由於材料本征物化、力學（xué）特性的差（chà）異，功能部件間的界（jiè）麵問題是柔性（xìng）電子器件所無法回避的。界麵上滑移、脫層、破裂等情況的出（chū）現都會引起器件性能的劣化，甚至導致失效。因而，構建具有高強度和低阻抗的魯棒（bàng）連接（jiē）界麵是所有柔性（xìng）電子器件（jiàn），尤（yóu）其是可延展柔性電子器件所迫切需（xū）求的。這一目標的實現能夠有力推動可延展柔性電子（zǐ）器件的發展，並催生出更為廣泛的應用。
最近（jìn），浙江清華柔性電子技術研究院的研究團隊提（tí）出了一種解決可延展柔性（xìng）電子器件界麵問題的新（xīn）策略，能夠在不引入（rù）第三介（jiè）質層的基（jī）礎上，利用材料本征物化特性的一致性，有效增強不同功能部件之間的界麵強度並大（dà）幅降低拉伸變形下（xià）的界麵阻抗。同時（shí），通過快速直寫具有魯棒界麵的表皮電子器件，進而（ér）實（shí）現多運動和多狀態下生理應變信號的精準監測，成功證明了此策略的實用價值，為未來可（kě）延展柔性電子器件的先進製造提供了重要支撐。該成果以“Homogeneity Permitted Robust Connection for Additive Manufacturing Stretchable Electronics”為題，於8月31日發表在ACS Applied Materials & Interfaces。
為證（zhèng）明均（jun1）質界麵增強策略（luè）的有效性和通用性，研究人（rén）員選用（yòng）了商業化碳納米管（CNT）和聚氨酯彈性體（tǐ）（TPU）作為原材料，通過調控CNT功能填料的分散形態，製備了兩種組分相同但（dàn）是功能特性差異巨（jù）大的碳納米管-聚氨酯彈性複合體（CTC），即（jí）均勻複（fù）合體（Uniform CTC）和非均勻複合體（Nonuniform CTC），並且研究了摻雜比例與兩（liǎng）種複合體功（gōng）能特性之間的關係。
具有（yǒu）不同分散（sàn）形態的兩種碳納米管-聚氨酯彈性體複合體（tǐ）
通過橫向（xiàng）對比發現，均勻複合體導電性（xìng）更好，零點漂移更小（xiǎo）；而非均勻複合體的應變敏感度更高，模量更小。當同樣摻雜15 wt%碳納米管功能填料時，兩（liǎng）種複合體導電性，應（yīng）變敏感度和（hé）模量之間的差異能分別達到281倍，15.7倍和7.1倍。這種巨大的功能特性（xìng）差異是由（yóu）碳納米管顯著的分散形態差異所導致的。值（zhí）得一提的是（shì），高靈敏度的非均勻複合體不僅能（néng）夠實現脈搏等微弱應變信（xìn）號的精準監測，還可（kě）以識別出脈搏（bó）信（xìn）號中的特（tè）征生理信息，具備良（liáng）好（hǎo）的醫用價值。基（jī）於上述功能特性差異（yì），均勻複合體和非均勻複合體可以分別用作應變監測器件中的導（dǎo）線部件和傳感部件。
均（jun1）勻複合體和非（fēi）均勻複（fù）合體的功能特性對比
通過溶脹再幹燥（zào）工藝，研究人員（yuán）在均勻複合體和非均勻複合體之間構建了連接界（jiè）麵，用於模擬（nǐ）真實器件內部不同功能部件之間（jiān）的連接狀態。連接界麵的理論建模分析和（hé）力學-電學特性測試（shì）結果（guǒ）證明，所構建的連接界（jiè）麵具有高界麵強（qiáng）度和低界麵阻抗，以（yǐ）及拉伸變形下的魯棒性，驗證了均質界麵增強策略的有效性。
力學-電學測試、理論模型分析和界麵增強機理
功能部件的均質性是實現界麵增強（qiáng）的（de）根本原因。在（zài）溶脹後，兩種複合體連接界麵處的聚氨酯高分子被部分溶解，高分子鏈（liàn）的自由度得到（dào）提高。界麵對粘後，隨（suí）著溶劑的揮發，界麵兩側物化特性相（xiàng）同（tóng）的高分子鏈會逐漸糾纏，引發互鎖（suǒ）效應，從而（ér）大幅增強界（jiè）麵強度。同時，高分子鏈（liàn）的糾纏又會驅使碳納（nà）米管對向移動，實現導電滲流網（wǎng）絡（luò）的重構，從而在連接界麵上形成良好的（de）歐姆接觸，降低界麵阻抗。
快速直寫可延展柔性（xìng）電子器件（jiàn），多運動和多狀態下生理應變信號的監測（cè）
最後，研究（jiū）人員利用增材製造技術快速直寫了具有魯棒連接界麵的表皮柔性電（diàn）子器件，實（shí）現了手指快速屈伸監測、肘部大變形屈（qū）伸監測、以及運動前後的脈搏信號監測，成功例證了此均質界麵增強策略在未來快速製造可延展柔性電子器件中的價（jià）值。
浙（zhè）江清華柔性電子技術研（yán）究院助理研究員傅棋琪博士為文章的第（dì）一作者（zhě），浙（zhè）江（jiāng）清華柔性電子技（jì）術研究院是清（qīng）華（huá）大學（xué）探索多學科交叉（chā）與校地合作新模式的試點，是浙江省人民政府與清華大學（xué）共同打造的新型高端科研機構（gòu）。
清華大學馮雪（xuě）教授是論文通訊（xùn）作者，馮雪教授團隊長期（qī）致力於（yú）研究超常規環境下力學和柔性（xìng）電子技（jì）術，發（fā）展可延展／超柔性等超（chāo）常規微器件與大規模集成技術，所發展的柔性電子技（jì）術用於健康醫療、智能感知及重大裝備，近年來在《Science Advances》、《Advanced Materials》、《Advanced Functional Materials》、《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》等期刊發表一係列高水平（píng）論文。該（gāi）項研究得到了國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）、國家自然科學基金等的資助。
論文信息：
Qi-Qi Fu, Tao Zhou, Ying Chen, Jianliang Xiao, Jingxian Xu, Zhao Pan, and Xue Feng*, Homogeneity Permitted Robust Connection for Additive Manufacturing Stretchable Electronics, ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, 12(38), 43152-43159.
論文鏈接:
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c13071
