纤维增强折纸电子器件：实现高刚性柔性显示应用的新型复合材料策略

《npj Flexible Electronics》：Fiber-reinforced origami electronics with high rigidity and flexibility for display applications

本刊推荐：为解决折纸电子器件在反复折叠展开过程中因应力集中导致的电极损伤和电子故障问题，研究人员开展了基于纤维增强电子复合材料的折纸电子器件研究。通过将尼龙纤维嵌入PEDOT:PSS/PDMS电子复合材料中，成功研制出同时具备高柔性和高抗拉强度的挠性铰链。该器件在弗拉什图案中实现25倍压缩，在克雷斯林图案中实现2D-3D转换，为可重构显示应用提供了机械和电气稳定性保障。

　　

在柔性电子技术快速发展的今天，折纸结构为刚性电子产品带来几何变换的功能优势。然而，折叠和展开过程中的应力集中问题始终困扰着研究人员——当折纸结构的挠性铰链承受反复变形时，极易导致电极断裂和电子故障。传统柔性电子器件虽然能通过低刚度适应弯曲应力，但其抗拉伸性能不足的特点限制了在需要反复展开的折纸电子中的应用。而基于智能材料相变的刚度调控方法又面临能耗高、难以长期运行的困境。这一系列挑战促使科学家们寻找新的解决方案。

在《npj Flexible Electronics》最新发表的研究中，由Seungyong Han领导的研究团队提出了一种创新性的纤维增强策略。他们开发的折纸电子器件基于尼龙纤维增强的电子复合材料，巧妙解决了柔性与刚性之间的固有矛盾。这种复合材料以聚二甲基硅氧烷（PDMS）为基底，聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸）（PEDOT:PSS）为导电层，并通过嵌入坚韧的尼龙纤维来抵抗拉伸变形。

关键技术方法包括：采用激光蚀刻聚乙烯对苯二甲酸酯（PET）形成刚性连接件和挠性铰链的折纸结构；通过控制纤维体积分数（V_f）优化尼龙嵌入比例（0.75%-3%）；利用有限元分析（FEA）模拟应力分布；进行循环折叠测试（最高20,000次）和拉伸冲击测试（约10,000次）验证耐久性；集成表面电容式触摸屏和LED阵列实现显示功能。

优化折纸电子器件的折叠构型

研究团队首先设计了具有明确层状结构的折纸电子器件，其中200μm厚的PET刚性连接件通过50μm光学透明胶（OCA）与纤维增强电子复合材料结合。扫描电镜图像显示该复合材料包含400nm PEDOT:PSS导电层、150μm PDMS基底和20μm聚氨酯封装层。通过系统分析山形折叠和谷形折叠两种变形方式，研究人员发现800μm的铰链间隙能有效防止刚性连接件碰撞导致的电极断裂。优化后的折纸电子器件在20,000次折叠循环后仍保持电阻稳定。

折纸电子器件的拉伸优化与分析

针对拉伸脆弱性问题，研究证实增加尼龙纤维嵌入比例可显著提升抗拉强度。当V_f达到3%时，断裂力提升至22.1N。有限元分析显示，尼龙纤维能够将铰链处的应力从48.2MPa降低至22.2MPa，有效吸收拉伸、剪切和扭转应力。在5mm/s的快速展开测试中，增强型器件电阻变化仅0.6%，而无增强对照组在10,000次循环后电阻变化达23.2%，证实了纤维增强对动态拉伸的防护作用。

显示组件与折纸结构的集成

研究团队成功将触摸面板和LED阵列集成到折纸结构中。基于Miura图案的触摸面板在折叠30%和90%状态下仍能准确定位触摸点，在100次折叠和拉伸循环后书写输入功能保持完整。LED阵列通过3mm宽的PEDOT:PSS图案电路控制，可形成M、O、S、T等字母显示，在100次变形循环中电流稳定在1.65mA。

高压缩性显示器和3D可穿戴电子器件

在复杂图案应用中，Flasher图案实现了25倍压缩比的显示屏，LED在压缩过程中保持稳定发光。Kresling图案则展示了双稳态特性：25°三角形图案易于折叠，65°图案可承受500g外力。作为指戴式触摸环，该器件能通过滑动触摸实现智能手机的远程控制，在压缩和展开状态下均保持触摸感应性能。

这项研究通过纤维增强策略成功解决了折纸电子器件在反复形变中的耐久性问题。尼龙纤维的引入使挠性铰链同时具备折叠柔性和抗拉强度，PEDOT:PSS电极则确保了弯曲条件下的导电稳定性。该技术不仅实现了25倍压缩的显示应用和2D-3D变换的可穿戴设备，更为形状可重构电子产品奠定了材料基础。未来通过与聚合物致动器集成，这一策略有望进一步拓展至软体机器人等需要主动变形的应用领域。