可拉伸电子（Stretchable Electronics）的电路制造技术：从材料创新到系统集成

在可穿戴设备、医疗电子和软体机器人等领域的推动下，可拉伸电子技术正从实验室走向产业化。其核心挑战在于如何在保持电路功能完整性的同时，实现100%甚至更高幅度的拉伸变形。本文将从材料体系、结构设计、制造工艺和系统集成四个维度，系统解析可拉伸电子电路制造技术的最新进展。

一、材料体系：导电性与机械稳定性的平衡

可拉伸电路的导电材料需满足高导电性、高拉伸性（20%-1000%）、机械稳定性及工艺兼容性四大核心要求。当前主流材料体系呈现多元化发展趋势：

金属基材料

液态金属：镓基合金（如EGaIn）因其低熔点（约10℃）和自修复特性，成为可拉伸导线的首选。通过微通道注入技术，液态金属可在PDMS等弹性基体中形成稳定导电通路，在500%拉伸下电阻变化率小于5%。

纳米结构金属：金/银纳米线（AuNW/AgNW）通过构建高导电网络，结合波浪形结构设计，可实现300%拉伸率。例如，采用预拉伸-释放工艺制备的AgNW/PDMS复合膜，在100%应变下电阻仅增加1.2倍。

无机非金属材料

碳纳米材料：石墨烯和碳纳米管（CNT）通过与弹性体复合，形成机械-电学性能协同优化的导电网络。基于MXene（Ti3C2Tx）的3D打印导电结构，在160%拉伸下仍保持98%的初始电导率。

陶瓷基材料：AlN陶瓷基板通过与液态金属复合，在IGBT模块中实现170W/mK的热导率，同时承受150℃高温循环测试。

二、结构设计：从一维到三维的拓扑优化

结构创新是可拉伸电路实现高拉伸性的关键。当前主流设计范式包括：

一维结构

蛇形（Serpentine）：通过屈曲变形分散应力，适用于纤维状器件。例如，植入式脑机接口电极采用双层蛇形结构，在150%拉伸下仍保持256通道信号采集能力。

螺旋结构：利用弹簧效应实现超高拉伸率（>1000%），但需解决高频信号衰减问题。

二维结构

网格拓扑：通过岛-桥结构将刚性元件（如芯片）与柔性互联结合。西北工业大学团队开发的模量工程基底，在800%拉伸下电阻变化率小于3.5%，并实现4000次循环稳定性。

剪纸（Kirigami）：通过激光切割引入面外变形，使PDMS基电路在300%拉伸下保持功能完整性。

三维结构

多孔结构：采用3D打印制备蜂窝状导电支架，在50%压缩下电导率仅下降8%。

立体互连：通过贯通式VIA（垂直互连通道）实现多层堆叠。电子科技大学团队开发的五层可拉伸电路，采用激光钻孔与碳辅助镀铜工艺，在100%应变下仍保持无线供电效率。

三、制造工艺：从实验室到产业化的突破

可拉伸电路的规模化制造面临材料兼容性、对准精度和成本三大挑战。当前主流工艺包括：

印刷电子技术

丝网印刷：使用可拉伸导电油墨（如AgNW/弹性体复合墨水）在PDMS基底上直接印刷电路，线宽分辨率达50μm。

喷墨打印：基于PEDOT:PSS水性墨水，实现透明导电电极的制备，透光率>90%的同时拉伸率达200%。

光刻与蚀刻

预拉伸-释放工艺：在预拉伸的PDMS基底上沉积金属薄膜，释放后形成波浪形结构。该工艺已用于制备可拉伸天线，在2.4GHz频段增益达3dBi。

激光直写：通过飞秒激光烧蚀氧化石墨烯（GO）薄膜，制备高导电（10^4 S/cm）且可拉伸的石墨烯电极。

3D打印技术

多材料喷射成型：同时打印导电墨水（如AgNW/TPU）和弹性基体（如Ecoflex），实现复杂三维结构的一体化制造。该技术已用于制备可拉伸LED显示屏，弯曲半径<5mm。

立体光刻（SLA）：基于光敏树脂与导电填料的复合材料，打印分辨率达10μm，适用于微机电系统（MEMS）器件。

四、系统集成：从单一功能到智能交互

可拉伸电子的终极目标是构建完整的智能系统。当前研究热点包括：

能量管理

可拉伸电池：采用液态金属集流体与凝胶电解质，实现500次循环后容量保持率>80%。

纳米发电机：基于TENG（摩擦电纳米发电机）的可拉伸电路，可将人体运动能量转化为电能，输出功率密度达350μW/cm²。

传感与反馈

电子皮肤：集成压力、温度和应变传感器，实现1000%拉伸率与0.1kPa分辨率。例如，斯坦福大学团队开发的碳纳米管触觉阵列，可识别盲文单词并驱动微型LED显示。

神经接口：北京脑科学与类脑研究所团队研制的可拉伸柔性电极，在猕猴大脑中实现1024通道信号采集，移位率较传统线性电极降低99%。

无线通信

可拉伸天线：采用蛇形结构与液态金属填充，在868MHz频段实现-40dBm灵敏度，并可贴合于曲面表面。

NFC模块：集成于智能贴片中，实现体温、血压等生理参数的实时无线传输。

五、挑战与展望

尽管可拉伸电子技术已取得显著进展，但仍面临以下挑战：

长期稳定性：反复拉伸导致的材料疲劳和电迁移问题需通过自修复材料或动态交联结构解决。

制造成本：金属纳米材料和3D打印工艺的高成本限制了大规模应用，需开发低成本石墨烯/碳纳米管复合材料。

高频性能：5G和毫米波通信对信号完整性提出更高要求，需优化纳米级自组装导电网络。

未来，随着材料科学、微电子学和机械工程的交叉融合，可拉伸电子将向更高功能密度、更低功耗和更智能化的方向发展。其应用场景也将从可穿戴设备扩展至航空航天、工业检测和智慧城市等领域，真正实现“电子无处不在，形态随心而变”的愿景。