本研究由宁波大学机械工程与力学学院的边春燕和苗福兴共同完成，发表于2025年的开放获取期刊《FlexTech》，标题为《Thermomechanical Transient Response of Flexible Electronic Components with Periodic Porous PDMS Substrates》。研究聚焦柔性电子器件中周期性多孔聚二甲基硅氧烷（PDMS）基底的瞬态热力耦合响应，为优化器件结构设计提供了定量依据。

学术背景

柔性基底材料（如弹性基底、纸基、织物基和凝胶基）的性能直接影响电子器件的可靠性。PDMS因其低弹性模量、耐腐蚀性和生物相容性成为理想基底，而多孔PDMS进一步通过孔隙结构调控力学与热学性能，广泛应用于医疗检测、可穿戴设备等领域。然而，现有研究多关注其拉伸性能，热力耦合特性的系统性研究仍属空白。本研究旨在通过有限元建模，揭示热脉冲加载速率和基底孔隙率对柔性电子元件热力耦合行为的影响机制。

研究流程

1. 模型构建

   • 研究对象：由封装层（SU-8）、功能层（硅阵列）、互连结构（铜）和多孔PDMS基底组成的柔性电子元件（几何参数见表2）。基底设计为体心立方周期性孔胞结构，孔隙率（φ）设置为75%、80%、85%三组。
     
   • 材料参数：采用超弹性本构模型（表1），通过Abaqus软件建立热-力耦合有限元模型。功能层与互连结构使用八节点六面体单元（C3D8T），基底因几何复杂采用四节点四面体单元（C3D4T）。
     

2. 加载与边界条件

   • 热脉冲载荷：按公式(4)施加，加载速率（τ）设为0.2、0.3、0.4三组，模拟器件工作时的瞬态温升。
     
   • 机械冲击：在封装层上表面施加半正弦波冲击载荷（公式3），幅值1×10⁻⁴ N，时间0.1–0.6秒。
     
   • 约束条件：基底底部完全固定，层间采用”tie”约束模拟实际粘接。
     

3. 数值分析

   • 观测点：功能层硅片中心点（ASI）的温度、热应力和位移响应。
     
   • 对比参数：不同τ和φ下功能层与基底层的温度场、应力场及位移分布（图4–图17）。
     

主要结果

1. 热脉冲加载速率的影响

   • 温度响应：τ从0.2增至0.4时，功能层最高温度仅降低0.02%，而基底界面温度下降0.24%（图5），表明快速加载可减缓热积累。
     
   • 应力与位移：功能层最大热应力降低15.13%，位移减小18.05%（图6–图8）。基底层的应力与位移降幅更大（17.41%），证实多孔结构有效吸收脉冲能量。
     

2. 孔隙率的影响

   • 热传导性能：φ从75%增至85%时，功能层温度上升0.053%（图12），基底热导率下降导致热阻增大。
     
   • 力学响应：功能层热应力增加27.21%，位移激增230.29%（图14–图16）。高孔隙率（85%）基底虽增强能量耗散，但牺牲了结构稳定性。
     

3. 耦合机制

   • 基底层的瞬态响应幅值始终高于功能层（图7、图10），表明多孔结构通过塑性变形吸收外部载荷，保护功能层稳定运行。
     

结论与价值

1. 科学意义：首次量化了多孔PDMS基底在热力耦合条件下的能量耗散机制，揭示了孔隙率与热机械性能的非线性关系。
   
2. 应用价值：为柔性电子器件设计提供优化方向——较低孔隙率（75%）基底可平衡热管理与结构稳定性，延长器件寿命。
   
3. 方法论创新：开发了基于周期性孔胞的有限元建模方法，适用于复杂多孔材料的跨尺度仿真。
   

研究亮点

• 多场耦合建模：整合热脉冲与机械冲击载荷，真实模拟极端工况下的失效机制。
  
• 参数化设计：通过孔隙率与加载速率的协同调控，提出性能优化窗口。
  
• 工程指导性：明确基底作为”牺牲层”的保护作用，为高可靠性柔性电子设计提供理论支撑。
  

其他发现

实验数据与Fang等（2021）的理论模型吻合，证实孔隙率（非孔径）是影响PDMS热导率的主控因素。此外，有序孔结构会抑制热对流，需在散热设计与机械性能间权衡（引用文献38–39）。