中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
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(yè)及航空航天等領(lǐng)域。無(wú)機可拉伸電子器件的關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng )新在于通過(guò)力學(xué)結構設計實(shí)現彈性拉伸性，對任意復雜曲面實(shí)現共形貼附/包裹，且能維持穩定的電學(xué)性能。例如，“島-橋”結構是可拉伸電子器件中的常見(jiàn)結構。其中，功能性元器件置于不可變形的“島”上，互聯(lián)導線(xiàn)形成“橋”并提供整體結構的彈性延展性。實(shí)現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構的設計，但目前主要只有兩種策略用于實(shí)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(chǎn)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(guò)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(lián)被設計出來(lái)，如“之”字型、馬蹄型、蛇型、分型、非屈曲蛇型、螺旋型及剪紙結構等。這些幾何結構在彈性延展性和各種應用場(chǎng)景中表現出不同特點(diǎn)。這兩種類(lèi)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(zhù)增加了蛇形互聯(lián)結構的彈性延展性。
近日，中國科學(xué)院力學(xué)研究所蘇業(yè)旺團隊創(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(guò)加載策略（圖2）?；ヂ?lián)結構轉印、粘接在彈性聚合物基底上后，對整體結構進(jìn)行過(guò)彈性極限拉伸，釋放拉伸應變后，互聯(lián)結構的彈性延展性可以提高到原來(lái)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)驗結果均證明，過(guò)加載策略對不同幾何構型、不同厚度的互聯(lián)結構有效（圖3、4、5）。它的基本機理在于：過(guò)加載過(guò)程中彈塑性本構關(guān)系的演變使得互聯(lián)結構關(guān)鍵部位的彈性范圍擴大一倍。過(guò)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(wú)機可拉伸電子器件的設計、制造及應用具有深遠意義。
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。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院基礎前沿科學(xué)研究計劃從0到1原始創(chuàng )新項目、中國科學(xué)院交叉學(xué)科創(chuàng )新團隊和國家WR計劃青年項目的支持。
圖1. 可拉伸結構在過(guò)去幾十年的發(fā)展過(guò)程
圖2. 過(guò)加載策略的操作過(guò)程以及各過(guò)程中蛇形互聯(lián)結構的應變分布
圖3. 基于獨立金屬厚蛇形互聯(lián)（MTSI）的過(guò)拉策略力學(xué)分析。（a）MTSI的本構關(guān)系：理想彈塑性；（b）MTSI的力學(xué)模型；（c）過(guò)加載操作過(guò)程示意圖以及各過(guò)程中蛇形互聯(lián)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(guò)加載應變的變化，包括理論、有限元和實(shí)驗結果。
圖4. 基于獨立MTSI的過(guò)加載策略的實(shí)驗驗證。（a）獨立MTSI初始狀態(tài)的圖像以及拉伸150%時(shí)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(xiàn)；（c-k）在第一次施加拉伸、卸載和第二次施加拉伸過(guò)程中，力與施加應變的關(guān)系曲線(xiàn)，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(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)的增強彈性延展性與第一次施加應變/過(guò)加載應變的關(guān)系；（d）粘接在軟基底上蛇形互聯(lián)結構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彈性延展性與第一次施加應變/過(guò)加載應變關(guān)系的有限元分析結果。
