具有模量海岛结构的可延展电子聚合物基底的数字化制造

Stretchable electronics is a kind of flexible electronics which can tolerate high strain. They are showing particular significance in a variety of applications such as wearable biomedical detection devices. Current available polymer substrates for stretchable electronics are common rubbers. Although providing large deformation, they cannot provide sufficient protection for the brittle electronic devices. This proposal aims to develop a new kind of polymer substrates for stretchable electronics. Polymer thin sheets with spatially controlled crystallization will be synthesized through photo-induced polymerization/crosslinking reaction of crystallizable precursor monomers (e.g polycaprolactone diacrylate). The exposure time of the precursors can be locally controlled via a digital photo-mask technique. As a result, crosslinking density of the obtained polymer sheets can be locally controlled. Crystallization will be occurred in the locations with low crosslinking density but not in the locations with high crosslinking density. The crystallization behavior of crosslinked polymer networks under spatially confined conditions will be finely studied. The obtained polymer substrates with spatially controlled modulus will provide sufficient protection for microelectronic devices on them. Therefore, this proposal is of scientific importance as well as high value on the application ends.

可延展电子器件是一类可执行大应变的柔性电子器件，将在诸如可穿戴医疗检测设备等应用中发挥至关重要的作用。当前用于可延展电子的聚合物基底材料为弹性橡胶，虽可完成较大拉伸形变，但缺乏对脆性电子器件的保护作用。本申请拟采用数字化光掩膜技术对聚己内酯二丙烯酸酯等可结晶的大分子单体进行区域化可控的光致交联聚合，控制预交联体系的局部曝光时间以区域化地控制所得聚合物膜材料的交联密度。通过对区域受限条件下交联聚合物结晶行为这一科学问题的研究，控制低交联密度区域结晶而高交联密度区域不结晶，最终制备出具有模量海岛结构的交联聚合物薄膜。此聚合物的低模量弹性区域保证了其可延展性，而高模量区域可保护微电子器件，从而可用做可延展电子的新型自适应柔性基底，具有重要科学意义与实用价值。

可延展电子器件是一类可执行大应变的柔性电子器件，将在诸如可穿戴医疗检测设备等应用中发挥至关重要的作用。当前商品化的用于可延展电子的聚合物基底材料为弹性橡胶，虽可完成较大拉伸形变，但缺乏对脆性电子器件的保护作用。有研究者通过力学结构设计制备了凹凸海岛形貌结构的弹性薄膜，具有一定应变隔离功能，但制备工艺复杂且增加了基底厚度，降低了器件的便携性。本项目设计并合成了多种光敏预聚合/交联体系，通过数字化光掩膜技术对其进行区域化曝光时间的控制，实现了体系交联密度、结晶度、以及玻璃化温度的区域化控制，制备了具有模量海岛结构的聚合物薄膜。通过对所得聚合物样品力学行为的表征，研究了多种数字化聚合体系交联密度对材料结晶度与玻璃化温度，以及材料模量与可延展性的影响规律，实现了刚性不可延展区域与柔性可延展区域三个数量级的模量差异。最终利用各种模量海岛结构薄膜作为基底，搭建与评价了可延展电子原型器件。此外还优化了薄膜制备过程，使其与器件制备相匹配。通过本项目研究，可利用高效低成本的工艺制备出具有应变隔离功能的可延展聚合物薄膜，有望克服现有基底材料的上述缺陷，项目成果正在积极与企业合作，进行应用实验。通过资助，项目团队在Sci. Adv.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Chinese J. Polym. Sci.以及高分子学报等高水平期刊中发表论文15篇，培养硕士生、博士生、博士后7名。较好地完成了研究目标。