柔性電子設備中OCA在不同溫度、濕度和應變率下的大應變力學行為

     光學透明膠粘劑（OCA）是柔性電子器件的核心材料，研究其在大應變、溫度和濕度環境下的力學行為對可折疊屏幕的可靠性設計至關重要。現有研究多局限于小應變（<100%）和常規環境條件，實際應用中OCA可能承受溫度環境以及高達1000%的大應變，傳統線性黏彈性模型難以描述OCA的復雜力學響應。因此，南方科技大學袁鴻雁副教授團隊研究了不同溫度范圍、濕度水平和應變率下OCA的大應變力學行為，建立了其非線性黏彈性本構模型。 

      本文在95% RH的濕度環境中，開展不同溫度（-40°C至80°C）、和應變率（0.01–5 s?1）的單軸拉伸、簡單剪切（應變1000%）和10小時蠕變測試（圖1）。借助數字圖像相關技術（DIC）測得OCA的泊松比μ≈0.46，驗證了材料近乎不可壓縮的特性（圖5）。

圖1力學試驗（拉伸、剪切、蠕變、彎曲）的加載示意圖

      實驗結果表明，OCA的模量呈現顯著溫度依賴性：從-40°C升至25°C時模量下降84%，25°C至80°C再降41%，低溫（-40°C）下剪切模量高達262.3 kPa，高溫（80°C）則銳減至20 kPa（圖2）。在蠕變試驗中，由于高溫高濕（80°C, 95% RH）環境引發的水蒸氣侵蝕，OCA材料會發生快速失效，其斷裂應變接近1500%（圖3）。但常溫下濕度變化對模量影響微弱。應變率效應表現為5 s?1下的應力值較0.01s?1下提升2倍，在高溫下OCA黏彈性響應顯著弱化。

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

圖3 (a)不同溫度下的簡單剪切結果, (b)低溫拉伸結果和(c)不同溫度下50 kPa應力下的蠕變試驗

      本文采用三階Yeoh超彈性模型描述材料的非線性彈性響應，結合廣義Maxwell模型（Prony級數）表征其黏彈性，突破了傳統線性黏彈性假設的局限。參數確定過程中，創新性地對每個溫度點獨立確定Yeoh模型和Prony級數模型參數，避免傳統時間-溫度等效理論（WLF方程）在大應變下的失效問題，顯著提升了的模型精度。通過三點彎曲仿真驗證了本構模型及參數的合理性，模擬結果顯示實驗與仿真的力-位移曲線相吻合，成功復現了粘彈性遲滯和應力松弛現象。

圖4 FEM三點彎加載示意圖及應力云圖

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

      綜上所述，本研究通過實驗和數值方法對柔性電子器件中OCA在不同溫度、應變速率和濕度條件下的大應變力學行為進行了系統研究。提出了一種分析OCA等軟質材料力學性能的通用方法，包括材料測試、本構參數校準、驗證以及將模型和參數應用于復雜大應變力學行為的有限元模擬中。該本構模型主要關注的是OCA的應力-應變關系。在大應變過程中，OCA分子網絡可能被破壞，進而導致頸縮等現象，現有模型未考慮這些損傷機制。

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