專利名稱：一種超材料制備方法
一種超材料制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超材料領(lǐng)域。背景技術(shù)：
超材料是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料。通過(guò)在材料的關(guān)鍵物理尺度上的結(jié)構(gòu)有序設(shè)計(jì)，可以突破某些表觀自然規(guī)律的限制， 從而獲得超出自然界固有的普通性質(zhì)的超常材料功能。超材料的性質(zhì)和功能主要來(lái)自于其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)而非構(gòu)成它們的材料，因此為設(shè)計(jì)和合成超材料，人們進(jìn)行了很多研究工作。 2000年，加州大學(xué)的Smith等人指出周期性排列的金屬線和開環(huán)共振器(SRR)的復(fù)合結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ同時(shí)為負(fù)的雙負(fù)材料，也稱左手材料。之后他們又通過(guò)在印刷電路板(PCB)上制作金屬線和SRR復(fù)合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了二維的雙負(fù)材料。目前超材料結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)主要還是以在介質(zhì)基材上制作金屬線完成。通過(guò)在介質(zhì)基材上構(gòu)造微結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)制局部電磁參數(shù)如介電常數(shù)和磁導(dǎo)率是當(dāng)今實(shí)現(xiàn)超材料的一種普遍方法，現(xiàn)有的加工工藝一般是采用光刻、掩模板設(shè)計(jì)或者蝕刻等方法先形成微結(jié)構(gòu)圖案，然后再用熱蒸發(fā)、濺射、化學(xué)沉積或者電子束沉積等方式鍍膜而形成金屬微結(jié)構(gòu)，這些工藝步驟一般都需要在超凈室完成，其工藝復(fù)雜，對(duì)環(huán)境要求較高，且需要的設(shè)備也非常昂貴，加工周期較長(zhǎng)。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種工藝簡(jiǎn)單，成本較低的超材料制備方法。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的采用的技術(shù)方案是，一種超材料制備方法，包括以下步驟a.根據(jù)超材料的預(yù)定功能設(shè)計(jì)出微結(jié)構(gòu)的形狀和排布陣列，并將微結(jié)構(gòu)的形狀和排布陣列儲(chǔ)存為計(jì)算機(jī)可讀格式的微結(jié)構(gòu)圖形；b.在硝酸銀溶液中加入表面活性劑配制為第一混合溶液，在溴化鈉溶液中加入表面活性劑配制為第二混合溶液，將所述第一混合溶液和第二混合溶液分別避光保存；c.將所述第一混合溶液和第二混合溶液分別注入到兩個(gè)墨盒內(nèi)；d.在避光的環(huán)境中，將所述兩個(gè)墨盒中的一個(gè)裝入噴墨打印機(jī)，在超材料介質(zhì)基材上打印出所述計(jì)算機(jī)可讀格式的微結(jié)構(gòu)圖形；e.在避光的環(huán)境中，將噴墨打印機(jī)中的墨盒更換為所述兩個(gè)墨盒的另一個(gè)，在超材料介質(zhì)基材上重復(fù)打印所述計(jì)算機(jī)可讀格式的微結(jié)構(gòu)圖形；f.進(jìn)行曝光處理，使所述超材料介質(zhì)基材上形成金屬銀微結(jié)構(gòu)，得到超材料。更好地，所述e步驟后還包括一厚度控制步驟，所述厚度控制步驟為重復(fù)步驟d 和e，直至微結(jié)構(gòu)的打印厚度達(dá)到預(yù)定的厚度。更好地，所述f步驟后還包括將超材料置于100-30(TC的高溫下進(jìn)行燒結(jié)處理。更好地，為使防止生成的銀被氧化，采用在氮?dú)獾姆諊聦?duì)超材料進(jìn)行燒結(jié)處理。更好地，所述f步驟后還包括一將超材料置于水中進(jìn)行清洗的步驟。
具體實(shí)施時(shí)，所述超材料介質(zhì)基材可選自陶瓷基材、玻璃纖維有機(jī)樹脂基材、紙質(zhì)基材或有機(jī)薄膜基材。具體實(shí)施時(shí)，所述表面活性劑為硬脂酸或十二烷基苯磺酸鈉。具體實(shí)施時(shí)，所述曝光處理為置于太陽(yáng)光下進(jìn)行曝光處理。具體實(shí)施時(shí)，所述硝酸銀溶液和所述溴化鈉溶液均為具有飽和溶解度的水溶液。本發(fā)明有益效果是，工藝簡(jiǎn)單，只需通過(guò)普通的噴墨打印機(jī)即可進(jìn)行超材料微結(jié)構(gòu)的規(guī)模化制備，且微結(jié)構(gòu)的圖形通過(guò)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)出來(lái)后可以方便地在噴墨打印機(jī)上進(jìn)行打印操作和控制；設(shè)備和耗材成本低，只需要配制合適的溶液和通過(guò)噴墨打印機(jī)即可實(shí)現(xiàn)。

圖1是實(shí)施例1的超材料制備方法流程圖。圖2是實(shí)施例2的超材料制備方法流程圖。
具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例1一種超材料制備方法，流程圖參看附圖1，包括以下步驟a.根據(jù)超材料的預(yù)定功能設(shè)計(jì)出微結(jié)構(gòu)的形狀和排布陣列，并將微結(jié)構(gòu)的形狀和排布陣列儲(chǔ)存為計(jì)算機(jī)可讀格式的微結(jié)構(gòu)圖形；本步驟中，微結(jié)構(gòu)的形狀可以是工字型或工字衍生型、可以是開口環(huán)型或開口環(huán)衍生型，還可以是上述形狀的組合型結(jié)構(gòu)，各個(gè)微結(jié)構(gòu)再按照一定的排布規(guī)律進(jìn)行陣列，從而在整體上實(shí)現(xiàn)某些電磁功能。由于微結(jié)構(gòu)的不同形狀以及不同排布陣列會(huì)產(chǎn)生不同的電磁特性，所以需要根據(jù)超材料的預(yù)定電磁功能通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)出微結(jié)構(gòu)的形狀和排布陣列，進(jìn)而得到計(jì)算機(jī)可讀格式的微結(jié)構(gòu)圖形。b.配制第一混合溶液和第二混合溶液在硝酸銀飽和溶液中加入十二烷基苯磺酸鈉配制為第一混合溶液，十二烷基苯磺酸鈉的添加量為第一混合溶液的0. 1% (w/w質(zhì)量分?jǐn)?shù))，在溴化鈉飽和溶液中加入十二烷基苯磺酸鈉配制為第二混合溶液，十二烷基苯磺酸鈉的添加量為第二混合溶液的0. 1% (w/w質(zhì)量分?jǐn)?shù))，將第一混合溶液和第二混合溶液分別避光保存；本步驟中，硝酸銀溶液和溴化鈉溶液均配制為硝酸銀飽和溶液，目的是增大溴化銀的生成量，進(jìn)而提高金屬銀的產(chǎn)量。c.將第一混合溶液和第二混合溶液分別注入到兩個(gè)墨盒內(nèi)；d.在避光的環(huán)境中，先將裝有第一混合溶液的墨盒裝入噴墨打印機(jī)，在超材料介質(zhì)基材上打印出微結(jié)構(gòu)圖形，本實(shí)施例采用聚醚酰亞胺薄膜作為超材料介質(zhì)基材；e.在避光的環(huán)境中，再將噴墨打印機(jī)中的墨盒更換為裝有第二混合溶液的墨盒， 在聚醚酰亞胺薄膜上重復(fù)打印微結(jié)構(gòu)圖形；f.進(jìn)行曝光處理，使聚醚酰亞胺薄膜上形成金屬銀微結(jié)構(gòu)，得到在聚醚酰亞胺薄膜陣列有金屬銀微結(jié)構(gòu)的超材料。本發(fā)明中，十二烷基苯磺酸鈉的添加一方面使混合溶液具有更好的分散性，另一方面使混合溶液能更好地附著在聚醚酰亞胺薄膜上，使打印出來(lái)的圖形更為穩(wěn)定。第一混合溶液中的硝酸銀溶液和第二混合溶液中的溴化鈉溶液混合后反應(yīng)得到溴化銀，溴化銀在光照的環(huán)境下分解產(chǎn)生金屬銀，從而在聚醚酰亞胺薄膜上形成金屬銀微結(jié)構(gòu)圖形。實(shí)施例2一種超材料制備方法，流程圖參看附圖2，包括以下步驟a.根據(jù)超材料的預(yù)定功能設(shè)計(jì)出微結(jié)構(gòu)的形狀和排布陣列，并將微結(jié)構(gòu)的形狀和排布陣列儲(chǔ)存為計(jì)算機(jī)可讀格式的微結(jié)構(gòu)圖形；本步驟中，微結(jié)構(gòu)的形狀可以是工字型或工字衍生型、可以是開口環(huán)型或開口環(huán)衍生型，還可以是上述形狀的組合型結(jié)構(gòu)，各個(gè)微結(jié)構(gòu)再按照一定的排布規(guī)律進(jìn)行陣列，從而在整體上實(shí)現(xiàn)某些電磁功能。由于微結(jié)構(gòu)的不同形狀以及不同排布陣列會(huì)產(chǎn)生不同的電磁特性，所以需要根據(jù)超材料的預(yù)定電磁功能通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)出微結(jié)構(gòu)的形狀和排布陣列，進(jìn)而得到計(jì)算機(jī)可讀格式的微結(jié)構(gòu)圖形。b.配制第一混合溶液和第二混合溶液在硝酸銀溶液中加入十二烷基苯磺酸鈉配制為第一混合溶液，十二烷基苯磺酸鈉的添加量為第一混合溶液的0. 2% (w/w質(zhì)量分?jǐn)?shù))，在溴化鈉溶液中加入十二烷基苯磺酸鈉配制為第二混合溶液，十二烷基苯磺酸鈉的添加量為第二混合溶液的0. 3% (w/w質(zhì)量分?jǐn)?shù))，將第一混合溶液和第二混合溶液分別避光保存；c.將第一混合溶液和第二混合溶液分別注入到兩個(gè)墨盒內(nèi)；d.在避光的環(huán)境中，先將裝有第一混合溶液的墨盒裝入噴墨打印機(jī)，在玻璃纖維有機(jī)樹脂基材如FR4上打印出微結(jié)構(gòu)圖形；e.在避光的環(huán)境中，再將噴墨打印機(jī)中的墨盒更換為裝有第二混合溶液的墨盒， 在FR4基材上重復(fù)打印微結(jié)構(gòu)圖形；重復(fù)步驟d、e，直至微結(jié)構(gòu)的打印厚度達(dá)到預(yù)定的厚度；f.在太陽(yáng)光下進(jìn)行曝光處理，使FR4基材上形成金屬銀微結(jié)構(gòu)，得到超材料；g.在氮?dú)獾姆諊?，將超材料置?00°C的高溫下進(jìn)行燒結(jié)處理；h.將超材料置于清水中清洗，最后得到超材料最終產(chǎn)品。本實(shí)施例中，通過(guò)不斷重復(fù)步驟d、e，可使組后生成的微結(jié)構(gòu)中金屬銀的厚度滿足預(yù)定需要，因?yàn)?，根?jù)超材料電磁功能的需要，微結(jié)構(gòu)中的金屬銀厚度要求也不同，本發(fā)明通過(guò)重復(fù)打印的方法可以很方便地對(duì)金屬微結(jié)構(gòu)中銀的厚度進(jìn)行控制。本實(shí)施例中，燒結(jié)步驟可以是100-300°C的高溫，優(yōu)選200°C，其目的是為了使生成的金屬銀之間連接更為牢固，同時(shí)，為使防止生成的銀被氧化，采用在氮?dú)獾姆諊聦?duì)超材料進(jìn)行燒結(jié)處理。本實(shí)施例中，步驟h的目的是為了除去反應(yīng)中產(chǎn)生的硝酸鈉。作為另一種實(shí)施方式，清洗步驟也可在燒結(jié)步驟前進(jìn)行。本實(shí)施例中，F(xiàn)R4基材為硬質(zhì)的基板，噴墨打印機(jī)可選用惠普DeSkjet2010、愛(ài)普生R3000等。在上述實(shí)施例中，僅對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了示范性描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀本專利申請(qǐng)后可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種修改。
權(quán)利要求
1.一種超材料制備方法，包括以下步驟a.根據(jù)超材料的預(yù)定功能設(shè)計(jì)出微結(jié)構(gòu)的形狀和排布陣列，并將微結(jié)構(gòu)的形狀和排布陣列儲(chǔ)存為計(jì)算機(jī)可讀格式的微結(jié)構(gòu)圖形；b.在硝酸銀溶液中加入表面活性劑配制為第一混合溶液，在溴化鈉溶液中加入表面活性劑配制為第二混合溶液，將所述第一混合溶液和第二混合溶液分別避光保存；c.將所述第一混合溶液和第二混合溶液分別注入到兩個(gè)墨盒內(nèi)；d.在避光的環(huán)境中，將所述兩個(gè)墨盒中的一個(gè)裝入噴墨打印機(jī)，在超材料介質(zhì)基材上打印出所述計(jì)算機(jī)可讀格式的微結(jié)構(gòu)圖形；e.在避光的環(huán)境中，將噴墨打印機(jī)中的墨盒更換為所述兩個(gè)墨盒的另一個(gè)，在超材料介質(zhì)基材上重復(fù)打印所述計(jì)算機(jī)可讀格式的微結(jié)構(gòu)圖形；f.進(jìn)行曝光處理，使所述超材料介質(zhì)基材上形成金屬銀微結(jié)構(gòu)，得到超材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超材料制備方法，其特征在于，所述e步驟后還包括一厚度控制步驟，所述厚度控制步驟為重復(fù)步驟d和e，直至微結(jié)構(gòu)的打印厚度達(dá)到預(yù)定的厚度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超材料制備方法，其特征在于，所述f步驟后還包括將超材料置于100-30(TC的高溫下進(jìn)行燒結(jié)處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超材料制備方法，其特征在于，在氮?dú)獾姆諊聦⒊牧现糜?00-300°C的高溫下進(jìn)行燒結(jié)處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超材料制備方法，其特征在于，所述f步驟后還包括一將超材料置于水中進(jìn)行清洗的步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超材料制備方法，其特征在于，所述燒結(jié)步驟后還包括一將超材料置于水中進(jìn)行清洗的步驟。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超材料制備方法，其特征在于所述超材料介質(zhì)基材可選自陶瓷基材、玻璃纖維有機(jī)樹脂基材、紙質(zhì)基材或有機(jī)薄膜基材。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超材料制備方法，其特征在于所述表面活性劑為硬脂酸或十二烷基苯磺酸鈉，所述表面活性劑在第一混合溶液或第二混合溶液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0. 1% -0. 3%。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超材料制備方法，其特征在于所述曝光處理為置于太陽(yáng)光下進(jìn)行曝光處理。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超材料制備方法，其特征在于所述硝酸銀溶液和所述溴化鈉溶液均為具有飽和溶解度的水溶液。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種超材料制備方法，只需通過(guò)普通的噴墨打印機(jī)即可進(jìn)行超材料微結(jié)構(gòu)的規(guī)模化制備，且微結(jié)構(gòu)的圖形通過(guò)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)出來(lái)后可以方便地在噴墨打印機(jī)上進(jìn)行打印操作和控制；具有工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備和耗材成本低的優(yōu)點(diǎn)，只需要配制合適的溶液和通過(guò)噴墨打印機(jī)即可實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)B81C1/00GK102476789SQ20111021630
公開日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2011年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月29日
發(fā)明者劉若鵬, 法布里齊亞, 趙治亞, 黃新政 申請(qǐng)人:深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司, 深圳光啟高等理工研究院