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  可拉伸的電子設(shè)備往往需要相應(yīng)可拉伸的密封。然而，可拉伸性與可滲透性實(shí)際上是密不可分的：從分子層面來(lái)看，可拉伸且低滲透性的材料是不存在的。哈佛大學(xué)鎖志剛教授課題組收集了許多材料的水與氧氣滲透性，并且對(duì)其在平坦和褶皺兩種情況下的表現(xiàn)分別介紹。平坦的密封結(jié)構(gòu)難以滿(mǎn)足同時(shí)可拉伸，低韌性和低可透性，而褶皺密封結(jié)構(gòu)卻可以實(shí)現(xiàn)。這種褶皺結(jié)構(gòu)在循環(huán)加載下：褶皺的鋁箔結(jié)構(gòu)經(jīng)歷數(shù)個(gè)循環(huán)后便生成疲勞裂痕并迅速擴(kuò)展；而褶皺的聚乙烯和二氧化硅結(jié)構(gòu)在10,000次循環(huán)后仍能維持低可透性。

  近些年來(lái)可拉伸的電子設(shè)備，軟機(jī)器人，離子導(dǎo)電水凝膠和軟醫(yī)學(xué)設(shè)備逐漸開(kāi)始浮現(xiàn)�？紤]到長(zhǎng)時(shí)間的使用，這些設(shè)備必然需要密封。沒(méi)有密封結(jié)構(gòu)，納米銀線(xiàn)，納米銅線(xiàn)和液態(tài)金屬易氧化，可導(dǎo)電的聚合物易降解，水凝膠則會(huì)脫水。

1. 材料和復(fù)合結(jié)構(gòu)的滲透性

圖一. 柔軟且低滲透性的材料并不存在：水滲透性和彈性模量以及氧氣滲透性和彈性模量的關(guān)系圖

  在尋求可拉伸密封時(shí)，存在一個(gè)不可忽視的自然基本事實(shí)：可拉伸同時(shí)低滲透性的材料是不存在的。在分子層面，可拉伸性和滲透性是密不可分的。在彈性體中，可拉伸性是由于高分子鏈的熵彈性，高分子鏈交聯(lián)從而形成三維結(jié)構(gòu)。要實(shí)現(xiàn)可拉伸，每一個(gè)高分子鏈包含著成百的單體并承受著無(wú)休止的熱運(yùn)動(dòng)。因此，小分子例如水或氧氣擴(kuò)散到彈性體就像擴(kuò)散到液態(tài)聚合物一樣容易。

  而通過(guò)使用剛度相對(duì)高的材料作為褶皺薄膜復(fù)合結(jié)構(gòu)，利用韌且低滲透性的材料（如氧化物，氮化物或石墨烯）作為阻隔層波浪形附著在基底（如塑料，彈性體）上，則可打破剛度-氣體透過(guò)性之間的轉(zhuǎn)換。

2. 剛度與透過(guò)率的轉(zhuǎn)換

圖二. 密封膜剛度-透過(guò)率轉(zhuǎn)換：a.平整 b.褶皺

  假如密封層滲透性P厚度為h，那么其透過(guò)率T = P/h。當(dāng)平整的薄膜被拉伸時(shí)，薄膜的剛度為Eh，其中E為彈性模量。當(dāng)褶皺的薄膜被拉伸時(shí)，其剛度與Eh3/L2 成正比，L為褶皺的波長(zhǎng)。因此，褶皺薄膜的剛度比平整薄膜的剛度小h2/L2倍，從而增大了薄膜的可拉伸性。

  舉例來(lái)說(shuō)，在剛度-透過(guò)率圖中畫(huà)了一條豎線(xiàn)，對(duì)應(yīng)著OLED對(duì)密封層水蒸氣透過(guò)率的要求。豎線(xiàn)左方即為滿(mǎn)足要求的材料，所有塑料和彈性體的透過(guò)率都太高而無(wú)法用作密封層。橫線(xiàn)對(duì)應(yīng)模量為1MPa厚度1mm的柔性設(shè)備，即剛度為103 N.m-1 。密封層的剛度不應(yīng)高于設(shè)備，因而材料應(yīng)在橫線(xiàn)的下方選擇。但圖2.a中左下方是空白即缺失，圖2.b 中左下角則包含了常用的密封材料。也就是說(shuō)，平整100nm厚二氧化硅膜可以滿(mǎn)足透過(guò)率但太硬，而褶皺的膜可同時(shí)滿(mǎn)足以上要求。

3. 褶皺復(fù)合膜的制備

圖3. 將基底進(jìn)行預(yù)拉伸，粘接低滲透性的薄膜。釋放預(yù)拉伸后，薄膜產(chǎn)生屈曲脫粘，從而形成褶皺。

圖4. 雙向和單向褶皺的不同材料組合：a, b. PE/VHB c, d. 鋁箔/VHB e, f. 二氧化硅/PDMS

4. 褶皺薄膜的性能：

  a. 加載拉伸小于預(yù)拉伸時(shí)，褶皺復(fù)合膜是可拉伸的且如基底般柔軟。繼續(xù)加載則會(huì)產(chǎn)生分層，薄膜斷裂。

  b. 在循環(huán)加載下，鋁箔/VHB復(fù)合膜易產(chǎn)生裂痕而失效，PE/VHB和二氧化硅/PDMS復(fù)合膜仍保持良好性能。

  c. 實(shí)驗(yàn)測(cè)得，褶皺復(fù)合薄膜的透過(guò)率遠(yuǎn)小于單基底的透過(guò)率，且一個(gè)月內(nèi)保持穩(wěn)定不變。在10,000次單軸拉伸循環(huán)加載后，薄膜的透過(guò)率仍就很低。

圖5. 在10，000次循環(huán)單軸拉伸載荷后，水蒸氣透過(guò)性仍就很低: a,b. PE/VHB；c,d.二氧化硅/PDMS

  設(shè)計(jì)可拉伸的密封層是為了聚焦于一些新問(wèn)題如褶皺的疲勞，褶皺薄膜與基底之間的粘接等。換而言之，雙向褶皺的連續(xù)薄膜為可拉伸電子設(shè)備提供新的應(yīng)用。

  該研究工作發(fā)表在Appl. Mater. Interfaces。Paul Le Floch（哈佛大學(xué)博士）、施梅璇子（西安交通大學(xué)博士）為論文共同第一作者，美國(guó)工程院院士鎖志剛教授為論文通訊作者，西安交通大學(xué)唐敬達(dá)老師和浙江大學(xué)劉俊杰教授為論文合作作者。

論文信息與鏈接

  Paul Le Floch, Shi Meixuanzi, Jingda Tang, Junjie Liu, and Zhigang Suo, Stretchable Seal

  ACS Applied Materials & Interfaces Article ASAP

  DOI: 10.1021/acsami.8b08910

  https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsami.8b08910