基于导电材料与可拉伸材料的混合物的传感器/导体是可拉伸的，具有合适的高电导率，其拉伸性能取决于基体的拉伸极限。而在大应变下电导率大大降低，限制了其作为可拉伸电极的应用。对于刚性传导材料，另一个通往可拉伸性的途径则是结构设计。金属薄膜在弹性基底上形成的微裂纹是一种具有高拉伸性能的结构。在这种金属薄膜上沉积液态金属可以进一步提高这种导体的拉伸性能。其他可拉伸的微观或宏观结构，如分形设计和蛇形结构、螺旋结构、外平面波结构、开放网格（Open-mesh）结构、剪纸（Kirigami）结构、三维多孔结构等也表现出了良好的抗大变形能力。
1、面内蛇形结构
为了实现高可拉伸电子电路，采用分形设计等具有平面可拉伸配置的金属线和蛇形结构。具有平面布局的刚性导电薄膜通常与弹性衬底结合或嵌入，以适应大的应变。蛇形结构的伸展性源自其蜿蜒的“二维弹簧”结构的延伸。虽然缺乏大的可伸展性，金属能够弯曲，如果截面足够小。图1是一个薄(0.3µm)蛇形结构在不同应力下下的伸展状态。这种结构在平面内弯曲，在平面外局部起皱，可以拉伸到非常大的应变。弹性材料中嵌入弹簧状金属线，其振幅为周期的一半，其导电率可达≈14.2%，远高于直丝(≈2.4%)。将振幅-波长比提高一倍，可使拉伸率提高到≈27.2%。通常在应力(或应变)集中的每个波的波峰和波谷处形成裂纹。研究了金属丝弯曲度的影响，发现较细的金属丝比较宽的金属丝拉伸得更多，而多根金属丝并没有改变金属丝的破坏应变。与人们的直觉相反，弯曲度越小，破坏应变越大，而导线重叠则导致破坏应变越小。同样，具有自相似性的分形基结构也表现出了较大的延性。与周期性的蛇形结构相比，基于分形的结构创造了新的设计机会，因为它们可以在设计时适应沿选定尺寸的高应变，并支持各种变形模式(单轴、双轴或径向变形)。图1b给出了一些分形设计的示例，包括线条、循环和类似分支的几何图形。通过实验和有限元分析对这些具有代表性的分形结构的变形进行了研究(图1c,d)，表明其具有较高的弹性拉伸应变。虽然这些二维金属丝结构表现出增强的弹性应变，但拉伸性受到丝与衬底的粘附和衬底刚度的限制局部应力集中是导致金属线材失效的主要原因，提高拉伸性能需要更均匀的应力分布设计。
图1
2、螺旋结构
内部结构的可拉伸性(分形和蛇形设计)受到金属丝局部应力集中或基底变形极限引起的结构破坏的限制。有研究表明，与二维线圈结构相比，三维线圈结构的应变分布更加均匀，因此具有更高的拉伸性能。大应变取决于线圈形状在缓解最大局部应变的有效性，类似于线圈弹簧的变形。可拉伸性可通过增加结构的复杂性和去除基板来进一步提高。如图2a,b所示，基于线圈CNT纱线的拉伸性高达285%。开环和校直的伸长率很高，比笔直的碳纳米管纱线高20倍，同时保持强度和高导电性。通过模仿DNA的结构，以氨纶纤维为芯，以碳纳米管为鞘形成了超螺旋导电纤维(图2c-e)。沿纤维方向，超卷曲纤维呈高度有序、致密的结构。结构压实度高，获得了≈1500%无电气故障的超弹性。在拉伸1000%下，只增加了4.2%的阻力。
图2
3、面外波浪结构
引入可拉伸性的最直观的方法之一是将高导电金属或导电纳米材料制成薄膜或带状，制成平面外扣。当施加应变时，波被拉直以适应大变形。衬底承受较大的应变，导电路径基本保持不变，在拉伸条件下电导稳定。弹性聚合物上的金属薄膜由于热膨胀失配而发生屈曲，从而产生有序的波状结构。金属薄膜(通常用电子束蒸发的方法在PDMS上沉积了50 nm厚的金，在此过程中PDMS发生了热膨胀。随后的冷却产生压应力在金属薄膜形成面外弯曲结构与波长的≈20 - 50µm。类似的工作证明了弹性体基材上的金属薄膜可以拉伸约10%，远远高于独立金属薄膜的破坏应变(通常≈1%)，并且保持电连续性。
图3
另一种常用的方法是将导电薄膜或带/纤维沉积在预应变的弹性衬底上。预拉伸可产生较大的压应力。衬底随后的弛豫导致了可以承受大变形而又不会造成太多电导率损失的弯曲薄膜。波状结构具有明确的波长和振幅，这取决于导电层的厚度和预应变的水平。基于CNTs波纹带的可拉伸导体。一个碳纳米管带溅射将Au/Pd膜转移到预先应变的PDMS衬底上，释放应变后将其扣出平面(图3)。第二薄层PDMS被涂在CNT带上，形成坚固的三明治结构的导体。卷曲的碳纳米管带可以承受较大的应变，而电阻变化不大。，如果将PDMS预加到100%，则电阻在100%应变下仅增加≈4.1%。有学者报道了另一个使用预紧释放-扣带策略的例子。在纤维方向上的CNT片被包裹在预拉伸的橡胶纤维芯上(通常拉伸到1400%应变)。释放后，短周期和长周期的护套在轴向和带向都会发生弯曲。由于周期性的分层屈曲结构，在1000%的拉伸应变下，电阻的变化小于5%。
除了单轴预应变外，多轴预应变也被用来发展弯曲结构。通过对PDMS进行双向预拉伸，报道了可双向拉伸的银纳米线透明导体。将PDMS薄膜在两个平面轴上机械拉伸10%。AgNWs薄膜原本在滤膜上，被转移到预拉伸的PDMS上。预应变释放后，AgNWs薄膜在PDMS衬底上发生弯曲。重新拉伸后，AgNWs薄膜的导电性保持在预应变水平(10%应变)。采用“吹气球”的方法开发了弹性透明导体。与单轴和双轴预拉伸不同，新方法在多轴方向上产生了短周期和长周期的褶皱。由于周期性的分层石墨烯皱纹，大形变下亦具有高电导率。
4、Open-mesh结构
通过引入具有各种形状孔洞的开孔结构，还可以获得高的拉伸性能。当网格结构被拉伸时，开放孔随着向拉伸方向旋转的条带的变形而变形，同时应力在开口结构的连接顶点处上升。网格结构可以通过许多制造工艺获得，如采用模板导向的自组装方法制备了基于菱形碳纳米管纳米网格薄膜的透明可拉伸电极。菱形结构的变形适应了应变，从而提高了拉伸性能。与碳纳米管薄膜随机网络相比，菱形nanomesh薄膜显示显著降低薄层电阻与类似的光学透过率，以及更高的稳定性和更好的机械耐久性。3D打印技术可以大规模制备具有不同开孔结构的PDMS纳米复合材料。加入石墨烯调整PDMS的粘弹性，使其可以直接通过3D打印机打印。打印不同开孔结构的PDMS，包括正方形网格、六边形网格和菱形网格(图4)。其中菱形网格的PDMS最大变形能力超过400%(图4d)。表面的导电石墨烯涂层可产生具有高应变系数的高弹性应变传感器和宽的工作范围(0 - 400%)。
图4 PDMS/石墨烯复合材料的不同open-mesh下的应变图片
5、Kirigami结构
除了开孔网状结构外，基于剪纸艺术的Kirigami结构还具有较高的拉伸性能。为了实现Kirigami结构，在导电薄膜中引入了细线切割，其机械性能可以根据切割模式进行调整。这与单位切割形状和层级有关。薄膜厚度对由平面内变形向平面外变形的转变影响很大，较薄的薄膜更容易弯曲。人们使用了不同的技术如光刻法、激光束切割、剃须刀片切割、或使用计算机控制的电子切割机来创建Kirigami图案。图5a为简单的Kirigami图案(以矩形为中心的直线排列)的微加工过程的示意图。中间有单一切口的试样，其破坏应变与未形成图形的原始材料相似(≈4%应变)（图5b）。结果表明，经木纹切割后的试样具有明显不同的拉伸性能。在初始弹性区域(应变< 5%)，与未剪切的试样基本一致。随着应变的增加，观察到一个弹性平台状态(图5b)，在此期间，切口开始张开，并出现平面外变形，直到切口末端撕裂，破坏才开始。有限元研究表明，应力主要集中在连接处(图5c)。当电导在整个应变范围内保持不变时，失效应变明显增加到≈370%。剪切间距越大，薄膜的刚性越强，临界屈曲载荷越大。相反，增加切削长度可以提高材料的拉伸性能，但会削弱材料的强度，降低材料的屈曲载荷。类似的，开发了可伸缩的导电纸用于可穿戴热疗(图5d)。Kirigami图案赋予导电纸高的拉伸性能(>400%)，同时保持其优异的性能。增加切削长度可增加拉伸性，而增加切削间距可降低拉伸性。
图5
6、3D多孔结构
三维多孔结构是另一种获得高拉伸性能的结构形式。如图6a所示的大面积三维网状纳米结构，具有高可拉伸性，大大超出了块体材料的固有极限。与PDMS薄膜相比，破坏应变提高了约225%。将液态金属等导电材料填充到孔隙中，制备出高导电性、可拉伸的薄膜(图6c)。有限元分析表明桥接元件在拉伸过程中旋转以适应应变(图12 b, d)。应变不是均匀分布的，桥接元件的应变最高，比施加的应变低。这解释了增强的拉伸能力。从那时起，已经有几种方法被发表来制造PDMS中的三维多孔结构，用于提高其拉伸度。如通过复制泡沫镍或3D打印多孔聚乳酸的结构制备3D多孔PDMS的方法。在3D PDMS骨架上涂上碳纳米管和石墨烯等导电纳米薄膜后，就可以开发出高延展性的导体。在100%单轴拉伸的情况下，这些可拉伸导体可以保留高达40%的原始电导率。有人证明了使用包覆有CNFs的糖粒子作为模板的高度灵活和可变形的导体(图6e)。其中糖颗粒可以很容易被水去除，而不需要使用有毒溶剂，如使用的二氯甲烷来去除聚乳酸。从图6f可以看出，与固体PDMS相比，多孔材料表现出更高的破坏应变。最近，有人使用化学发泡方法在石墨烯/PDMS复合材料中制造孔隙，以提高拉伸性能和传感性能。使用的碳酸氢铵起泡剂，避免了去除模板的过程，使其成为一个有吸引力的技术。这些多孔导电复合材料孔壁的局部转动和弯曲使得大应变的调节成为可能。
图6 基于3D多孔结构的PDMS
参考文献：
Shuying Wu, Shuhua Peng, Yuyan Yu, andChun-Hui Wang. Strategies for Designing Stretchable Strain Sensors andConductors. Adv. Mater. Technol. 2020, 1900908.
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