人们普遍认为，塑性变形意味着整体结构的不可逆变化，从而导致器件的失效。因此，传统柔性电子器件结构设计通常将金属材料的变形限制在弹性范围内。然而，材料科学的各项最新进展显著提高了金属材料的弹塑性性能，使其能够承受更大的弹塑性变形而不会失效。研究表明，柔性电子器件可以被设计为在发生过局部塑性变形后其电气功能依然能够恢复到未变形状态。这种对塑性变形的重新认识，挑战了传统观点，并突显了在柔性电子器件中充分利用金属材料弹塑性行为的巨大潜力。未来，亟需进一步探索金属材料在柔性电子器件耐用性与功能性方面的应用，尤其是在先进结构中巧妙地结合塑性变形的设计方法。近来，中国科学院力学研究所苏业旺研究员团队与大连理工大学李锐教授团队合作综述了柔性电子中金属材料的弹塑性行为，并对利用金属材料的弹塑性行为创新下一代柔性电子产品提出了一些展望。该研究成果以“Embracing Plasticity: Unlocking the Full Potential of Flexible and Stretchable Electronics through the Elastoplastic Behavior of Metallic Materials”为题近期发表在国际学术期刊Advanced Functional Materials上。

柔性电子器件中金属材料的设计策略具有从防止塑性到利用塑性的趋势（图1）。经典的防止塑性策略大体分为三类：首先可以考虑使用具有改进的弹塑性性能的金属材料提高器件整体的柔性。第二种策略是在电子器件结构设计中使用各种几何布局设计策略来缓解应变保证器件变形始终在弹性范围，可以分为平面几何设计和空间几何设计。第三种策略是将几何设计与新型材料相结合。在加载过程中，独立的金属薄膜的应变局部化通常会导致其过早失效。聚合物基底提供的力学支撑可以抑制金属薄膜中的应变局部化。应变非局部化策略也可以与其他设计和制造策略相结合，以进一步提高器件的柔性（图2）。利用金属材料的弹塑性行为，可以显著提高柔性电子器件的机械性能，从而增强其耐用性、柔韧性和弹性，其中一种称为过度拉伸策略的新方法可以有效提高柔性电子器件的弹性柔性（图3）。同时利用金属材料的塑性变形还可以制造出复杂的结构（图4）。

中国科学院力学研究所苏业旺研究员和大连理工大学李锐教授为共同通讯作者。该工作得到了武晓雷研究员的指导，得到了来自国家自然科学基金委和中国科学院的项目支持。

原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202412796

图1. 利用金属材料弹塑性行为的柔性电子器件设计策略：从防止塑性到利用塑性

图2. 与应变非局部化相结合的设计和制造策略。a） Cu-PI 界面处的临界法向力。b） 当马蹄形可拉伸互连不同伸长率时的光学图像。c） 预应变蛇形互连应变分布的实验图像和FEA结果。d, e） 三层与双层布局的3D带状帐篷形介观结构对。f） 有无缓冲层的3D螺旋互连岛桥结构对比

图3. 利用塑性演化提高弹性范围的创新策略。a, b） 可拉伸电子器件提高弹性可拉伸性的过度拉伸策略的逐步操作。c） 铜的理想弹塑性力学本构关系。d） 在有或没有额外塑性的情况下，过度拉伸过程中半圆顶点横截面的应力分布。e） 增强弹性拉伸性和第一次施加的应变/过应变的最大值之间的关系。f） 独立金属互连的初始状态图像以及拉伸150%时的正视图和侧视图。g） 增加的弹性可拉伸性为75%时的力-应变曲线

图4. 借助金属塑性形成功能结构。a） 利用金属材料的可塑性制造复杂的3D结构。b） 由具有调节塑性的液态金属制成的3D柔性电子器件。c） 可揉皱电子器件。d, e） 形状可调Kirigami复合超材料薄片