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南科大和休斯顿大学及哈佛大学发明不长皱纹的柔性电子材料

文章来源: 高分子科学前沿       发布时间:2019-07-12

7月11日消息,当我们挤压皮肤时,皮肤表面会出现褶皱,这是一种硬-软体系受压失稳的表现。连绵的山川、瓜果表面的纹理、人和动物表皮的皱纹均是硬-软结构失稳所致。而通常的硬膜-软基体失稳所需的临界应变不超过0.1%,因此可以认为一旦受到挤压就会生长褶皱。柔性电极和柔性电子器件通常也是硬-软双层或多层结构,如果其表面生长褶皱,将会造成粗糙度的迅速上升,透射率的急剧下降,甚至界面的破坏。因此,防止柔性电子材料和器件表面生长褶皱是一个重要课题。


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图1、泊松比对双层结构起皱行为的影响示意图


南方科技大学郭传飞、洪伟教授,休斯顿大学任志锋教授以及哈佛大学锁志刚教授等人合作发现:如果双层体系中硬膜(例如柔性电极的金属导电层)的等效泊松比超过一个临界值,那么该双层结构在拉伸或者压缩时均不会生长褶皱。研究发现,在形变量很小的情况下,这个临界值约为2——即硬膜的泊松比大于2时可以抑制褶皱生长。然而,一般均质固体材料的泊松比都不超过0.5,因此普通的金属膜-高弹体体系都极易起皱。但许多镂空网络结构的等效泊松比却有可能大于2。同时,网络结构还具有较高的可拉伸性,可以被用作柔性透明电极。不过当拉伸量很大时,金属网络中也会萌生裂纹,使得泊松比降低到临界值以下,导致褶皱的出现,实验中也确实观察到了褶皱和裂纹的伴生现象。研究结果说明:只有柔性电极或器件同时具有良好的可拉伸性和很大的有效泊松比时,这种抗皱机制才可以被发挥出来。


南科大和休斯顿大学及哈佛大学发明不长皱纹的柔性电子材料


图2、泊松效应对柔性电极和柔性电子器件光学及电学性能的影响


团队还发现,某些网络结构的有效泊松比随着应变的增大而增大,在应变较小时泊松比还达不到抑制褶皱的临界值;但随着应变增大,其等效泊松可能超过临界值。研究预测并观察到了这种结构的反常褶皱现象:当变形较小时,电极中出现了褶皱;而随着变形的增大,褶皱反而消失了! 此外,这种采用大泊松效应来抑制褶皱生长的思路具有普适性,它并不局限于某种特殊材料。除了各种柔性电子器件中的应用外,它还可能在其他工程应用中的硬-软双层或多层结构中被用来抑制或消除褶皱。


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图3、几种网络结构的有效泊松比,以及一种反常褶皱生长行为的实验结果


该工作近日在线发表于材料领域著名期刊Advanced Materials上。本研究得到了国家自然科学基金项目、深圳市基础研究学科布局和广东省“珠江人才计划”创新创业团队的支持。


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文章来源:高分子科学前沿

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