《Advanced Science》：A Laminating Strategy to Manyfold Enhance the Elastic Stretchability of Stretchable Electronics
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本文提出了一种创新的层压策略，通过在超薄金属结构上覆盖厚聚合物层，将可拉伸电子器件的变形模式从面外屈曲转变为面内弯曲，从而显著提升其弹性拉伸性。该策略结合理论、数值模拟与实验验证，在软/硬基底上分别实现3.5倍和2.3倍的弹性拉伸性提升，并可与预拉伸策略协同增效，成功应用于高模量智能轮胎的大应变传感，为基于传统微加工技术的可拉伸电子器件设计提供了重要指导。
1 引言
可拉伸电子器件因其固有的柔性和与复杂曲面共形集成的能力，在医疗健康、航空航天和工业制造等领域具有重要应用价值。实现高弹性拉伸性一直是该领域的核心焦点和持续挑战。通过涂覆和光刻等广泛采用的制造技术制备的薄带金属结构，虽然通过几何布局设计、预应变弹性基底和过拉伸等策略实现了一定的拉伸性，但其超薄特性导致面外屈曲和应力集中，特别是在兆帕级弹性模量的基底上，限制了其纯弹性拉伸性和实际应用。本文提出的层压策略，通过将厚聚合物层（如300微米聚酰亚胺）层压到薄金属结构（如1微米铜）上，有效解决了上述挑战。
2 结果
2.1 层压策略示意图与机理
该策略的核心是通过层压厚聚合物层改变可拉伸结构的变形模式。有限元分析（FEA）表明，当聚酰亚胺（PI）厚度小于10微米时，互联结构主要发生面外屈曲，弹性拉伸性约为10.4%；当PI厚度大于10微米时，变形模式转变为面内弯曲，弧段弯曲使直段产生显著角度θ，弹性拉伸性提升至35.2%。机理分析表明，层压厚聚合物层显著提高了互联结构的有效面外弯曲刚度（EIout），而面内弯曲刚度（EIin）变化较小，从而促使变形模式转变。理论模型进一步预测了互联结构的弹性拉伸极限εinterconnect limit可达76.8%。几何参数分析表明，较大的无量纲长度L/R和较小的无量纲宽度w/R有利于层压策略的增强效果。
2.2 层压策略与过拉伸策略的结合
层压策略可与过拉伸策略协同作用，进一步提升弹性拉伸性。有限元分析显示，对于PI厚度为100微米的互联结构，其设计弹性拉伸性为19.7%，结合过拉伸策略后，增强弹性拉伸性可达39.4%，实现倍增效果。该协同效应对蛇形、马蹄形、锯齿形和分形等多种几何结构均适用。值得注意的是，厚PI互联结构在过拉伸过程中保持面内弯曲模式，而薄PI结构则出现面外屈曲，导致增强效果较差。
2.3 层压策略在硬弹性基底智能轮胎中的应用
硬弹性基底（如Esub= 1 MPa）会显著降低可拉伸结构的弹性拉伸性，限制其在大应变场景（如智能轮胎）中的应用。层压策略通过改变变形模式，有效提升了硬基底上互联结构的弹性拉伸性。实验制备了基于离轴蛇形铜层和厚PI层的可拉伸应变传感器，其工作原理是通过弧段弯曲将施加的应变转换为铜层的拉伸应变，引起电阻变化。传感器在轮胎样本上经过200次加卸载循环，表现出极高的重复性。在智能轮胎原型中，五个传感器成功监测了充气和加载条件下的局部应变，与有限元分析结果高度一致，尤其能够有效检测因异常负载导致的轮胎局部过大应变。
3 结论
层压策略通过诱导变形模式从面外屈曲向面内弯曲的转变，成倍增强了可拉伸电子器件的弹性拉伸性。该策略与几何优化、过拉伸策略兼容，并能克服硬弹性基底的限制，在智能轮胎大应变传感中展现出应用潜力。未来工作将聚焦于界面分层机理研究、变形模式定量模型的建立以及传感器布局优化，以进一步推动该策略的实际应用。
4 实验部分
蛇形互联结构通过高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）制备铜/聚酰亚胺复合材料，并结合激光切割技术加工而成。有限元分析采用Abaqus软件，基底视为超弹性材料（Mooney-Rivlin模型），PI和铜分别视为线弹性材料和弹塑性材料。可拉伸应变传感器通过标准光刻和激光加工制备，并焊接铜线作为电极。轮胎应变测量通过信号采集系统监测传感器电阻变化实现。
