柔性電子設(shè)備中OCA在不同溫度、濕度和應(yīng)變率下的大應(yīng)變力學(xué)行為

     光學(xué)透明膠粘劑（OCA）是柔性電子器件的核心材料，研究其在大應(yīng)變、溫度和濕度環(huán)境下的力學(xué)行為對(duì)可折疊屏幕的可靠性設(shè)計(jì)至關(guān)重要。現(xiàn)有研究多局限于小應(yīng)變（<100%）和常規(guī)環(huán)境條件，實(shí)際應(yīng)用中OCA可能承受溫度環(huán)境以及高達(dá)1000%的大應(yīng)變，傳統(tǒng)線(xiàn)性黏彈性模型難以描述OCA的復(fù)雜力學(xué)響應(yīng)。因此，南方科技大學(xué)袁鴻雁副教授團(tuán)隊(duì)研究了不同溫度范圍、濕度水平和應(yīng)變率下OCA的大應(yīng)變力學(xué)行為，建立了其非線(xiàn)性黏彈性本構(gòu)模型。 

      本文在95% RH的濕度環(huán)境中，開(kāi)展不同溫度（-40°C至80°C）、和應(yīng)變率（0.01–5 s?1）的單軸拉伸、簡(jiǎn)單剪切（應(yīng)變1000%）和10小時(shí)蠕變測(cè)試（圖1）。借助數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)（DIC）測(cè)得OCA的泊松比μ≈0.46，驗(yàn)證了材料近乎不可壓縮的特性（圖5）。

圖1力學(xué)試驗(yàn)（拉伸、剪切、蠕變、彎曲）的加載示意圖

      實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，OCA的模量呈現(xiàn)顯著溫度依賴(lài)性：從-40°C升至25°C時(shí)模量下降84%，25°C至80°C再降41%，低溫（-40°C）下剪切模量高達(dá)262.3 kPa，高溫（80°C）則銳減至20 kPa（圖2）。在蠕變?cè)囼?yàn)中，由于高溫高濕（80°C, 95% RH）環(huán)境引發(fā)的水蒸氣侵蝕，OCA材料會(huì)發(fā)生快速失效，其斷裂應(yīng)變接近1500%（圖3）。但常溫下濕度變化對(duì)模量影響微弱。應(yīng)變率效應(yīng)表現(xiàn)為5 s?1下的應(yīng)力值較0.01s?1下提升2倍，在高溫下OCA黏彈性響應(yīng)顯著弱化。

圖2 (a) 25℃下不同應(yīng)變率下的拉伸試驗(yàn), (b) 25℃、(c) 65℃和(d) 80℃下不同應(yīng)變率下的剪切試驗(yàn)

圖3 (a)不同溫度下的簡(jiǎn)單剪切結(jié)果, (b)低溫拉伸結(jié)果和(c)不同溫度下50 kPa應(yīng)力下的蠕變?cè)囼?yàn)

      本文采用三階Yeoh超彈性模型描述材料的非線(xiàn)性彈性響應(yīng)，結(jié)合廣義Maxwell模型（Prony級(jí)數(shù)）表征其黏彈性，突破了傳統(tǒng)線(xiàn)性黏彈性假設(shè)的局限。參數(shù)確定過(guò)程中，創(chuàng)新性地對(duì)每個(gè)溫度點(diǎn)獨(dú)立確定Yeoh模型和Prony級(jí)數(shù)模型參數(shù)，避免傳統(tǒng)時(shí)間-溫度等效理論（WLF方程）在大應(yīng)變下的失效問(wèn)題，顯著提升了的模型精度。通過(guò)三點(diǎn)彎曲仿真驗(yàn)證了本構(gòu)模型及參數(shù)的合理性，模擬結(jié)果顯示實(shí)驗(yàn)與仿真的力-位移曲線(xiàn)相吻合，成功復(fù)現(xiàn)了粘彈性遲滯和應(yīng)力松弛現(xiàn)象。

圖4 FEM三點(diǎn)彎加載示意圖及應(yīng)力云圖

圖5 (a)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)（加載-卸載）, (b)加載-保持-卸載試驗(yàn)結(jié)果與FEM， (c) 10、(d) 60、(e) 300、(f) 600 s不同保持時(shí)間下的加載-卸載試驗(yàn)結(jié)果與FEM的比較 (g) DIC散斑分布和泊松比

      綜上所述，本研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值方法對(duì)柔性電子器件中OCA在不同溫度、應(yīng)變速率和濕度條件下的大應(yīng)變力學(xué)行為進(jìn)行了系統(tǒng)研究。提出了一種分析OCA等軟質(zhì)材料力學(xué)性能的通用方法，包括材料測(cè)試、本構(gòu)參數(shù)校準(zhǔn)、驗(yàn)證以及將模型和參數(shù)應(yīng)用于復(fù)雜大應(yīng)變力學(xué)行為的有限元模擬中。該本構(gòu)模型主要關(guān)注的是OCA的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。在大應(yīng)變過(guò)程中，OCA分子網(wǎng)絡(luò)可能被破壞，進(jìn)而導(dǎo)致頸縮等現(xiàn)象，現(xiàn)有模型未考慮這些損傷機(jī)制。

      相關(guān)論文以“Large strain mechanical behaviors of optically clear adhesives for flexible electronic devices under different temperature, humidity, and strain rates"為題發(fā)表在《Journal of Applied Polymer Science》。