專利名稱：一種具有空間間隙的超材料及其制備方法
一種具有空間間隙的超材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超材料領(lǐng)域，具體地涉及一種具有空間間隙的超材料及其制備方法。背景技術(shù)：
近年來，隨著雷達(dá)探測、衛(wèi)星通信、航空航天等高新技術(shù)的快速發(fā)展，以及抗電磁干擾、隱形技術(shù)、微波暗室等研究領(lǐng)域的興起，微波吸收材料的研究越來越受到人們的重視。超材料可以現(xiàn)出非常奇妙的電磁效應(yīng)，可用于吸波材料和隱形材料等領(lǐng)域，成為吸波材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。所謂超材料，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。通過在材料的關(guān)鍵物理尺度上的結(jié)構(gòu)有序設(shè)計(jì)，可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的超常材料功能。如，超材料有多層超材料功能板層疊或陣列而成，超材料功能板由介質(zhì)基板和設(shè)置在介質(zhì)基板上的多個金屬微結(jié)構(gòu)組成，超材料可以提供各種普通材料具有和不具有的材料特性。單個金屬微結(jié)構(gòu)大小一般小于1/10 個波長，其對外加電場或磁場具有電響應(yīng)或磁響應(yīng)，從而具有表現(xiàn)出等效介電常數(shù)或等效磁導(dǎo)率，或者波阻抗。金屬微結(jié)構(gòu)的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率(或波阻抗)由單元幾何尺寸參數(shù)決定，可人為設(shè)計(jì)和控制。并且，金屬微結(jié)構(gòu)可以具有人為設(shè)計(jì)的電磁參數(shù)，從而產(chǎn)生許多新奇的現(xiàn)象。現(xiàn)有超材料功能板的人造微結(jié)構(gòu)一般陣列在介質(zhì)基板的表面或里面，各層超材料功能板緊密結(jié)合形成整個超材料，我們可以把每一個人造微結(jié)構(gòu)、人造微結(jié)構(gòu)所在的介質(zhì)基板以及二者周圍的空間看成一個超材料基本單元，其各個基本單元的等效介電常數(shù)或等效磁導(dǎo)率受人造微結(jié)構(gòu)、人造微結(jié)構(gòu)所在的介質(zhì)基板以及二者周圍的空間共同影響，現(xiàn)有技術(shù)只通過改變?nèi)嗽煳⒔Y(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)整個超材料的等效介電常數(shù)或等效磁導(dǎo)率的改變，其控制手段有限，對于人造微結(jié)構(gòu)的依賴性強(qiáng)，設(shè)計(jì)的靈活性不夠。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，一方面提供一種功能應(yīng)用更為豐富的超材料，另一方面提供一種設(shè)計(jì)更為靈活的超材料制備方法。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的采用的技術(shù)方案是，由多層超材料功能板組合而成，所述超材料功能板包括介質(zhì)基板以及陣列在介質(zhì)基板上的多個人造微結(jié)構(gòu)，所述超材料功能板兩兩之間設(shè)置有間隔元件，所述間隔元件與所述超材料功能板之間通過粘合劑相互粘合。作為優(yōu)選實(shí)施方式，所述間隔元件為框形隔板，所述框形隔板與所述超材料功能板之間通過粘合劑相互粘合。作為具體實(shí)施方式
，各所述隔板的厚度呈遞增或遞減變化。作為具體實(shí)施方式
，各所述隔板的厚度呈大小交替變化。作為具體實(shí)施方式
，各所述粘合劑為雙面膠粘合劑或固態(tài)粘合樹脂，所述固態(tài)粘合樹脂為酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂、聚酰亞胺樹脂或聚四氟乙烯樹脂。
3
作為具體實(shí)施方式
，所述隔板為方框形或圓框形隔板。本發(fā)明還提供一種超材料的制備方法，包括以下步驟a.在超材料功能板的介質(zhì)基板上陣列多個人造微結(jié)構(gòu)，形成超材料功能板；b.根據(jù)設(shè)計(jì)需要計(jì)算并確定超材料功能板之間空間間隙的厚度；C.根據(jù)空間間隙的厚度確定各個超材料功能板之間的間隔元件的厚度，使間隔厚度等于所述空間間隙的厚度；d.通過粘合劑將各個超材料功能板相互與間隔元件相互粘合組裝形成超材料。作為具體實(shí)施方式
，所述步驟a中，通過化學(xué)蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻的方法在所述介質(zhì)基板上陣列多個人造微結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的超材料制備中采用超材料功能板中設(shè)置間隔元件來增加預(yù)定空間間隙的方法，由于能通過間隔元件的厚度方便地實(shí)現(xiàn)空間間隙的設(shè)定，進(jìn)而能對超材料的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率進(jìn)行預(yù)定的改變，因而在超材料的功能設(shè)計(jì)上更為靈活和多樣，所制得的超材料的電磁特性也更為豐富，具有更廣泛的功能應(yīng)用。

圖1，實(shí)施例1超材料的結(jié)構(gòu)剖面圖。圖2，實(shí)施例1隔板的結(jié)構(gòu)圖。圖3，實(shí)施例2超材料的結(jié)構(gòu)剖面圖。圖4，實(shí)施例2隔板的結(jié)構(gòu)圖。圖中，1超材料功能板、2介質(zhì)基板、3人造微結(jié)構(gòu)、4隔板、5雙面膠粘合層、6酚醛樹脂粘合層。
具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。實(shí)施例1本實(shí)施例超材料的結(jié)構(gòu)剖面圖參看附圖1，由多層超材料功能板1組合而成，超材料功能板1包括介質(zhì)基板2以及陣列在介質(zhì)基板上的多個人造微結(jié)構(gòu)3，超材料功能板1兩兩之間設(shè)置有隔板4，隔板4為方框形隔板，隔板4的結(jié)構(gòu)圖參看附圖2，隔板4與超材料功能板1之間通過雙面膠粘結(jié)層5相互粘合，各個隔板4的厚度呈依次遞減的規(guī)律變化。具體實(shí)施時，超材料的制備方法采用以下步驟a.在超材料功能板1的介質(zhì)基板2上陣列多個人造微結(jié)構(gòu)3，形成超材料功能板 1，具體可通過化學(xué)蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻的方法在超材料功能板的介質(zhì)基板2上陣列多個人造微結(jié)構(gòu)3，以由高分子材料的介質(zhì)基板2和金屬微結(jié)構(gòu)3組成的超材料功能板1為例，可以選擇化學(xué)蝕刻的方法進(jìn)行制備，即在覆有金屬薄膜的介質(zhì)基板2上通過覆膜、曝光、感光膜顯影以及蝕刻步驟，完成金屬微結(jié)構(gòu)3的制造，此過程可采用PCB板化學(xué)蝕刻的常用設(shè)備進(jìn)行加工制造；b.為實(shí)現(xiàn)超材料中各個超材料功能板1整體的等效介電常數(shù)按從大到小依次遞減的變化，本實(shí)施例可根據(jù)該設(shè)計(jì)需要使超材料功能板1之間的間隙呈依次遞減的變化， 因?yàn)閷τ诔牧瞎δ馨?而言，我們可以把每一個人造微結(jié)構(gòu)3、人造微結(jié)構(gòu)3所在的介質(zhì)基板2以及二者周圍的空間看成一個超材料基本單元，其各個基本單元的等效介電常數(shù)或等效磁導(dǎo)率受人造微結(jié)構(gòu)3、人造微結(jié)構(gòu)3所在的介質(zhì)基板2以及二者周圍的空間共同影響，當(dāng)改變整個超材料功能板1之間的空間間隙時，相應(yīng)地也改變了每個超材料基本單元中人造微結(jié)構(gòu)3和介質(zhì)基板2周圍的空間的大小，而該周圍空間大小的改變會影響超材料基本單元的等效介電常數(shù)，進(jìn)而影響整個超材料功能板1的等效介電常數(shù)，因?yàn)楸緦?shí)施例人造微結(jié)構(gòu)3和介質(zhì)基板2周圍的空間為空氣，而一般材質(zhì)的介電常數(shù)都大于空氣的介電常數(shù)，所以當(dāng)改變周圍空間的大小時，會改變超材料功能板1的等效介電常數(shù)，使超材料功能板1的等效介電常數(shù)也呈現(xiàn)出一次遞減的變化；c.在確定空間間隙的大小呈依次遞減的規(guī)律后，為便于控制空間間隙的大小，我們可以通過使隔板4厚度等于空間間隙的厚度來控制空間間隙的大??；d.通過雙面膠將各個超材料功能板1相互與隔板4相互粘合組裝形成超材料，由于雙面膠粘合層5的厚度很薄，相對于整個空間間隙的厚度而言可以忽略。使用根據(jù)本實(shí)施例提供的超材料及其制備方法，通過增加空間間隙并控制其間隙厚度的方法，使超材料在介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的功能設(shè)計(jì)上更為靈活和多樣。實(shí)施例2本實(shí)施例超材料的結(jié)構(gòu)剖面圖參看附圖3，由多層超材料功能板1組合而成，超材料功能板1包括介質(zhì)基板2以及陣列在介質(zhì)基板上的多個人造微結(jié)構(gòu)3，超材料功能板1兩兩之間設(shè)置有隔板4，隔板4為圓框形隔板，隔板4的結(jié)構(gòu)圖參看附圖4，隔板4與超材料功能板1之間通過酚醛樹脂粘結(jié)層6相互粘合，各個隔板4的厚度呈厚薄交替的規(guī)律變化。具體實(shí)施時，超材料的制備方法采用以下步驟a.在超材料功能板1的介質(zhì)基板2上陣列多個人造微結(jié)構(gòu)3，形成超材料功能板 1，具體可通過化學(xué)蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻的方法在超材料功能板1的介質(zhì)基板2上陣列多個人造微結(jié)構(gòu)3，以由高分子材料的介質(zhì)基板2和金屬微結(jié)構(gòu)3組成的超材料功能板1為例，可以選擇化學(xué)蝕刻的方法進(jìn)行制備，即在覆有金屬薄膜的介質(zhì)基板2上通過覆膜、曝光、感光膜顯影以及蝕刻步驟，完成金屬微結(jié)構(gòu)的制造，此過程可采用PCB板化學(xué)蝕刻的常用設(shè)備進(jìn)行加工制造；b.為實(shí)現(xiàn)超材料中各個超材料功能板1整體的等效介電常數(shù)按從大小交替的變化，本實(shí)施例可根據(jù)該設(shè)計(jì)需要使超材料功能板1之間的間隙呈大小交替的變化，因?yàn)閷τ诔牧瞎δ馨?而言，我們可以把每一個人造微結(jié)構(gòu)3、人造微結(jié)構(gòu)3所在的介質(zhì)基板2 以及二者周圍的空間看成一個超材料基本單元，其各個基本單元的等效介電常數(shù)或等效磁導(dǎo)率受人造微結(jié)構(gòu)3、人造微結(jié)構(gòu)3所在的介質(zhì)基板2以及二者周圍的空間共同影響，當(dāng)改變整個超材料功能板1之間的空間間隙時，相應(yīng)地也改變了每個超材料基本單元中人造微結(jié)構(gòu)3和介質(zhì)基板2周圍的空間的大小，而該周圍空間大小的改變會影響超材料基本單元的等效介電常數(shù)，進(jìn)而影響整個超材料功能板1的等效介電常數(shù)，因?yàn)楸緦?shí)施例人造微結(jié)構(gòu)3和介質(zhì)基板2周圍的空間為空氣，而一般材質(zhì)的介電常數(shù)都大于空氣的介電常數(shù)，所以當(dāng)改變周圍空間的大小時，會改變超材料功能板1的等效介電常數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)超材料功能板1的等效介電常數(shù)大小交替變化；c.在確定空間間隙的大小呈交替變化的規(guī)律后，為便于控制空間間隙的大小，我們可以通過使隔板4厚度等于空間間隙的厚度來控制空間間隙的大??；
d.本實(shí)施例基于現(xiàn)有的半固態(tài)成型工藝對超材料進(jìn)行成型組裝，首先在超材料功能板1的周邊涂覆酚醛樹脂，然后將各個超材料功能板1和隔板4交替排列層疊，將層疊后的超材料置于酚醛樹脂的半固態(tài)熔融溫度范圍內(nèi)，在壓強(qiáng)為3kg/cm2的高壓環(huán)境中對超材料進(jìn)行壓合，壓合完成后冷卻至室溫，固化并形成超材料。作為具體實(shí)施方式
，本步驟中的成型工藝包括但不限于以下工藝方法擠出成型工藝、注射成型工藝或壓延成型工藝等。由于壓合后的酚醛樹脂的厚度很薄，相對于整個空間間隙的厚度而言可以忽略，即使厚度達(dá)到了一定尺度，通過對隔板4預(yù)留一定厚度的方法即可進(jìn)行精確控制。使用根據(jù)本實(shí)施例提供的超材料及其制備方法，一方面通過增加空間間隙并控制其間隙厚度的方法，使超材料在介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的功能設(shè)計(jì)上更為靈活和多樣；另一方面，本實(shí)施例的超材料及其制備可以通過成型工藝大規(guī)模制備，具有制備過程簡單，效率高、成本低的優(yōu)點(diǎn)。在上述實(shí)施例中，僅對本發(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后可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下對本發(fā)明進(jìn)行各種修改。
權(quán)利要求
1.一種具有空間間隙的超材料，由多層超材料功能板組合而成，所述超材料功能板包括介質(zhì)基板以及陣列在介質(zhì)基板上的多個人造微結(jié)構(gòu)，其特征在于所述超材料功能板兩兩之間設(shè)置有間隔元件，所述間隔元件與所述超材料功能板之間通過粘合劑相互粘合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有空間間隙的超材料，其特征在于所述間隔元件為框形隔板，所述框形隔板與所述超材料功能板之間通過粘合劑相互粘合。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種具有空間間隙的超材料，其特征在于各所述隔板的厚度相等。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種具有空間間隙的超材料，其特征在于各所述隔板的厚度呈遞增或遞減變化。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種具有空間間隙的超材料，其特征在于各所述隔板的厚度呈大小交替變化。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種具有空間間隙的超材料，其特征在于所述粘合劑為雙面膠粘合劑。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種具有空間間隙的超材料，其特征在于所述粘合劑為固態(tài)粘合樹脂，所述固態(tài)粘合樹脂為酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂、聚酰亞胺樹脂或聚四氟乙烯樹脂。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種具有空間間隙的超材料，其特征在于所述隔板為方框形隔板。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種具有空間間隙的超材料，其特征在于所述隔板為圓框形隔板。
10.一種超材料的制備方法，包括以下步驟a.在超材料功能板的介質(zhì)基板上陣列多個人造微結(jié)構(gòu)，形成超材料功能板；b.根據(jù)設(shè)計(jì)需要計(jì)算并確定超材料功能板之間空間間隙的厚度；c.根據(jù)空間間隙的厚度確定各個超材料功能板之間的間隔元件的厚度，使間隔厚度等于所述空間間隙的厚度；d.通過粘合劑將各個超材料功能板相互與間隔元件相互粘合組裝形成超材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種超材料的制備方法，其特征在于所述步驟a中，通過化學(xué)蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻的方法在所述介質(zhì)基板上陣列多個人造微結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有空間間隙的超材料，由多層超材料功能板組合而成，所述超材料功能板包括介質(zhì)基板以及陣列在介質(zhì)基板上的多個人造微結(jié)構(gòu)，其特征在于所述超材料功能板兩兩之間設(shè)置有間隔元件，所述間隔元件與所述超材料功能板之間通過粘合劑相互粘合。本發(fā)明還提供了該超材料的制備方法，采用超材料功能板中設(shè)置間隔元件來增加預(yù)定空間間隙的方法，由于能通過間隔元件的厚度方便地實(shí)現(xiàn)空間間隙的設(shè)定，進(jìn)而能對超材料的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率進(jìn)行預(yù)定的改變，因而在超材料的功能設(shè)計(jì)上更為靈活和多樣，所制得的超材料的電磁特性也更為豐富，具有更廣泛的功能應(yīng)用。
文檔編號H01Q15/00GK102480004SQ20111007710
公開日2012年5月30日 申請日期2011年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月29日
發(fā)明者劉若鵬, 王文劍, 趙治亞 申請人: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