力學所提出提高可拉伸電子器件彈性延展性的新策略

　　【儀表網 研發快訊】可拉伸電子器件被廣泛應用于健康監測、康復醫療、智能工業及航空航天等領域。無機可拉伸電子器件的關鍵技術創新在于通過力學結構設計實現彈性拉伸性，對任意復雜曲面實現共形貼附/包裹，且能維持穩定的電學性能。例如，“島-橋”結構是可拉伸電子器件中常見的結構。其中，功能性元器件置于不可變形的“島”上，互聯導線形成“橋”并提供整體結構的彈性延展性。實現可拉伸電子器件彈性延展性的策略至關重要的。
 

　　盡管先前已有較多研究聚焦于可拉伸結構的設計，但目前主要只有兩種策略被用于實現或提高結構的彈性延展性(圖1)。一是預應變策略。波浪形條帶是典型的例子，平面的條帶被轉印/粘接在預拉伸的彈性基底上，釋放預應變后，由于壓應力的存在使得條帶產生面外屈曲變形，形成具有拉伸性的波浪形結構。此外，更加復雜的三維可拉伸微結構也可以通過二維平面前驅體粘接在預應變的基底上制備而成。二是幾何結構設計策略。各種具有彈性可拉伸的幾何互聯被設計出來，如“之”字型、馬蹄型、蛇型、分型、非屈曲蛇型、螺旋型以及剪紙結構等。這些幾何結構在彈性延展性和各種應用場景中表現出不同的特點。這兩種類型的策略也可以相互結合以增強結構的彈性延展性，例如，預應變基底顯著增加了蛇形互聯結構的彈性延展性。
 

　　近日，中國科學院力學研究所蘇業旺團隊創新性地提出了第三種提高可拉伸電子器件彈性延展性的新策略——過加載策略(圖2)。互聯結構轉印、粘接在彈性聚合物基底上后，對整體結構進行過彈性極限拉伸，釋放拉伸應變后，互聯結構的彈性延展性可以提高到原來的兩倍，這對可拉伸電子器件的性能頗為重要。理論、有限元及實驗結果均證明，過加載策略對不同幾何構型、不同厚度的互聯結構有效(圖3、4、5)。它的基本機理在于：過加載過程中彈塑性本構關系的演變使得互聯結構關鍵部位的彈性范圍擴大一倍。過加載策略易于操作，并可與其他兩種策略相結合以提高結構彈性延展性。這對無機可拉伸電子器件的設計、制造及應用具有深遠意義。
 

　　相關研究成果以An Overstretch Strategy to Double the Designed Elastic Stretchability of Stretchable Electronics為題，發表在《先進材料》(Advanced Materials)上。研究工作得到國家自然科學基金、中國科學院從0到1原始創新計劃、中國科學院交叉學科創新團隊和國家WR計劃青年項目的支持。
 

　　圖3. 基于獨立金屬厚蛇形互聯(MTSI)的過拉策略力學分析。(a)MTSI的本構關系：理想彈塑性；(b)MTSI的力學模型；(c)過加載操作過程示意圖以及各過程中蛇形互聯圓弧頂截面處應力分布。(d)MTSI的增強彈性延展性隨第一次施加應變/過加載應變的變化，包括理論、有限元和實驗結果
 

　　圖4. 基于獨立MTSI的過加載策略的實驗驗證。(a)獨立MTSI初始狀態的圖像以及拉伸150%時的正面和側面視圖；(b)狗骨頭形銅片的單向拉伸應力-應變曲線；(c-k)在第一次施加拉伸、卸載和第二次施加拉伸過程中，力與施加應變的關系曲線，第一次施加應變分別為：30%、50%、60%、75%、90%、110%、120%、130%、150%
 

　　圖5. MTSI粘結在軟基底上的力學分析。(a-c)粘接在軟基底上的厚馬蹄形、之字形、分形互聯的增強彈性延展性與第一次施加應變/過加載應變的關系；(d)粘接在軟基底上蛇形互聯結構的彈性延展性隨其厚的變化關系；(e-g)三種不同厚度蛇形互連增強彈性延展性與第一次施加應變/過加載應變關系的有限元分析結果