柔性电子设备中OCA在不同温度、湿度和应变率下的大应变力学行为

     光学透明胶粘剂（OCA）是柔性电子器件的核心材料，研究其在大应变、温度和湿度环境下的力学行为对可折叠屏幕的可靠性设计至关重要。现有研究多局限于小应变（<100%）和常规环境条件，实际应用中OCA可能承受温度环境以及高达1000%的大应变，传统线性黏弹性模型难以描述OCA的复杂力学响应。因此，南方科技大学袁鸿雁副教授团队研究了不同温度范围、湿度水平和应变率下OCA的大应变力学行为，建立了其非线性黏弹性本构模型。 

      本文在95% RH的湿度环境中，开展不同温度（-40°C至80°C）、和应变率（0.01–5 s⁻¹）的单轴拉伸、简单剪切（应变1000%）和10小时蠕变测试（图1）。借助数字图像相关技术（DIC）测得OCA的泊松比μ≈0.46，验证了材料近乎不可压缩的特性（图5）。

图1力学试验（拉伸、剪切、蠕变、弯曲）的加载示意图

      实验结果表明，OCA的模量呈现显著温度依赖性：从-40°C升至25°C时模量下降84%，25°C至80°C再降41%，低温（-40°C）下剪切模量高达262.3 kPa，高温（80°C）则锐减至20 kPa（图2）。在蠕变试验中，由于高温高湿（80°C, 95% RH）环境引发的水蒸气侵蚀，OCA材料会发生快速失效，其断裂应变接近1500%（图3）。但常温下湿度变化对模量影响微弱。应变率效应表现为5 s⁻¹下的应力值较0.01s⁻¹下提升2倍，在高温下OCA黏弹性响应显著弱化。

图2 (a) 25℃下不同应变率下的拉伸试验, (b) 25℃、(c) 65℃和(d) 80℃下不同应变率下的剪切试验

图3 (a)不同温度下的简单剪切结果, (b)低温拉伸结果和(c)不同温度下50 kPa应力下的蠕变试验

      本文采用三阶Yeoh超弹性模型描述材料的非线性弹性响应，结合广义Maxwell模型（Prony级数）表征其黏弹性，突破了传统线性黏弹性假设的局限。参数确定过程中，创新性地对每个温度点独立确定Yeoh模型和Prony级数模型参数，避免传统时间-温度等效理论（WLF方程）在大应变下的失效问题，显著提升了的模型精度。通过三点弯曲仿真验证了本构模型及参数的合理性，模拟结果显示实验与仿真的力-位移曲线相吻合，成功复现了粘弹性迟滞和应力松弛现象。

图4 FEM三点弯加载示意图及应力云图

图5 (a)三点弯曲试验（加载-卸载）, (b)加载-保持-卸载试验结果与FEM， (c) 10、(d) 60、(e) 300、(f) 600 s不同保持时间下的加载-卸载试验结果与FEM的比较 (g) DIC散斑分布和泊松比

      综上所述，本研究通过实验和数值方法对柔性电子器件中OCA在不同温度、应变速率和湿度条件下的大应变力学行为进行了系统研究。提出了一种分析OCA等软质材料力学性能的通用方法，包括材料测试、本构参数校准、验证以及将模型和参数应用于复杂大应变力学行为的有限元模拟中。该本构模型主要关注的是OCA的应力-应变关系。在大应变过程中，OCA分子网络可能被破坏，进而导致颈缩等现象，现有模型未考虑这些损伤机制。

      相关论文以“Large strain mechanical behaviors of optically clear adhesives for flexible electronic devices under different temperature, humidity, and strain rates"为题发表在《Journal of Applied Polymer Science》。