柔性电子器件中超弹性材料复杂力学行为的预测及控制

柔性电子器件是上世纪九十年代中期发展起来的一种全新的集成电路技术，其核心设计思想是将电子元件和连接电子元件的交联导体全部集成在柔性可延展的高分子聚合物基体上。相比传统刚性平板电路技术，柔性电子器件最突出的特点是以超弹性柔性基底取代刚性基板，可承受拉伸、压缩、折叠、卷曲以及扭曲等变形，同时具备传统半导体器件灵敏高通量的优异电子学特性。由于软硬两种材料在力学性能参数方面（如弹性模量、泊松比、硬度、热传导系数和热膨胀系数等）都相差几个数量级，给结构的整体制备和长期可靠性带来极大挑战，发展相应的力学模型与设计方法，对于掌握该类结构的变形机制及提高设计和制备水平具有重要的科学和现实意义。 本项目主要针对软硬材料膜-基结构体系的协同大变形、膜-基层状结构体系的传热规律和热管理、膜-基界面行为、热力耦合变形等开展系统的理论研究，旨在提出有效的结构材料参数设计准则律，为柔性电子器件的设计、制备和应用提供方便可用的理论公式。项目通过四年探索和研究，在脆硬材料材料薄膜阵列-基底系统的膜结构变形、膜-基界面的热致断裂行为、纳米膜-基结构封装材料热毛细流动行为、膜-基层状结构传热规律和散热设计、膜-基型压电器件俘能和传感等方面获得一些列重要理论发现，建立了一系列实用性强的软硬材料膜-基结构协同变形和散热优化设计的简化准则律公式，为仿生电子照相机、病变心肌烧蚀切割治疗的精确定位、光基因遗传神经调控的脑组织无损化、纳米尺度温度场的精确量测、半导体碳纳米管提纯、柔性电子的高效激光转印制备、以及生物信号监测与传感等无机柔性电子器件的设计、制备和应用提供了重要的科学依据。 项目共发表SCI期刊论文20篇，参加国际国内会议20余人次。项目执行期内项目组成员获得国家级人才计划3人次，获得国家自然科学基金资助5项，项目负责人获得国家自然科学奖二等奖和教育部自然科学奖二等奖，申请国家发明专利4项，授权实用新型专利3项。

柔性电子器件是一个全新的集成电路设计概念,由于具有柔软可任意变形的优点，将在诸多领域取代传统刚性平板电路成为下一代电子器件技术的核心。本项目拟针对柔性电子器件中超弹性材料的复杂力学行为，包括拉弯/折叠/扭曲/褶皱等变形、超弹性材料与周围其他结构体的粘附或剥离、超弹性材料的挤压大变形等，基于非线弹性本构模型和有限变形理论进行力学建模与变形机理分析；同时,研究柔性电子器件超弹性材料基底的热传导规律,对超弹性基底中的局部热应力和热变形进行理论评估,并考察结构和材料参数变化对温度场分布和热变形的影响。通过本项目的实施，拟针对柔性电子器件超弹性材料建立统一的结构分析理论，确定有关结构变形的控制条件，并针对热应力和热变形提出有效的控制方法，可望为提高柔性电子器件的整体性能提供理论依据。本项目的研究不仅具有很强的工程应用背景，也可充分体现力学在高科技领域的作用，具有潜在的科学意义。

将复杂网络理论应用于电器控制系统故障诊断和预测研究中，从系统整体上对电器控制系统中故障的传播过程和演变机制的动力学行为做出解释，实现诊断和预测目的。首先针对不同的故障特点和诊断预测目标，研究电器控制系统中节点和连接关系的描述和表示方法及系统级拓扑模型的生成过程，并研究常用的复杂网络模型在故障建模中的适用性及改进方法，完成故障拓扑结构的优化过程。其次，在故障传播动力学研究中，采用节点与连接边的混合动态模型和有效的搜素算法，得到一个或多个节点形成的子系统发生故障时的动态模型表示和演变过程，并研究网络系统上相继故障发生时的诊断、预防与控制策略。最后，在故障统一建模的理论研究基础上，借助于数值模拟和系统测试来完成结果的验证和改进，并完善该技术的实际应用方法，为大型复杂行业的电器控制系统故障诊断和预测维护提供理论方法和技术手段。

预测控制算法种类较多，表现形式多种多样，但都可以用预测模型、滚动优化和反馈校正这三条基本原理加以概括。

预测控制系统预测模型

预测控制的本质是在对过程的未来行为进行预测的基础上，对控制量加以优化，而预测是通过模型来完成的。因此模型是预测控制的基本元素。预测模型的功能是根据对象的历史信息和未来输入预测其未来输出。在MAC算法中，根据被控对象的单位脉冲响应序列，截取前N项构建系统的近似脉冲传递函数并将其作为预测和控制的模型。

预测控制系统滚动优化

预测控制的优化，是在未来一段时间内，通过某一性能指标的最优化来确定未来的控制作用，这一性能指标涉及系统未来的行为，并且在下一时刻只施加当前时刻控制作用，从而依次滚动进行。可见，它是在线反复进行的，而且优化是局部优化，有别于传统意义下的全局优化。为了不使控制量的变化过于激烈，MAC采用如下优化性能指标：

其中，q_i，r_i分别为误差加权系数和控制加权系数，表示对误差和控制变化的抑制。

预测控制系统反馈校正

预测控制是一种闭环控制算法，用预测模型预测未来的输出时，由于对象先前信息的不充分，预测值与真实值之间存在一定的偏差，只有充分利用实际输出误差进行反馈校正，才能得到良好的控制效果。利用模型的预测误差：

来校正模型的预测，得到新的更为准确的模型预测，这个过程将反复在线进行。

柔性电子1) 碳纳米管

碳纳米管（CNT）由于其高的本征载流子迁移率，导电性和机械灵活性而成为用于柔性电子学的有前途的材料，既作为场效应晶体管（FET）中的沟道材料又作为透明电极。管状碳基纳米结构可以被设想成石墨烯卷成一个无缝的圆柱体，它们独特的性质使其成为理想的候选材料。因为它们具有高的固有载流子迁移率和电导率，机械灵活性以及低成本生产的潜力。另一方面，薄膜基碳纳米管设备为实现商业化提供了一条实用途径。John A. Rogers与鲍哲楠教授分别发表了专题文章描述了基于CNT的柔性器件的处理和应用，回顾了柔性电子器件中碳纳米管的最新进展。

柔性电子2)氧化锌

氧化锌是一种众所周知的宽带隙半导体材料（室温下3.4 eV，晶体），它有很多应用，如透明导体，压敏电阻，表面声波，气体传感器，压电传感器和UV检测器。并因为可能应用于薄膜晶体管方面正受到相当的关注。同时氧化锌还具有相当良好的生物相容性，可降解性。E.Fortunato教授介绍了基于氧化锌的新型薄膜晶体管所带来的主要优势，这些薄膜晶体管在下一代柔性电子器件中非常有前途。

除此之外，还有众多的二维材料被应用于柔性电子领域，包括石墨烯、半导体氧化物，纳米金等。2014年发表在chemical review和nature nanotechnology上的两篇经典综述详尽阐述了二维材料在柔性电子的应用。