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yexuqing木蟲(chóng)之王 (文學(xué)泰斗)
太陽(yáng)系系主任
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[交流]
力學(xué)所提出提高可拉伸電子器件彈性延展性的新策略
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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(wú)機(jī)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(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的常見(jiàn)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(jì)，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(guò)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(lái)，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(chǎng)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。 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(guò)加載策略（圖2）�；ヂ�(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(guò)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(lái)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(guò)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(guò)加載過(guò)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(guò)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(wú)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)院基礎(chǔ)前沿科學(xué)研究計(jì)劃從0到1原始創(chuàng)新項(xiàng)目、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。 論文鏈接 圖1. 可拉伸結(jié)構(gòu)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(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(guò)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(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(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(guò)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(guò)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(shí)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(guò)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(guò)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(guò)加載應(yīng)變關(guān)系的有限元分析結(jié)果。 |
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