Feng Zhu|Jiawei Zhang|Kaimei Bao|Yinji Ma
武汉工业大学交通与物流工程学院，中国武汉430063
摘要
蜂窝状基底材料增强了可伸展性，并允许生物流体通过这些基底，因此在柔性电子和生物电子领域有广泛的应用。在利用蜂窝状基底材料时，层与层之间的粘附是一个常见的问题，这主要是由于材料本身的粘附性和低模量造成的。本文采用有限元分析（FEA）来模拟蜂窝状基底材料在80°到140°不同角度下的层与层之间的粘附过程，同时考虑了变形能和粘附能。通过归一化处理，得出了一种可以判断是否发生粘附的标度律：当归一化的粘附功超过临界归一化粘附功时，粘附就会发生；否则不会发生粘附。对不同角度和材料的蜂窝状基底材料进行了实验验证，实验结果与有限元分析结果吻合良好。本研究不仅揭示了蜂窝状基底材料中的粘附机制，还为柔性电子领域中蜂窝状基底的应用提供了实际指导。
引言
与传统刚性电子设备相比，柔性电子设备具有独特的可伸展性和生物相容性，能够在复杂环境中收集高质量的生理信号。因此，它们被广泛应用于实时监测人体生理数据，如生理电信号[1]、[2]、[3]、[4]、体温[5]、[6]、血压[7]、[8]、触觉感知[9]、[10]、[11]、[12]以及肢体运动[13]，从而实现人体健康监测和早期预警。
现有的柔性电子设备总是集成或封装在固体基底中[14]，这会限制其在拉伸、收缩和弯曲过程中的平面外屈曲，从而降低其可伸展性。此外，固体基底还会干扰生物体内生物流体的自然扩散或对流。为改善力学性能和提高渗透性，可以使用结构化基底（如蜂窝状基底[15]、剪纸基底[16]等），这些基底可以让生物流体通过[15]、[17]、[18]、[19]。同时，结构化基底可以减少基底对材料平面外屈曲的约束，从而提高柔性电子设备的可伸展性。此外，结构化基底表现出J形的应力-应变响应：初始模量较低，能够轻松适应小变形；随后硬度急剧增加，保护电子设备免受过度应变[20]、[21]、[22]。
柔性电子设备的基底通常由PDMS和Ecoflex等材料制成，这些材料具有很强的粘附性和低模量[14]、[23]、[24]。这些基底材料的特性使得基底上的微结构容易发生粘附[25]、[26]、[27]、[28]，导致局部变形过大，最终可能导致集成在基底上的电子设备失效。图1a和1b展示了用Ecoflex制备的蜂窝状基底在粘附前后的实验观察结果。可以得出结论，蜂窝状基底的层与层之间的粘附通常发生在相对的细胞壁之间以及多个细胞壁上，这将是后续研究的重点。
本文通过考虑变形能，建立了蜂窝状基底材料层与层之间粘附过程的有限元分析（FEA）模型。通过考虑粘附能，得出了一个归一化标度律，用于判断蜂窝状基底是否发生粘附。这一结果为解决柔性电子和生物电子领域中蜂窝状基底材料的粘附问题提供了更有效的方法。
章节摘录
2. 蜂窝状基底材料粘附的有限元分析（FEA）和标度律
图2a和2b展示了蜂窝状基底的侧视图和俯视图，包括壁长、壁宽、基底厚度h、壁之间的倾斜角度以及相邻单元格之间的中心距d等尺寸参数。图2c展示了蜂窝状基底的周期性基本单元格。
使用ABAQUS商业软件研究了蜂窝状基底材料在粘附过程中的变形能。图3a展示了相应的FEA模型
3. 与实验结果的比较
使用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯树脂通过3D打印工艺制备了不同角度（80°、100°、120°和140°）的蜂窝状基底模具。然后在模具表面喷涂脱模剂15秒，并在室温下放置2分钟。在模具上均匀涂覆一层（Ecoflex 00-10，Smooth-On，比例为1:1），并在室温下固化4小时，从而得到所需厚度的Ecoflex蜂窝状基底（3毫米）。
4. 结论性意见
本文建立了有限元分析（FEA）模型，通过考虑变形能和粘附能，研究了蜂窝状基底在80°到140°不同角度下的层与层之间的粘附过程。得出了一个临界归一化粘附功的标度律，该标度律综合考虑了几何形状、材料特性、粘附功以及细胞壁的弯曲刚度等因素，用于判断蜂窝状基底是否发生粘附。临界归一化粘附功为0.074。
CRediT作者贡献声明
Jiawei Zhang： 数据整理。Feng Zhu： 方法论研究及正式分析。Yinji Ma： 监督工作。Kaimei Bao： 可视化处理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果
致谢
本文得到了中国国家基础研究计划（项目编号2023YFB3609002）和湖北省自然科学基金（项目编号2023AFB552）的财政支持。
