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(cè)、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(jì)實(shí)現(xiàn)彈性拉伸性，對(duì)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常見的結(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)重要的。

盡管先前已有較多研究聚焦于可拉伸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，但目前主要只有兩種策略被用于實(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(jì)策略。各種具有彈性可拉伸的幾何互聯(lián)被設(shè)計(jì)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(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(chǎng)景中表現(xiàn)出不同的特點(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。

近日，中國(guó)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)無機(jī)可拉伸電子器件的設(shè)計(jì)、制造及應(yīng)用具有深遠(yuǎn)意義。

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(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院從0到1原始創(chuàng)新計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院交叉學(xué)科創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)和國(guó)家wr計(jì)劃青年項(xiàng)目的支持。

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