件下的热力耦合响应进行了深入分析。这一研究不仅揭示了多孔基底在热力耦合过程中的关键作用，还为未来柔性电子器件的结构优化提供了理论支持和实验数据参考。

### 材料与方法

本研究的柔性电子器件由三层结构组成：封装层、功能层和基底层。其中，功能层由硅（Si）构成，封装层采用SU-8材料，而基底层则由多孔PDMS构成。为了全面分析热力耦合响应，研究团队对这些材料的物理和热学特性进行了详细定义。例如，SU-8的弹性模量较低，能够有效缓冲外部机械应力；而PDMS的低密度和高热稳定性使其在热管理方面表现出色。

在建模过程中，研究者采用了周期性多孔结构的PDMS基底，其单元尺寸为e。基底的多孔率（φ）被定义为单位体积中孔隙体积所占的比例。为了模拟不同多孔率对器件热力耦合行为的影响，研究团队选择了三种不同的多孔率（75%、80%和85%）进行对比分析。此外，热脉冲加载速率也被纳入研究范围，分别设为0.2、0.3和0.4，以探讨加载速率对器件性能的具体影响。

在模拟过程中，研究团队使用了ABAQUS软件进行热力耦合分析。通过设定不同的边界条件和加载方式，他们对器件的温度场、应力场和位移场进行了系统性的模拟。例如，热脉冲加载以某种数学函数描述，而机械冲击则通过半正弦波模拟，以更真实地再现实际应用中的极端条件。同时，为了确保计算的准确性和效率，研究者采用了不同的有限元模型：对于功能层和封装层，使用了八节点线性六面体热-位移耦合单元（C3D8T），而对于多孔结构复杂的基底层，则选择了四节点线性热耦合四面体单元（C3D4T），以适应其不规则的几何形状。

### 热脉冲加载速率的影响

研究结果表明，热脉冲加载速率对器件的热力耦合响应具有显著影响。当加载速率增加时，功能层和基底层的温度、热应力和位移均呈现出下降趋势。然而，这种下降在功能层中表现得较为轻微，而在基底层中则更为明显。这说明，随着加载速率的提高，基底层能够更有效地吸收和耗散脉冲能量，从而降低其内部的热应力和位移变化。

在功能层的中心点，随着加载速率从0.2增加到0.4，其温度下降约0.02%，热应力下降约9.13%，位移下降约1.17%。这些数据表明，虽然加载速率的变化对功能层的热力响应有一定影响，但其整体影响相对较小。相比之下，基底层的热应力和位移响应下降幅度更为显著，约为15.13%和15.00%。这说明，基底层在热力耦合过程中承担了更多的能量吸收和应力缓解任务，从而保护了功能层的稳定运行。

此外，研究团队还发现，当热脉冲加载速率提高时，基底层的热应力和位移变化更加明显。这可能与基底层内部的多孔结构有关，多孔结构能够有效引导热能的扩散路径，减少局部热积累，从而降低热应力的集中。因此，在实际应用中，合理选择热脉冲加载速率，有助于优化器件的热管理性能，提高其在高温或剧烈温度变化下的可靠性。

### 基底多孔率的影响

除了加载速率，基底的多孔率也是影响器件热力耦合响应的关键因素。研究结果表明，随着多孔率的增加，功能层和基底层的温度、热应力以及位移均呈现上升趋势。例如，当多孔率从75%增加到85%时，功能层的温度上升约0.053%，而热应力则上升约27.21%。这说明，多孔率的增加会降低基底层的热传导能力，导致热量在器件内部的积累，从而提高整体温度水平。

然而，基底层的多孔结构并不总是有益的。虽然高多孔率有助于热能的分散和机械应力的缓解，但它也可能降低基底层的结构稳定性。研究发现，当多孔率增加时，基底层的位移响应明显增强，尤其是其内部的Si晶片在四角处表现出最大的位移。这表明，高多孔率虽然提高了器件的热能耗散能力，但同时也增加了结构的脆弱性。因此，合理控制多孔率是实现器件长期稳定运行的关键。

为了进一步分析多孔率对器件性能的影响，研究团队还考察了不同多孔率下功能层和基底层的热应力和位移分布。结果显示，随着多孔率的增加，功能层的热应力和位移均显著上升。例如，当多孔率从75%增加到85%时，功能层的热应力增加了约27.21%，而位移则增加了约230.29%。这表明，高多孔率的基底层与功能层之间存在较大的热导率差异，从而导致功能层内部的热应力和位移增加。因此，在设计柔性电子器件时，必须权衡多孔率对热传导和结构稳定性之间的相互影响。

### 热力耦合的综合效应

通过对比不同多孔率和加载速率下的模拟结果，研究团队发现，热力耦合对器件整体性能的影响是复杂的。一方面，多孔结构能够有效吸收和分散外部热能和机械应力，从而减少对功能层的损害；另一方面，高多孔率可能导致基底层的结构稳定性下降，增加器件在极端条件下的失效风险。因此，合理设计多孔率和加载速率的组合，是实现器件高性能和长寿命的关键。

研究还指出，多孔率的增加会导致热传导能力的下降，从而在器件内部产生更多的热积累。这可能对器件的长期运行造成不利影响，尤其是在高温或长时间运行的场景下。然而，较低的多孔率虽然能够提高热传导能力，但可能限制器件的机械柔性和能量吸收能力。因此，如何在热传导和机械性能之间找到最佳平衡点，是当前柔性电子器件设计的重要课题。

此外，研究团队还发现，多孔结构的分布方式对热力耦合行为具有重要影响。例如，高度有序的孔隙排列可以限制热对流，使基底层具备一定的热绝缘特性。然而，这种结构也可能会导致功能层的温度上升，从而影响其性能。因此，在设计多孔结构时，需要综合考虑其热传导、机械性能以及对功能层的保护作用。

### 结论与展望

本研究通过有限元模拟，系统分析了周期性多孔PDMS基底在热力耦合条件下的响应行为。研究结果表明，热脉冲加载速率和基底多孔率是影响器件性能的关键因素。高加载速率有助于降低器件的热应力和位移响应，而适当的多孔率则能够增强基底的热能吸收和机械变形适应能力。

值得注意的是，虽然多孔PDMS基底的热传导能力较低，但其在热力耦合过程中的能量耗散能力使其成为一种理想的柔性电子器件材料。基底层在热力耦合过程中承担了更多的应力和热能吸收任务，从而保障了功能层的稳定运行。然而，研究也指出，高多孔率可能会影响基底的结构稳定性，因此在实际应用中需要根据具体需求选择合适的多孔率。

此外，研究还强调了热力耦合在柔性电子器件设计中的重要性。通过优化热脉冲加载速率和基底多孔率，可以有效提高器件的耐用性和性能表现。未来的研究可以进一步探索多孔结构的微观调控方法，例如通过改变孔隙的尺寸、形状和分布方式，来实现更精确的热管理。同时，结合实验数据和实际应用场景，研究团队可以更全面地评估多孔PDMS在柔性电子器件中的适用性，并推动其在可穿戴设备、医疗监测系统和柔性传感器等领域的应用。

综上所述，本研究为柔性电子器件的热力耦合分析提供了重要的理论依据和实验数据支持。通过合理调控基底材料的多孔率和热脉冲加载速率，可以显著提升器件的稳定性和使用寿命，为未来柔性电子技术的发展奠定了坚实的基础。