摘要：第一作者：Jung Hur通讯作者：Jeong Gon Son，Yongtaek Hong通讯单位：韩国科学技术研究院，高丽大学，首尔大学DOI: 10.1002/adma.202414794

第一作者：Jung Hur

通讯作者：Jeong Gon Son，Yongtaek Hong

通讯单位：韩国科学技术研究院，高丽大学，首尔大学

DOI: 10.1002/adma.202414794

背景介绍

可拉伸设备可以在物理变形下运行而不会损坏设备，具有更大的形状和运动自由度，从而在可穿戴设备、健康监测设备、软机器人甚至可拉伸和动态移动显示器中具有潜在的应用。然而，当沿一个方向拉伸时，可拉伸材料在垂直方向上固有地收缩，以尽量减少体积变化，这可能会导致不希望的变形，因此，如图1a所示，在可拉伸显示器中，垂直收缩会导致单个像素向中心旋转并靠得更近，从而导致弯曲的边缘和整个区域变形的不均匀分布。此外，对于附着在皮肤上的设备，如果泊松比与皮肤的泊松比不匹配，不必要的变形可能会导致皮肤不适。这种垂直收缩可以用泊松比来量化，泊松比定义为在纵向方向上拉伸的横向应变（∈t）和纵向应变（∈l）之比，即v=−∈t/∈l。特别是，用作可拉伸基材的易变形弹性体会发生严重的垂直收缩，泊松比非常高，为0.5。为了控制这种材料的内在特性，需要新的结构方法来降低可拉伸基材中的泊松比。

伸缩结构，也称为机械超材料，具有规则的向内突出的凹入框架，是实现负泊松比的一个很好的例子，当拉伸时，泊松比会在垂直方向上膨胀，因此在组织工程、致动器、甚至可拉伸超级电容器和可拉伸锂离子电池等领域正在进行各种应用研究。泊松比也可以使用预应变皱纹结构或机械各向异性材料来控制。然而，在利用结构力学控制泊松比的研究中，很少有研究涉及需要透明特性的显示设备基板中的失真。直到最近，才研究了具有双轴微皱纹结构的电致发光器件、基于kirigami的拉伸结构微LED系统、机械超材料结构、拉伸图案化复合材料和各向异性复合材料。然而，这些增强结构（通常在毫米尺度上）是可见的，并且由于异质物质之间的折射率失配而在材料内引入折射等问题。这些失配改变了光路，导致界面反射，导致眩光和透明度降低，透明度损失与失配程度成正比。此外，拉伸结构的地形起伏表面会导致不希望的光散射。在拉伸过程中，两种材料之间机械性能的显著差异会导致表面起伏和不均匀的应变分布，这很难缓解。

为了解决这个问题，一种古老但新颖的控制聚合物材料本身结构的方法可能会有所帮助。适当排列的小于可见光波长的纳米结构，如嵌段共聚物（BCP），可以被认为可以通过结构方法控制泊松比，同时保持透明度。共价键结合两条不同聚合物链的BCP通过微相分离形成亚可见波长周期性纳米结构，是通过纳米结构表现出热塑性弹性体（TPE）特性的代表性材料。此外，在圆柱形BCP的情况下，如果圆柱体在一个方向上对齐，理论上在宏观复合材料中，对齐方向和垂直方向之间的模量可能存在巨大差异，从而导致机械各向异性。假设这种纳米级排列可以有效地防止拉伸过程中的宏观垂直收缩。在这种情况下，泊松比可以很容易地控制在接近零的水平，并实现无失真的透明、可拉伸的基板，如右图1a所示。BCP的取向可以在化学或地形图案上实现，也可以通过剪切对准实现，包括我们的剪切轧制工艺，但只关注硅片上的纳米级薄膜，以在下一代光刻中实现亚10 nm图案。相反，相对较厚的块体薄膜中的取向在很长一段时间前才被研究过，很少有研究对宏观可拉伸基材的力学性能进行控制。

本文亮点

1. 本工作在聚苯乙烯嵌段聚异丁烯嵌段聚苯乙烯热塑性弹性体厚膜上采用高温剪切轧制工艺，实现了宏观机械各向异性，从而得到完全透明且单调可拉伸的基材，在变形过程中没有垂直或深度变形。

2. 高模量圆柱形纳米结构的单向取向诱导了宏观机械各向异性，模量比超过五倍。

3. 虽然传统弹性材料的泊松比徘徊在≈0.5左右，但这种机械各向异性使垂直收缩最小化，使泊松比低于0.07。

4. 由于纳米圆柱体的尺寸与可见光波长相比可以忽略不计，基材可以单调单轴拉伸，同时保持高透射率，而不会引入扭曲、表面波动或模糊，从而得到无扭曲的可拉伸基材。

图文解析

图1. 具有机械各向异性的嵌段共聚物弹性体中的单向排列纳米圆柱体，用于实现应变状态下完全透明的无变形可拉伸基材。a） 应变状态下可拉伸显示器和零泊松比无图像失真可拉伸显示器的典型垂直收缩和图像失真示意图。b） 泊松比为0.5的典型弹性体（严重垂直收缩，左）和对齐的纤维复合材料，由于纤维在应变状态下抵抗垂直收缩的高刚度，用于将泊松比控制在接近0的水平（右）。c） 用于弹性体基质中聚苯乙烯纳米圆柱体单向排列的相对较厚的SIBS BCP薄膜的剪切轧制过程的示意图。

图2. 在不同温度下通过剪切轧制工艺对140 nm厚SIBS薄膜进行纳米圆柱体排列。a）在200°C下退火12小时的原始SIBS薄膜和在b）140°C、C）160°C、d）180°C、e）200°C和f）220°C下剪切轧制SIBS薄膜的SEM图像及其快速傅里叶变换图像和Herman取向参数。

图3. 剪切轧制工艺用于对齐体BCP薄膜和剪切轧制BCP薄膜的入射方向相关SAXS散射图案。在相同辊速（Vr）和不同阶段速度（Vs）下轧制过程中块状SIBS薄膜的侧视照片，a）Vr=Vs，b）Vr>Vs，c）Vr>>Vs。d）SAXS测量中SIBS厚膜的X射线束方向示意图。e）原始SIBS厚膜在XY平面和剪切轧制SIBS厚膜180°C在f）XY、g）YZ和h）XZ平面的SAXS散射轮廓。

图4. UTM拉伸试验，以评估剪切轧制SIBS薄膜的机械各向异性。在a）140°C、b）150°C、C）160°C、d）170°C、e）180°C、f）190°C、g）200°C的不同剪切轧制温度下，原始和剪切轧制SIBS薄膜在排列和垂直方向上的应力-应变曲线及其杨氏模量。h） 在50%应变下拉伸/释放1000次循环后，剪切轧制SIBS薄膜在180°C下的应力-应变曲线。

图5. 原始SIBS薄膜和剪切轧制SIBS薄膜在拉伸过程中的垂直收缩/变形差异、拉伸过程中原始SIBS和剪切轧制SIFS薄膜的x和y方向应变分布以及泊松比。a）未应变SIBS薄膜，b）50%应变下的原始SIBS薄膜和c）50%应变时180°c剪切轧制SIBS薄膜的摄影图像。d） 在140°C至200°C的不同工艺温度下，从原始和剪切轧制SIBS薄膜的摄影图像和DIC测量中提取的泊松比的变化。e、 f）使用DIC e）在拉伸（x）方向上和f）在垂直（y）方向上测量原始和180°C剪切轧制SIBS薄膜在30%拉伸下的应变分布。g） 剪切轧制SIBS薄膜和具有毫米级对齐纤维的结构增强聚氨酯复合薄膜在应变状态下厚度（z轴）方向上的高度变化，以及h）由此产生的俯视光反射和视觉上明显的图像。

图6. 使用迷你LED器件和SIBS基板上的印刷图像可视化原始和剪切轧制SIBS薄膜之间的垂直畸变和变形差异。a）未拉伸装置和d）打印图像的照片；b） e）在原始SIBS基板上拉伸50%的印刷图像。c） f）在拉伸50%的剪切轧制SIBS基材上印刷图像。（a-c）中的白色比例尺和（d-f）中的黑色比例尺各代表1厘米。

来源：华算科技