無機可拉伸電子器件由于同時具有優異的電學和力學性能，可以應用于健康監測、疾病治療、軟體機器人和柔性顯示等廣闊領域，近十年來得到了廣泛關注。該類器件系統的可拉伸性不僅取決于連接各個無機電子元件的導線結構，也與器件基底和封裝層的力學性能密切相關。與之前廣泛應用于可拉伸電子器件的實體軟材料（如彈性體、水凝膠等）不同，近年來新發展出的網狀軟材料可以精確實現不同人體組織的J形應力-應變曲線，且具有缺陷不敏感性和高透氣性等特征，是無機可拉伸電子器件基底和封裝層的理想材料之一。然而，現有研究主要關注的是網狀軟材料在正常服役狀態下的力學性能，網狀軟材料的極限延展性和拉伸強度，雖然在實際應用中非常關鍵，卻鮮有報導。目前提出的各類微結構和點陣拓撲可以用來調節網狀軟材料的非線性應力-應變響應和提供一些非常規的力學性能，但對延展性的提升收效甚微，大多數網狀軟材料的延展性很難超越100%。在不損失拉伸強度的情形下，設計極限延展性顯著高于現有網狀軟材料和典型彈性體材料的新型網狀軟材料，仍然是一項頗具挑戰的工作。
從設計層面看，該工作提出的多級網狀軟材料與傳統和分形網狀軟材料不同，提供了網狀軟材料設計的新思路。含可展開節點的基本結構單元受中國傳統文化中太極圖的啟發，進而構造為具備典型多級結構特征的周期性單胞，且該設計策略可以直接拓展構造具有更高級數的多級網狀軟材料。多級網狀軟材料的單胞構型由四個無量綱幾何參數確定，并與結構級數和網狀拓撲密切相關。
區別于以往網狀軟材料的微結構設計路徑，該工作給出了從點陣節點角度出發設計網狀軟材料的通用策略，提出了多邊形、星形和扇葉形等多類非常規點陣節點，并與可展開節點進行了對比，進一步闡釋了可展開節點的性能優勢。進而，工作指出，高延展性是由節點附加變形（節點的逐級展開和彎曲耦合變形）、避免結構自重疊和減少應力集中三方面因素共同作用實現的。研究提出的基于梁單元的有限元方法實現了對含不同幾何參數的多級網狀軟材料的J形應力-應變曲線和非線性泊松比的可靠和快速預測。
該工作考慮了組分材料對制備多級網狀軟材料及其性能的影響，并論證了通過可展開節點設計提升延展性的策略對不同類型組分材料（如彈性材料、脆性材料和彈塑性材料等）的普遍適用性。以金屬組分材料為例，展示了由不銹鋼制備的多級網狀材料可以提供更高的延展性和拉伸強度，以及不受外部拉伸載荷干擾的穩定電學特性，說明了提出的多級網狀軟材料在柔性電子器件等領域的實際應用價值。
該研究以“Designing hierarchical soft network materials with developable lattice nodes for high stretchability”為題發表于Advanced Science，西安交通大學航天航空學院助理教授劉建星博士為論文第一作者，盧同慶教授為論文通訊作者，參與研究的還有博士生郭浩宇和碩士生劉海洋。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202206099
下載：Designing hierarchical soft network materials with developable lattice nodes for high stretchability
