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  無機可拉伸電子器件由于同時具有優(yōu)異的電學(xué)和力學(xué)性能，可以應(yīng)用于健康監(jiān)測、疾病治療、軟體機器人和柔性顯示等廣闊領(lǐng)域，近十年來得到了廣泛關(guān)注。該類器件系統(tǒng)的可拉伸性不僅取決于連接各個無機電子元件的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，也與器件基底和封裝層的力學(xué)性能密切相關(guān)。與之前廣泛應(yīng)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(fā)展出的網(wǎng)狀軟材料可以精確實現(xiàn)不同人體組織的J形應(yīng)力-應(yīng)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(xiàn)有研究主要關(guān)注的是網(wǎng)狀軟材料在正常服役狀態(tài)下的力學(xué)性能，網(wǎng)狀軟材料的極限延展性和拉伸強度，雖然在實際應(yīng)用中非常關(guān)鍵，卻鮮有報導(dǎo)。目前提出的各類微結(jié)構(gòu)和點陣拓?fù)淇梢杂脕碚{(diào)節(jié)網(wǎng)狀軟材料的非線性應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)和提供一些非常規(guī)的力學(xué)性能，但對延展性的提升收效甚微，大多數(shù)網(wǎng)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(shè)計極限延展性顯著高于現(xiàn)有網(wǎng)狀軟材料和典型彈性體材料的新型網(wǎng)狀軟材料，仍然是一項頗具挑戰(zhàn)的工作。

  從設(shè)計層面看，該工作提出的多級網(wǎng)狀軟材料與傳統(tǒng)和分形網(wǎng)狀軟材料不同，提供了網(wǎng)狀軟材料設(shè)計的新思路。含可展開節(jié)點的基本結(jié)構(gòu)單元受中國傳統(tǒng)文化中太極圖的啟發(fā)，進(jìn)而構(gòu)造為具備典型多級結(jié)構(gòu)特征的周期性單胞，且該設(shè)計策略可以直接拓展構(gòu)造具有更高級數(shù)的多級網(wǎng)狀軟材料。多級網(wǎng)狀軟材料的單胞構(gòu)型由四個無量綱幾何參數(shù)確定，并與結(jié)構(gòu)級數(shù)和網(wǎng)狀拓?fù)涿芮邢嚓P(guān)。 

  區(qū)別于以往網(wǎng)狀軟材料的微結(jié)構(gòu)設(shè)計路徑，該工作給出了從點陣節(jié)點角度出發(fā)設(shè)計網(wǎng)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(guī)點陣節(jié)點，并與可展開節(jié)點進(jìn)行了對比，進(jìn)一步闡釋了可展開節(jié)點的性能優(yōu)勢。進(jìn)而，工作指出，高延展性是由節(jié)點附加變形（節(jié)點的逐級展開和彎曲耦合變形）、避免結(jié)構(gòu)自重疊和減少應(yīng)力集中三方面因素共同作用實現(xiàn)的。研究提出的基于梁單元的有限元方法實現(xiàn)了對含不同幾何參數(shù)的多級網(wǎng)狀軟材料的J形應(yīng)力-應(yīng)變曲線和非線性泊松比的可靠和快速預(yù)測。 

  該工作考慮了組分材料對制備多級網(wǎng)狀軟材料及其性能的影響，并論證了通過可展開節(jié)點設(shè)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(wǎng)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(wěn)定電學(xué)特性，說明了提出的多級網(wǎng)狀軟材料在柔性電子器件等領(lǐng)域的實際應(yīng)用價值。

  該研究以“Designing hierarchical soft network materials with developable lattice nodes for high stretchability”為題發(fā)表于Advanced Science，西安交通大學(xué)航天航空學(xué)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