西安交通大学邵金友教授团队《AM》：面向极端变形的抗冲击液-固双相自愈合柔性电路

摘要：近年来，以镓基液态金属为代表的高导电液态金属材料因其在大拉伸变形下保持高导电性得到广泛研究。但现有研究主要聚焦在如何兼顾大拉伸性和高导电性上，一个被忽视的方面是在冲击压力下高流动性的液态金属很容易挤向两侧，导致液态金属电路电阻急剧增加，这一现象使得现有液态金属

近年来，以镓基液态金属为代表的高导电液态金属材料因其在大拉伸变形下保持高导电性得到广泛研究。但现有研究主要聚焦在如何兼顾大拉伸性和高导电性上，一个被忽视的方面是在冲击压力下高流动性的液态金属很容易挤向两侧，导致液态金属电路电阻急剧增加，这一现象使得现有液态金属基柔性电路虽能承受大拉伸变形，但在承受应力挤压、冲击载荷时出现严重性能退化。值得注意的是，在机器人皮肤、军用可穿戴电子设备和智能假肢等前沿应用场景中，柔性系统中的互连电路往往承受拉伸、大冲击等多种复杂极端载荷，现有柔性电路难以满足此类场景的应用需求。因此，亟需研制同时抵抗拉伸变形和抗冲击的高导电、高可靠柔性电子电路。

为了解决这一问题，西安交通大学陈小亮特聘研究员提出了一种新的抗冲击柔性液-固双相自愈合电路。该电路下层固态合金层作为抗压层，而上层的液态金属层能够实时填充修复外界冲击、拉伸等变形过程中底层固态合金产生的损伤裂纹，维持复杂变形下电路的高导电性。将固-液双相导电材料嵌入到微柱结构化柔性衬底中可进一步提升柔性电路的抗压稳定性，应用于抗冲击、耐拉伸柔性天线和多功能柔性传感系统。该研究以题为“Compression-Durable Soft Electronic Circuits Enabled by Embedding Self-Healing Biphasic Liquid-Solid Metal Into Microstructured Elastomeric Channels”的论文发表在《Advanced Materials》上。论文第一作者为西安交通大学陈小亮特聘研究员，邵金友教授和吕建教授为论文通讯作者。

抗压可拉伸电路设计

下图展示了抗压可拉伸电路的设计，该电路由下层的固态金属和上层的液态金属组成。在作者的设计中，镓铟锡被选为液态金属，因为它在室温下具有流体特性，固态合金层是铋铟锡合金。作者所设计的双相液-固导电结构同时具有液态和固态导电材料的优点：下层的固态金属用作抗压层，而上层的液态金属层能够在大变形下实时填充固态层产生的裂缝，从而在拉伸和冲击载荷下实现导电性的无延迟自主修复。

嵌入微柱的抗压可拉伸双相液-固电路设计（a）可变形电子系统；（b）在拉伸和压缩下固态电路、液态金属电路和嵌入微柱的双相液-固金属电路的结构变形；（c）由固体金属和双相液-固金属制造的环形回路SEM图像，和回路破裂区域的放大图像；（d）压力作用下液态金属电路和嵌入微柱的双相电路的电阻变化；（e）不同导体在拉伸变形下的电阻变化；（f）微柱嵌入的双相液-固导体和典型柔性导体在导电性、拉伸性、抗压和可印刷性方面的性能比较。

镶嵌式液-固双相电路制造方法

考虑到压力注射、真空填充、只写打印或热转印等传统柔性电路制造方法对于在结构化衬底内依次制造双相液-固金属具有挑战性。为了实现这一创新设计，作者提出了一种基于界面润湿的结构限域填充策略。首先使用高精度的纳米压印技术制造具有嵌入式微柱的结构化衬底。随后，利用液态金属在固态金属表面的润湿流动特性，将固态金属和液态金属依次填充到嵌入微柱的微通道中，从而制造出了镶嵌式液-固双相金属电路。

基于界面润湿的结构限域填充策略所制造的双相液-固金属导体（a）双相液-固金属导体的制造过程；（b）在制造过程中获得的SEM图像；（c）不同宽度固体金属层的凹形表面轮廓；（d）具有不同线宽的双相液-固电路的SEM图像；（e）结构限制填充线宽与预压印通道线宽比较。

液-固双相金属导体长期共存性

通过上述基于界面润湿的高精度结构限域填充方法，作者制造出了多种复杂电路图案。作者进一步研究发现，液态与固态金属界面处通过合金化反应形成的合金层能够使液-固双相金属实现长期稳定共存。经60天放置后的EDS分析显示：固态层以Bi为主，液态层以Ga为主，界面处形成了新的GaBiInSn多相合金层。当界面能与晶界能达到动态平衡时，合金层厚度停止增长。这种原位生成的合金界面如同"隔离带"，有效阻隔了二者的持续反应，从而保障双相液-固金属层的长期可靠性。

双相液-固金属导体的设计图案和液-固界面特性（a）通过高分辨率结构限域填充策略制造的各种电路图案；（b）双相液-固金属导体横截面SEM图像；（c）双相金属导体的EDS元素组成分析；（d）双相导体液-固界面元素分布。

液-固双相自愈合柔性电路性能研究

作者实验验证了双相液-固电路在极端压力与拉伸应变下的电性能稳定性。实验表明，该电路在38.2MPa高压下仍具有较高的导电性。纯液态金属电路因高流动性在5.1MPa压力下电阻骤增，固态金属电路能够承受8.4MPa的压力，但随着压力的进一步增加，大量裂纹产生，导致电阻迅速增加。双相液-固电路设计将抗压极限提升至17.5MPa，而引入微柱支撑结构后，抗压性进一步跃升至38.2MPa。微柱协同固态层分散压力，冲击载荷下液态金属连接碎裂的固态金属形成连续导电通路。在循环测试中，双相电路在7000次15.9MPa压缩后电阻变化仅0.48%，在100%拉伸应变下电路的电阻也仅增加约10%。通过双相液-固金属导电材料和嵌入的微柱协同作用，实现了在冲击载荷和拉伸变形下高可靠稳定的导电性。

自愈合双相液-固电路的性能表征（a）向电路施加压力的测试系统的照片；（b）在步进压力下液-固电路的典型电阻变化；（c）不同类型电路在压力下的相对电阻变化；（d）液-固电路的压缩变形过程和自愈机理；（e）具有不同微柱尺寸的液-固电路在压力下的相对电阻变化；（f）在15.9MPa循环（7000次）压力下液-固电路的相对电阻变化；（g）液-固电路拉伸性能测试照片；（h）拉伸变形下液-固电路的相对电阻变化；（i）拉伸变形下固态金属电路和双相液-固电路的表面形态变化。

液-固双相自愈合柔性电路应用

作者展示了由液-固电路构成的可拉伸NFC天线和多功能柔性传感系统的应用。基于双相电路的柔性NFC天线在18.2MPa高压下仍保持正常工作（性能较液态金属电路提升7倍）。集成加速度、温度传感器的柔性传感系统在20MPa压力下加速度传感误差低于5%，50%拉伸时加速度信号稳定，在高压下温度监测误差仅2%。实验证实该双相液-固电路可兼容刚性电子元件，展现了其在可穿戴设备中协同刚柔结构的潜力。

双相液-固电路在NFC天线和柔性传感系统中的应用（a）液-固电路应用于柔性NFC天线；（b）液-固电路应用于柔性传感系统，用于监测人体运动；（c）不同压力下柔性传感系统的性能变化；（d）不同拉伸形变下柔性传感系统的性能变化。

小结

作者通过将固-液双相金属自愈合策略和镶嵌式电路结构设计方法，显著增强了柔性电路在极端变形下抗冲击、耐拉伸能力。下层的固态金属用作抗压层，上层液态金属实时填充固态层中由大变形引起的裂缝，从而实现导电性的无延迟自主修复。液态和固态金属之间的合金化反应被证实可阻止进一步的反应，从而使液-固电路能够长期共存。将液-固双相电路镶嵌到微柱结构衬底中将电路抗压能力从2.5MPa提高到38.2MPa。结合高精度纳米压印技术和结构限域微流填充方法实现了自愈合双相电路高精度、规模化制造。作者采用液-固电路制造的可拉伸NFC天线和多功能柔性传感系统在极端压力载荷和拉伸变形下可正常服役工作。作者提出的液-固双相电路具有高抗压性、大拉伸性、高导电性和高精度制造的优点，在机器人皮肤、军用穿戴电子、智能假肢等领域具有重要应用前景。