一种应变隔离层及具有其的柔性器件的制作方法

1.本发明具体涉及一种应变隔离层及具有其的柔性器件。


背景技术：

2.当柔性器件(例如柔性电路板)附着在其贴合对象上并产生较大曲率的弯曲变形时，柔性器件能随贴合对象共形弯曲。然而，目前柔性器件上多设有刚性的硬质器件，这些硬质器件在柔性器件弯曲变形时，易于自身边界处产生较大的集中应力；当柔性器件在使用过程中经长期多次的弯曲疲劳变形后，这些硬质器件的边缘与柔性器件之间将会逐渐萌生裂纹并产生失稳扩展现象，影响柔性器件的使用寿命。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种应变隔离层，其能位于柔性器件中柔性基底(用于与贴合对象相接触)与硬质器件之间，为硬质器件缓冲甚至隔离来自柔性器件弯曲变形而产生的应力。
4.本发明提供一种应变隔离层，该应变隔离层用于为柔性器件上的硬质器件缓冲其受到的力，所述应变隔离层能弹性形变，包括相对的第一表面和第二表面，以及设置在所述第一表面和所述第二表面之间的结构层，所述第一表面相对于所述第二表面靠近硬质器件，所述结构层中设有若干应变隔离单元，所述应变隔离单元包括一对组成部，一对所述组成部的一端相互连接，另一端形成开口。
5.可选地，所述第一表面与所述第二表面之间层叠设有至少两层结构层，所述应变隔离单元为v型，且相邻结构层之间的所述应变隔离单元的开口朝向相反。
6.可选地，若干所述应变隔离单元在同一所述结构层中连成齿状，相邻结构层中邻接的所述应变隔离单元能使得相邻结构层之间形成四边形结构。
7.可选地，在所述第一表面和第二表面之间，距离所述第一表面由远到近的结构层的层高依次增大，且所述应变隔离层中的若干所述结构层一体成型。
8.可选地，所述第二表面与第一结构层相连，所述第一表面与另一结构层相连，与所述第一表面相连的结构层和所述第一结构层内的所述应变隔离单元的开口朝向相同；在所述第一结构层中，所述应变隔离单元的开口朝向所述第一表面。
9.可选地，所述应变隔离层还包括与所述第一结构层相连的第二结构层，所述第一结构层中，所述应变隔离单元的两端设有第一加强部，所述应变隔离单元的中部设有第二加强部；于所述第一结构层和所述第二结构层的交界处，所述第一加强部与所述应变隔离单元相连，于所述应变隔离单元的中部，所述第二加强部与所述应变隔离单元相连。
10.可选地，所述第一加强部和所述第二加强部自所述第二表面沿所述应变隔离层的高度方向向所述第一表面延伸而成，所述第一加强部具有越过所述第一结构层伸入所述第二结构层的部分，所述第二加强部的高度低于所述第一加强部，且所述第二加强部远离所述第二表面的端部位于所述第一结构层中。
11.可选地，所述组成部在所述结构层中倾斜设置，以各结构层高度为hi，并以一所述组成部为斜边做直角三角形，记所述直角三角形的一直角边边长为hi，另一直角边边长为l，所述组成部的厚度为t0，所述组成部厚度的二分之一对应的高度为hi、l、和t0之间的关系满足下式：
[0012][0013]
本发明还提供一种柔性器件，包括如上任一项所述的应变隔离层。
[0014]
可选地，还包括柔性基底和硬质器件，所述柔性基底用于直接与所述柔性器件的贴合对象相接触，所述应变隔离层位于所述柔性基底与所述硬质器件之间。
[0015]
综上所述，通过将应变隔离层设置为横截面包括若干应变隔离单元的网状结构，本发明能提供一种可通过稳态变化为硬质器件缓冲甚至隔绝应力的应变隔离层及具有其的柔性器件；该应变隔离层在弯曲变形时，其内部能依次多级变形并吸收应力，从而缓解或解除柔性器件弯曲时其上硬质器件边缘的应力集中；并且，该应变隔离层的多稳态结构，能使其良好适应不同曲率的弯曲变形。
[0016]
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
[0017]
图1为本发明实施例中柔性器件的结构示意图。
[0018]
图2为本发明实施例中应变隔离层简化后的横截面结构示意图(其中支撑单元的边缘被加厚以便示意)。
[0019]
图3为本发明实施例一中应变隔离层简化后的横截面结构示意图。
[0020]
图4为本发明实施例一中支撑单元的几何分析示意图。
[0021]
图5为发明实施例一中应变隔离层在仿真软件中模拟形变的示意图。
[0022]
图6为本发明实施例一中支撑单元受力时的简化示意图。
[0023]
图7为本发明实施例一中理想状态下应变隔离层的简化变形模型的示意图。
[0024]
图8为本发明实施例二中应变隔离层简化后的横截面结构示意图。
[0025]
图9为本发明实施例二中应变隔离层在仿真软件中模拟形变的示意图。
[0026]
附图标记说明
[0027]
a-第一方向，b-第二方向；
[0028]
1-柔性基底，2-硬质器件，3-应变隔离层，30-第一表面，31-第二表面，32-应变隔离单元，321-组成部，33-第一结构层，34-第二结构层，35-第三结构层，36-第四结构层，37-第五结构层，38-第一加强部，39-第二加强部，40-元胞。
具体实施方式
[0029]
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0030]
本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
[0031]
实施例一
[0032]
如图1所示，本实施例提供一种柔性器件，具体为柔性电路板；该柔性电路板包括柔性基底1、刚性的硬质器件2和位于柔性基底1与硬质器件2之间的应变隔离层3，其中柔性基底1直接粘附在贴合对象(图未示)上，应变隔离层3为单轴压缩载荷下具有变刚度性能的多稳态结构，其二维横截面简化示意如图2和图3所示，其实体三维结构大致为二维横截面沿图示的纸面方向延伸后的姿态。
[0033]
该应变隔离层3包括互位于相对侧的第一表面30和第二表面31，其中第二表面31相较于第一表面30更靠近柔性基底1，第一表面30相较于第二表面31更靠近刚性硬质器件2，第二表面31直接与柔性基底1相连，第一表面30直接与硬质器件2相连。在第一表面30和第二表面31之间，具有由多个应变隔离单元32叠设而成的层数至少为二的网状应变隔离结构。基于此，以由第二表面31指向第一表面30的方向为第一方向a，由第一表面30指向第二表面31的方向为第二方向b，当柔性基底1随贴合对象沿第一方向a或第二方向b产生凸凹状弯曲形变时，在该应变隔离层内部，至少局部的应变隔离单元32能发生弹性形变，并尽可能吸收柔性基底1弯曲形变产生的应力，从而实现为硬质器件2缓冲甚至隔绝应力的目的。
[0034]
具体地，在第一表面30和第二表面31之间，第一结构层33、第二结构层34、第三结构层35、第四结构层36和第五层结构层距离第二表面31由近到远依次设置，每层结构层中设有成列排布的应变隔离单元32，应变隔离单元32包括一对互成角度的组成部321，两组成部321相连的一端形成顶角γ，另一端形成应变隔离单元32的开口结构。进一步地，本实施例中的应变隔离单元32为v型，在同一结构层中，相邻的应变隔离单元32之间连成锯齿状，任一应变隔离单元32的组成部321与相邻应变隔离单元32的组成部321之间形成夹角α，且相邻结构层之间的锯齿形态朝向相反，能形成具有不稳定性和灵活形变能力的四边形结构，以使各结构层中的应变隔离单元32可沿拉或压载荷轻易形变。对此，更为详细的描述是：
[0035]
第一结构层33中，应变隔离单元32的开口结构朝向第一表面30，其顶角γ与第二表面31相接；
[0036]
第二结构层34中，应变隔离单元32的开口朝向第二表面31，其一对组成部321远离顶角γ的端部与第一结构层33中的应变隔离单元32连成四边形结构；
[0037]
第三结构层35中，应变隔离单元32的开口朝向与第一结构层33的应变隔离单元32相同，其顶角γ与第二结构层34中应变隔离单元32的顶角γ相连；第三结构层35中相邻的应变隔离单元32与位于此二应变隔离单元32下方的(第二结构层34中的)应变隔离单元32之间亦形成四边形结构；
[0038]
第四结构层36中，应变隔离单元32的开口朝向与第二结构层34的应变隔离单元32相同，并与第三结构层35的应变隔离单元32连成四边形结构；
[0039]
第五结构层37中，应变隔离单元32的开口朝向与第一结构层33相同，其顶角γ与第四结构层36中的应变隔离单元32的顶角γ相连，且该应变隔离单元32的组成部321远离顶角γ的端部与第一表面30相连；第五结构层37中相邻的应变隔离单元32与位于此二应变隔离单元32下方的(第四结构层36中的)应变隔离单元32之间亦形成四边形结构。
[0040]
如此，当柔性基底1随贴合对象沿第一方向a产生弯曲形变(即沿第一方向a拱起)时，应变隔离层3将随之向上凸伸；第一结构层33中，应变隔离单元32的顶角γ将顺着形变的力去往第二结构层34，并在位移行程足够大时发生翻转，呈现出如图3中虚线所示的翻转形态。此时，第一结构层33中的应变隔离单元32形成与自身翻转前朝向相反的姿态；应变隔离单元32能通过自身的位移与形变为硬质器件2缓冲应力。此外需要说明的是，理想情况下，应变隔离单元32的翻转应为以第一结构层33与第二结构层34之间的水平交界线为中心线的镜像翻转。
[0041]
承上述，若第一结构层33中应变隔离单元32的翻转能将弯曲形变的应力吸收完全，应变隔离层3中的形变将停止，在第一结构层33中已翻转的应变隔离单元32将处于翻转后的状态，并在弯曲形变消失前持续处于该稳态；对应地，此时的应变隔离层3亦处于新稳态下。而若仅第一结构层33的翻转不足以将应力吸收完全，则第二结构层34中的应变隔离单元32将如第一结构层33中应变隔离单元32那样朝第三结构层35移动，随后，第二结构层34中具有夹角α的v形结构也将进行位移和翻转，第三结构层35的应变隔离单元32随即也将进行位移和翻转
……
以此类推，应变隔离层3内部发生逐层形变；同时，在各结构层中v形结构位移和翻转时，由两层相邻结构层共同构建的四边形结构也将随对应结构层的逐层形变而被压缩。在应变隔离层3中，这种结构层的形变依次逐层发生，直至应力被吸收完全，或应变隔离层3中所有结构层均形变为止。
[0042]
承上述，当柔性基底1随贴合对象沿第二方向b产生弯曲形变时，应变隔离层3将随之下凹；此时，任意两层结构层之间形成的四边形结构将形变(例如拉伸或压缩)，并在形变的过程中吸收应力，从而达到为硬质器件2缓冲甚至隔绝应力的目的。
[0043]
需要说明的是，应变隔离单元32在应变隔离层3中的密度是本领域技术人员可以灵活调整的，结构层在应变隔离层3中的数量和高度(三维状态下相当于应变隔离层3的厚度)也是本领域技术人员可以灵活调整的，在可能的实施例中，结构层的层数可以为二、三、四等，并且本领域技术人员可以通过调整各结构层的高度以调整对应结构层的刚度，层高越小时，对应结构层越容易发生翻转变形。
[0044]
进一步地，如图4所示，在二维简化模型中，设各结构层的高度为hi，i＝1,2,3,4,5(即第一结构层33高度为h1，第二结构层34高度为h2，以此类推)；以一组成部321为斜边构建直角三角形，并以该直角三角形的一直角边长度为hi，另一直角边长度为l，且组成部321的厚度为t0，组成部321二分之一厚度对应的高度为hi、l、和t0之间的关系应满足下式(1)：
[0045][0046]
凭借式(1)，可以便捷地在确认hi、l、和t0之间任意二者后，推算出余下一者的优选数值。
[0047]
更进一步地，由上可知，在应变隔离层3内部逐层变形时，因为相邻层间的锯齿形态朝向相反，因此最开始形变的第一结构层33在翻转后将呈现出与第二结构层34中锯齿朝向相同的形状；当第一结构层33中的应变隔离单元32翻转完成后又再于应力作用下继续向第二结构层34移动时，第一结构层33与第二结构层34之间将发生类似堆叠的形态，如图5所
示(图5为应变隔离层3经有限元软件abaqus仿真验证后的变形结果)。然而，在实际使用过程中，由于应变隔离层3厚度较小或制成应变隔离层3的材料较软等影响因素，加之应变隔离单元32受力翻转时会被拉长，故而应变隔离单元32在翻转后，其实际边沿所在位置多会超出于其镜像翻转后边沿所在位置，也即，若第一结构层33与第二结构层34层高相等，第一结构层33的应变隔离单元32翻转后，理想情况下其顶角γ应与第二结构层34中应变隔离单元32的顶角γ重合，但实际上第一结构层33的应变隔离单元32翻转后，其顶角γ将越过第二结构层34少许，并干涉到第二结构层34和第三结构层35的内部结构，造成几何阻搓，导致应变隔离层3的内部破坏；基于此，本实施例中的结构层层高由第一结构层33到第五结构层37逐层递增，以确保应变隔离层3内部结构的稳定性。
[0048]
换句话说，如图6所示，对应变隔离层3进行理想化，假设第一结构层33到第五结构层37的高度相等，以第一结构层33中的一应变隔离单元32为例，当贴合对象弯曲成半径为r的曲面时，为确保应变隔离层3能与该贴合对象的稳定共形，且第一结构层33中的应变隔离单元32翻转后不会越过第二结构层34，第一结构层33的高度h1应大于h
’1，同时前述l与理想状态下第一结构层33的高度h
’1和r之间满足如下式(2)：
[0049][0050]
承上述，如图7所示，对应变隔离层3进行理想化，假设第一结构层33到第五结构层37的高度相等，将第一结构层33到第五结构层37简化为一个等腰三角形状的应变隔离单元32，使其顶角γ与第一表面30的交点为ci，其两等腰边与第二表面31的交点分别为ai和bi，其高度为h，其顶点到第一表面30的端部边沿的距离为l，且l＝il，这些参数和实际各结构层高度的总和∑
ihi
满足下式(3)和式(4)：
[0051]
∑
ihi
》h
………………
(3)
[0052][0053]
可选地，本实施例中的应变隔离层3可以经由3d打印一体成型并使用弹性材料制备而成，弹性材料优选弹性模量为2mpa，泊松比为0.45的pdms(聚二甲基硅氧烷)。
[0054]
实施例二
[0055]
如图8和图9所示，本实施例提供一种与实施例一设置基本相同的柔性器件，区别之处在于，以一对组成部321远离顶角γ的端部之间的距离所对应的小段为元胞40，本实施例的第二表面31上设有柱状的第一加强部38和第二加强部39，其中第一加强部38和第二加强部39沿元胞40的厚度方向(即结构层高度方向)自第二表面31向第一表面30笔直延伸形成，第一加强部38的高度大于第二加强部39的高度，第一加强部38位于元胞40的两端(即每个应变隔离单元32的两端)，具有越过第一结构层33进入第二结构层34的部分结构；并且，在第一结构层33和第二结构层34的交界处，第一加强部38与位于元胞40两端的应变隔离单元32端部相连；第二加强部39远离第二表面31的端部位于第一结构层33内，且于元胞40的中部(即顶角γ处)，第二加强部39与两组成部321之间的交点相连。如此设置，能令第一加强部38和第二加强部39能起到类似限位杆的作用，限制第一结构层33和第二结构层34中的若干四边形结构受力时的形变方向，使应变隔离层3受力时，第一结构层33中的应变隔离单元32能更快更容易地发生翻转。
[0056]
综上所述，通过将应变隔离层3设置为横截面包括若干应变隔离单元32的网状结
构，本发明能提供一种可通过稳态变化为硬质器件2缓冲甚至隔绝应力的应变隔离层3及具有其的柔性器件；该应变隔离层3在弯曲变形时，其内部能依次多级变形并吸收应力，从而缓解或解除柔性器件弯曲时其上硬质器件2边缘的应力集中；并且，该应变隔离层3的多稳态结构，能使其良好适应不同曲率的弯曲变形。
[0057]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种应变隔离层，用于为柔性器件上的硬质器件(2)缓冲其受到的力，其特征在于，所述应变隔离层(3)能弹性形变，包括相对的第一表面(30)和第二表面(31)，以及设置在所述第一表面(30)和所述第二表面(31)之间的结构层，所述第一表面(30)相对于所述第二表面(31)靠近硬质器件(2)，所述结构层中设有若干应变隔离单元(32)，所述应变隔离单元(32)包括一对组成部(321)，一对所述组成部(321)的一端相互连接，另一端形成开口。2.如权利要求1所述的应变隔离层，其特征在于，所述第一表面(30)与所述第二表面(31)之间层叠设有至少两层结构层，所述应变隔离单元(32)为v型，且相邻结构层之间的所述应变隔离单元(32)的开口朝向相反。3.如权利要求2所述的应变隔离层，其特征在于，若干所述应变隔离单元(32)在同一所述结构层中连成齿状，相邻结构层中邻接的所述应变隔离单元(32)能使相邻结构层之间形成四边形结构。4.如权利要求2所述的应变隔离层，其特征在于，在所述第一表面(30)和第二表面(31)之间，距离所述第一表面(30)由远到近的结构层的层高依次增大，且所述应变隔离层中的若干所述结构层一体成型。5.如权利要求4所述的应变隔离层，其特征在于，所述第二表面(31)与第一结构层(33)相连，所述第一表面(30)与另一结构层相连，与所述第一表面(30)相连的结构层和所述第一结构层(33)内的所述应变隔离单元(32)的开口朝向相同；在所述第一结构层(33)中，所述应变隔离单元(32)的开口朝向所述第一表面(30)。6.如权利要求5所述的应变隔离层，其特征在于，所述应变隔离层还包括与所述第一结构层(33)相连的第二结构层(34)，所述第一结构层(33)中，所述应变隔离单元(32)的两端设有第一加强部(38)，所述应变隔离单元(32)的中部设有第二加强部(39)；于所述第一结构层(33)和所述第二结构层(34)的交界处，所述第一加强部(38)与所述应变隔离单元(32)相连，于所述应变隔离单元(32)的中部，所述第二加强部(39)与所述应变隔离单元(32)相连。7.如权利要求6所述的应变隔离层，其特征在于，所述第一加强部(38)和所述第二加强部(39)自所述第二表面(31)沿所述应变隔离层(3)的高度方向向所述第一表面(30)延伸而成，所述第一加强部(38)具有越过所述第一结构层(33)伸入所述第二结构层(34)的部分，所述第二加强部(39)的高度低于所述第一加强部(38)，且所述第二加强部(39)远离所述第二表面(31)的端部位于所述第一结构层(33)中。8.如权利要求1所述的应变隔离层，其特征在于，所述组成部(321)在所述结构层中倾斜设置，以各结构层高度为h
i
，并以一所述组成部(321)为斜边做直角三角形，记所述直角三角形的一直角边边长为h
i
，另一直角边边长为l，所述组成部(321)的厚度为t0，所述组成部(321)厚度的二分之一对应的高度为h
i
、l、和t0之间的关系满足下式：9.一种柔性器件，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的应变隔离层(3)。10.如权利要求9所述的柔性器件，其特征在于，还包括柔性基底(1)和硬质器件(2)，所述柔性基底(1)用于直接与所述柔性器件的贴合对象相接触，所述应变隔离层(3)位于所述
柔性基底(1)与所述硬质器件(2)之间。

技术总结
本发明提供一种应变隔离层及具有其的柔性器件，该应变隔离层用于为柔性器件上的硬质器件缓冲其受到的力，所述应变隔离层能弹性形变，包括相对的第一表面和第二表面，以及设置在所述第一表面和所述第二表面之间的结构层，所述第一表面相对于所述第二表面靠近硬质器件，所述结构层中设有若干应变隔离单元，所述应变隔离单元包括一对组成部，一对所述组成部的一端相互连接，另一端形成开口。本发明提供的应变隔离层可通过稳态变化为硬质器件缓冲甚至隔绝应力。甚至隔绝应力。甚至隔绝应力。


技术研发人员：马寅佶 徐静娴 陈颖
受保护的技术使用者：钱塘科技创新中心
技术研发日：2022.03.17
技术公布日：2023/9/22