无机可拉伸电子器件由于同时具有优异的电学和力学性能，可以应用于健康监测、疾病治疗、软体机器人和柔性显示等广阔领域，近十年来得到了广泛关注。该类器件系统的可拉伸性不仅取决于连接各个无机电子元件的导线结构，也与器件基底和封装层的力学性能密切相关。与之前广泛应用于可拉伸电子器件的实体软材料（如弹性体、水凝胶等）不同，近年来新发展出的网状软材料可以精确实现不同人体组织的J形应力-应变曲线，且具有缺陷不敏感性和高透气性等特征，是无机可拉伸电子器件基底和封装层的理想材料之一。然而，现有研究主要关注的是网状软材料在正常服役状态下的力学性能，网状软材料的极限延展性和拉伸强度，虽然在实际应用中非常关键，却鲜有报导。目前提出的各类微结构和点阵拓扑可以用来调节网状软材料的非线性应力-应变响应和提供一些非常规的力学性能，但对延展性的提升收效甚微，大多数网状软材料的延展性很难超越100%。在不损失拉伸强度的情形下，设计极限延展性显著高于现有网状软材料和典型弹性体材料的新型网状软材料，仍然是一项颇具挑战的工作。

  从设计层面看，该工作提出的多级网状软材料与传统和分形网状软材料不同，提供了网状软材料设计的新思路。含可展开节点的基本结构单元受中国传统文化中太极图的启发，进而构造为具备典型多级结构特征的周期性单胞，且该设计策略可以直接拓展构造具有更高级数的多级网状软材料。多级网状软材料的单胞构型由四个无量纲几何参数确定，并与结构级数和网状拓扑密切相关。 

  区别于以往网状软材料的微结构设计路径，该工作给出了从点阵节点角度出发设计网状软材料的通用策略，提出了多边形、星形和扇叶形等多类非常规点阵节点，并与可展开节点进行了对比，进一步阐释了可展开节点的性能优势。进而，工作指出，高延展性是由节点附加变形（节点的逐级展开和弯曲耦合变形）、避免结构自重叠和减少应力集中三方面因素共同作用实现的。研究提出的基于梁单元的有限元方法实现了对含不同几何参数的多级网状软材料的J形应力-应变曲线和非线性泊松比的可靠和快速预测。 

  该工作考虑了组分材料对制备多级网状软材料及其性能的影响，并论证了通过可展开节点设计提升延展性的策略对不同类型组分材料（如弹性材料、脆性材料和弹塑性材料等）的普遍适用性。以金属组分材料为例，展示了由不锈钢制备的多级网状材料可以提供更高的延展性和拉伸强度，以及不受外部拉伸载荷干扰的稳定电学特性，说明了提出的多级网状软材料在柔性电子器件等领域的实际应用价值。

  该研究以“Designing hierarchical soft network materials with developable lattice nodes for high stretchability”为题发表于Advanced Science，西安交通大学航天航空学院助理教授刘建星博士为论文第一作者，卢同庆教授为论文通讯作者，参与研究的还有博士生郭浩宇和硕士生刘海洋。

  论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202206099

  下载：Designing hierarchical soft network materials with developable lattice nodes for high stretchability