复合柔性电子变形失配的数字图像相关研究学术报告

一、作者与发表信息
本研究由天津商业大学机械工程学院的陈少轩、陈诚、张宏儒合作完成，发表于《电子测量与仪器学报》（*Journal of Electronic Measurement and Instrumentation*）2020年第34卷第6期，受天津市自然科学基金（17JCZDJC38200）资助。

二、学术背景
复合柔性电子（如柔性太阳能电池、植入式传感器等）在复杂变形工况下，相邻层因材料力学性能差异易发生变形失配，导致界面分层或失效。现有研究多依赖有限元模拟或静态观察（如扫描电镜），缺乏对实际变形过程的实时定量表征。为此，本研究提出基于数字图像相关（Digital Image Correlation, DIC）的非接触式测量系统，通过定义图案化应变波动指数p，定量评价变形失配程度，为柔性电子设计提供实验依据。

三、研究流程与方法
1. 样品制备
- 材料与工艺：以聚二甲基硅氧烷（PDMS）为基底，通过旋涂、紫外臭氧处理（UVO）、溅射金属（Ti/Cu）及电镀工艺制备二维马蹄形图案化金属层（厚度2 μm），最终转印至200 μm厚PDMS薄膜。
- 几何参数：样品尺寸40×10 mm，图案宽度100 μm，弧半径365 μm，弧角210°（图2）。

1. 实验系统设计

   • 硬件：集成精密移动平台、Linkam TST350冷热台（控温精度0.1℃）、PointGrey工业CCD相机（分辨率1624×1224像素）及双远心镜头（消除离面位移误差）。
     
   • 验证实验：通过平移实验（每次移动0.5 mm）验证系统精度，DIC分析显示平移误差%（表1），满足微米级变形测量需求。
     

2. 变形失配测量

   • 实验条件：在25℃、50℃、75℃、100℃下对样品进行单轴拉伸（速度200 μm/s，总位移2 mm），每200 μm采集一次图像。
     
   • DIC参数：感兴趣区域（ROI）310×1180像素，子集29×29像素，步长6像素，使用VIC-2D软件计算von Mises应变场。
     

3. 数据分析方法

   • 图案化应变波动指数p：定义为全场von Mises应变的标准差（公式1），用于量化应变分布的波动程度，反映变形失配的严重性。
     

四、主要结果
1. 变形失配特征
- 50℃下拉伸2 mm时，von Mises应变最大值（0.043）与最小值（0.026）相差65%，呈现大小不均但分布均匀的条带状间隔（图6），条带方向与拉伸方向呈60°夹角，与金属图案几何相关。
- 三维应变场显示（图7），拉伸距离从0.4 mm增至2 mm时，波谷-波峰高度差扩大300%，表明变形失配程度随拉伸加剧而显著增加。

1. 温度影响
   
   • 低温区间（25℃–75℃）：指数p随拉伸距离线性增长，但温度变化对p的影响较小（最大差值2.5×10⁻⁴）。
     
   • 高温区间（75℃–100℃）：p值增幅达60%（图8），尤其在2 mm拉伸下，p的温差效应比低温区间高720%（图9），归因于材料热膨胀系数差异引发的热应力。
     

五、结论与价值
1. 科学价值：首次通过DIC方法实现了复合柔性电子变形失配的实时全场测量，提出的指数p为定量评价多层结构变形兼容性提供了新指标。
2. 应用价值：揭示温度与拉伸距离对变形失配的协同影响，建议柔性电子设计中选择热膨胀系数匹配的材料以提升可靠性。

六、研究亮点
1. 方法创新：结合DIC与自定义指数p，克服了传统方法（如SEM）无法动态测量的局限。
2. 发现创新：明确了变形失配在高温下的突变阈值（75℃），为工况设计提供临界参数。

七、其他贡献
- 实验系统设计可推广至其他柔性器件的变形分析，如柔性传感器或可穿戴设备。
- 研究数据公开（DOI:10.13382/j.jemi.B1902873），支持后续比对研究。

（注：全文术语规范，如Digital Image Correlation首次出现时标注“DIC”，PDMS、UVO等专业缩写保留原表述。）