复杂曲面广泛存在于航空航天飞行器、智能机器人和人体表面等场景，在复杂曲面上共形集成多功能电子系统，使电子器件能够更广泛应用于复杂多变的场景，对于结构监测、环境感知、频选表面等功能集成具有非常重要的意义，例如飞行器智能感知蒙皮、隐身电磁功能结构、曲面共形天线等。复杂曲面电子关键在于将电子器件紧密设计与制造在曲上，其中有效的方式就是通过柔性电子技术实现曲面集成。然而，航空航天飞行器的恶劣工作环境，难以通过可拉伸柔性电子技术实现复杂曲面的完全共形覆盖。因此，如何实现不可拉伸系统在复杂曲面上的精准布置与连通集成，同时保证电路的稳定共形，避免褶皱、屈曲等问题是曲面电路制造的关键。
近日，华中科技大学机械学院黄永安教授团队，针对复杂曲面多功能电路的共形制造关键难题进行攻关，取得理论与技术进展，提出了曲面高精密电路的自愈合剪纸拼接策略，实现了柔性传感系统在复杂曲面上的共形组装与应用。相关成果在期刊《Advanced Functional Materials》上发表了题为“Self-healing Kirigami Assembly Strategy for Conformal Electronics”的研究论文。自愈合拼接电路直接将不可拉伸柔性电子共形于复杂结构表面，在曲面表面集成大规模传感器和功能结构，实现了平面加工技术制造复杂三维曲面电子。
柔性剪纸技术（Kirigami Strategy）能够为不可拉伸的硬质材料赋予变形能力，实现2D平面形状与3D立体构型之间的转换。本文结合柔性剪纸技术与自愈合导电材料，开发了新颖的自愈合剪纸拼接策略，用于实现曲面电路平面制造与曲面共形组装。该曲面自愈合剪纸拼接策略，有效使用了Kirigami技术的构型变换特性，将复杂的曲面电路通过降维映射展开至平面，将原本复杂的曲面加工问题转变为成熟的平面电路制备过程。平面制备的高精度功能电路借助于Kirigami剪切结构，实现了在复杂曲面上的共形包覆，并最终借由自愈合导电材料的愈合过程，完成了电路在曲面上的自动组装连通。
图1自愈合剪纸拼接策略制备曲面共形电路。（a）曲面降维映射将曲面电路展开至平面。（b）使用自愈合导电材料制备高精度电路。（c）曲面电路愈合组装。（d）自愈合导电材料性能愈合曲线。
理论分析与有限元仿真结果表明，不可拉伸剪纸贴片在曲面上的共形情况，受到曲面曲率、界面粘附力、贴片尺寸、贴片材料的影响。实现完全共形贴合，需要保证有足够强的界面粘附力，以及贴片变形过程中不发生断裂，从而得到贴片尺寸应小于临界共形判定尺寸，lpiece < lcritical。对于球面贴片，宽度应小于0.28R，瓣状结构的片数应大于23片。【加上任意曲面表面共形的图片和文字阐述。】
图2 Kirigami剪纸结构共形设计。（a）不可拉伸Kirigami剪纸贴片的曲面共形贴合模型。（b）瓣状贴片球面贴合应变分布云图。（c）12片与24片瓣形剪纸贴片的球面共形效果。（d）不同材料贴片共形粘附力与贴片尺寸关系曲面。（e）贴片尺寸共形判定区域。（f）任意复杂曲面共形效果。
基于导电纳米Ag粉与聚己内酯（PCL）聚合物的自愈合导电材料表现出了优异的电学性能与机械强度。在温度80 ℃以上，表现出了极高的性能回复率，Ag含量80%时，导电性回复率达到90%。同时该自愈合导电材料还具有出色的可加工性，借助坐标变换与图案化切割等方式制备的自愈合线路，能够实现在曲面上的高度对准，从而保证电路连通的稳定性与顺畅程度。
图3 自愈合导电材料性能表征分析。（a）自愈合电路的高精度对准裁切设计。（b）自愈合电路曲面对准效果。（c）热响应自愈合原理图。（d）Ag/PCL自愈合材料愈合效果验证。（e）（f）自愈合材料的电学与机械性能表征。（g）（h）自愈合材料的性能回复率与多次愈合回复曲线。
借助曲面自愈合拼接策略，本文实现了24个电容式压力传感器与24个温度传感器在球面上的共形布置，并且通过温控自愈合开关实现了传感器之间的动态切换。所有传感器均匀分布于24片瓣状PI裁切片上，并且借助Ag/PCL自愈合导电材料完成了相邻瓣片上采集电路的组装连通。
图4 自愈合拼接式球面智能蒙皮用于环境风监测。（a）拼接式球面智能蒙皮结构图。（b）拼接式球面智能蒙皮实物照片。（c）风压传感器表征曲线。（d）温度传感器表征曲线。（e）自愈合切换开关性能曲线。（f）球面蒙皮环境风检测响应。
该球面智能蒙皮在复杂的风况下，仍能够稳固的共形于曲面之上，并且保证传感器系统的稳定工作。温控开关在85 ℃完成风压传感器与温度传感器之间的动态切换，最终实现了对风压、风向、风温的实时检测。曲面自愈合拼接策略有效解决了多功能传感系统在复杂曲面上的共形布置难题，可以极大推动柔性智能蒙皮走向航空航天的实际应用。
图5 iFlexSens拼接式柔性智能蒙皮。（a）飞行器机翼蒙皮拼接结构设计。（b）拼接式智能蒙皮实现飞行器尾翼的大面积共形贴合。（c）拼接式智能蒙皮用于某大型飞机风洞试验。
通过分割、拼接的方式，iFlexSense智能蒙皮系统，实现了在某型号飞行器大面积机翼上的完全共形包裹，并应用于风洞测试实验，在不影响飞行器表面气动特性的前提下，完成了对飞行器表面复杂气动参数的测量（如图5所示）。
华中科技大学的博士生刘建鹏为本文的第一作者，黄永安教授为本文的通讯作者。参与该论文的还有华中科技大学厉侃教授，博士后江山，博士生熊文楠、朱臣。非常欢迎与大家合作开展研究，共同促进柔性电子技术在航空航天领域的创新应用。
论文信息：
Jianpeng Liu, Shan Jiang, Wennan Xiong, Chen Zhu, Kan Li, YongAn Huang*,Self-healing Kirigami Assembly Strategy for Conformal Electronics, AdvancedFunctional Materials.
全文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202109214
来源：高分子科学前沿
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