力學(xué)所提出提高可拉伸電子器件彈性延展性的新策略

可拉伸電子器件被廣泛應(yīng)用于健康監(jiān)測、康復(fù)醫(yī)療、智能工業(yè)及航空航天等領(lǐng)域。無機(jī)可拉伸電子器件的關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新在于通過力學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計實(shí)現(xiàn)彈性拉伸性，對任意復(fù)雜曲面實(shí)現(xiàn)共形貼附/包裹，且能維持穩(wěn)定的電學(xué)性能。例如，“島-橋”結(jié)構(gòu)是可拉伸電子器件中的常見結(jié)構(gòu)。其中，功能性元器件置于不可變形的“島”上，互聯(lián)導(dǎo)線形成“橋”并提供整體結(jié)構(gòu)的彈性延展性。實(shí)現(xiàn)可拉伸電子器件彈性延展性的策略至關(guān)重要。

盡管先前已有較多研究聚焦于可拉伸結(jié)構(gòu)的設(shè)計，但目前主要只有兩種策略用于實(shí)現(xiàn)或提高結(jié)構(gòu)的彈性延展性（圖1）。一是預(yù)應(yīng)變策略。波浪形條帶是典型的例子，平面的條帶被轉(zhuǎn)印/粘接在預(yù)拉伸的彈性基底上，釋放預(yù)應(yīng)變后，由于壓應(yīng)力的存在使得條帶產(chǎn)生面外屈曲變形，形成具有拉伸性的波浪形結(jié)構(gòu)。

此外，更加復(fù)雜的三維可拉伸微結(jié)構(gòu)也可以通過二維平面前驅(qū)體粘接在預(yù)應(yīng)變的基底上制備而成。二是幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計策略。各種具有彈性可拉伸的幾何互聯(lián)被設(shè)計出來，如“之”字型、馬蹄型、蛇型、分型、非屈曲蛇型、螺旋型及剪紙結(jié)構(gòu)等。這些幾何結(jié)構(gòu)在彈性延展性和各種應(yīng)用場景中表現(xiàn)出不同特點(diǎn)。這兩種類型的策略也可以相互結(jié)合以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的彈性延展性，例如，預(yù)應(yīng)變基底顯著增加了蛇形互聯(lián)結(jié)構(gòu)的彈性延展性。

圖1 可拉伸結(jié)構(gòu)在過去幾十年的發(fā)展過程

近日，中國科學(xué)院力學(xué)研究所蘇業(yè)旺團(tuán)隊(duì)創(chuàng)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(lián)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)印、粘接在彈性聚合物基底上后，對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行過彈性極限拉伸，釋放拉伸應(yīng)變后，互聯(lián)結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)結(jié)果均證明，過加載策略對不同幾何構(gòu)型、不同厚度的互聯(lián)結(jié)構(gòu)有效（圖3、4、5）。它的基本機(jī)理在于：過加載過程中彈塑性本構(gòu)關(guān)系的演變使得互聯(lián)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的彈性范圍擴(kuò)大一倍。過加載策略易于操作，并可與其他兩種策略相結(jié)合以提高結(jié)構(gòu)彈性延展性。這對無機(jī)可拉伸電子器件的設(shè)計、制造及應(yīng)用具有深遠(yuǎn)意義。

圖2 過加載策略的操作過程以及各過程中蛇形互聯(lián)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布

圖3 基于獨(dú)立金屬厚蛇形互聯(lián)（MTSI）的過拉策略力學(xué)分析。（a）MTSI的本構(gòu)關(guān)系：理想彈塑性；（b）MTSI的力學(xué)模型；（c）過加載操作過程示意圖以及各過程中蛇形互聯(lián)圓弧頂截面處應(yīng)力分布；（d）MTSI的增強(qiáng)彈性延展性隨第一次施加應(yīng)變/過加載應(yīng)變的變化，包括理論、有限元和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖4 基于獨(dú)立MTSI的過加載策略的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。（a）獨(dú)立MTSI初始狀態(tài)的圖像以及拉伸150%時的正面和側(cè)面視圖；（b）狗骨頭形銅片的單向拉伸應(yīng)力-應(yīng)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(yīng)變的關(guān)系曲線，第一次施加應(yīng)變分別為30%、50%、60%、75%、90%、110%、120%、130%、150%。

圖5 MTSI粘結(jié)在軟基底上的力學(xué)分析。（a-c）粘接在軟基底上的厚馬蹄形、“之”字形、分形互聯(lián)的增強(qiáng)彈性延展性與第一次施加應(yīng)變/過加載應(yīng)變的關(guān)系；（d）粘接在軟基底上蛇形互聯(lián)結(jié)構(gòu)的彈性延展性隨其厚的變化關(guān)系；（e-g）三種不同厚度蛇形互連增強(qiáng)彈性延展性與第一次施加應(yīng)變/過加載應(yīng)變關(guān)系的有限元分析結(jié)果。

相關(guān)研究成果以An Overstretch Strategy to Double the Designed Elastic Stretchability of Stretchable Electronics為題，發(fā)表在《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院基礎(chǔ)前沿科學(xué)研究計劃從0到1原始創(chuàng)新項(xiàng)目、中國科學(xué)院交叉學(xué)科創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)和國家WR計劃青年項(xiàng)目的支持。

審核編輯：劉清