CN102476789B - 一种超材料制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超材料制备方法，只需通过普通的喷墨打印机即可进行超材料微结构的规模化制备，且微结构的图形通过计算机设计出来后可以方便地在喷墨打印机上进行打印操作和控制；具有工艺简单，设备和耗材成本低的优点，只需要配制合适的溶液和通过喷墨打印机即可实现。
Description
【技术领域】
本发明涉及超材料领域。
【背景技术】
超材料是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。超材料的性质和功能主要来自于其内部的结构而非构成它们的材料，因此为设计和合成超材料，人们进行了很多研究工作。2000年，加州大学的Smith等人指出周期性排列的金属线和开环共振器（SRR）的复合结构可以实现介电常数ε和磁导率μ同时为负的双负材料，也称左手材料。之后他们又通过在印刷电路板(PCB)上制作金属线和SRR复合结构实现了二维的双负材料。目前超材料结构的实现主要还是以在介质基材上制作金属线完成。
通过在介质基材上构造微结构来调制局部电磁参数如介电常数和磁导率是当今实现超材料的一种普遍方法，现有的加工工艺一般是采用光刻、掩模板设计或者蚀刻等方法先形成微结构图案，然后再用热蒸发、溅射、化学沉积或者电子束沉积等方式镀膜而形成金属微结构，这些工艺步骤一般都需要在超净室完成，其工艺复杂，对环境要求较高，且需要的设备也非常昂贵，加工周期较长。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题是提供一种工艺简单，成本较低的超材料制备方法。
本发明实现发明目的采用的技术方案是，一种超材料制备方法，包括以下步骤：
a.根据超材料的预定功能设计出微结构的形状和排布阵列，并将微结构的形状和排布阵列储存为计算机可读格式的微结构图形，所述微结构通过按照一定的排布规律进行阵列，在整体上实现某些电磁功能的结构形状，所述微结构的形状是工字型或工字衍生型、开口环型或开口环衍生型，或者上述形状的组合型结构；
b.在硝酸银溶液中加入表面活性剂配制为第一混合溶液，在溴化钠溶液中加入表面活性剂配制为第二混合溶液，将所述第一混合溶液和第二混合溶液分别避光保存；
c.将所述第一混合溶液和第二混合溶液分别注入到两个墨盒内；
d.在避光的环境中，将所述两个墨盒中的一个装入喷墨打印机，在超材料介质基材上打印出所述计算机可读格式的微结构图形；
e.在避光的环境中，将喷墨打印机中的墨盒更换为所述两个墨盒的另一个，在超材料介质基材上重复打印所述计算机可读格式的微结构图形；
f.进行曝光处理，使所述超材料介质基材上形成金属银微结构，得到超材料。
更好地，所述e步骤后还包括一厚度控制步骤，所述厚度控制步骤为：重复步骤d和e，直至微结构的打印厚度达到预定的厚度。
更好地，所述f步骤后还包括：将超材料置于100-300℃的高温下进行烧结处理。
更好地，为使防止生成的银被氧化，采用在氮气的氛围下对超材料进行烧结处理。
更好地，所述f步骤后还包括一将超材料置于水中进行清洗的步骤。
具体实施时，所述超材料介质基材可选自陶瓷基材、玻璃纤维有机树脂基材、纸质基材或有机薄膜基材。
具体实施时，所述表面活性剂为硬脂酸或十二烷基苯磺酸钠。
具体实施时，所述曝光处理为置于太阳光下进行曝光处理。
具体实施时，所述硝酸银溶液和所述溴化钠溶液均为具有饱和溶解度的水溶液。
本发明有益效果是，工艺简单，只需通过普通的喷墨打印机即可进行超材料微结构的规模化制备，且微结构的图形通过计算机设计出来后可以方便地在喷墨打印机上进行打印操作和控制；设备和耗材成本低，只需要配制合适的溶液和通过喷墨打印机即可实现。
【附图说明】
图1是实施例1的超材料制备方法流程图。
图2是实施例2的超材料制备方法流程图。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种超材料制备方法，流程图参看附图1，包括以下步骤：
a.根据超材料的预定功能设计出微结构的形状和排布阵列，并将微结构的形状和排布阵列储存为计算机可读格式的微结构图形；
本步骤中，微结构的形状可以是工字型或工字衍生型、可以是开口环型或开口环衍生型，还可以是上述形状的组合型结构，各个微结构再按照一定的排布规律进行阵列，从而在整体上实现某些电磁功能。由于微结构的不同形状以及不同排布阵列会产生不同的电磁特性，所以需要根据超材料的预定电磁功能通过计算机仿真设计出微结构的形状和排布阵列，进而得到计算机可读格式的微结构图形。
b.配制第一混合溶液和第二混合溶液：在硝酸银饱和溶液中加入十二烷基苯磺酸钠配制为第一混合溶液，十二烷基苯磺酸钠的添加量为第一混合溶液的0.1%（w/w质量分数），在溴化钠饱和溶液中加入十二烷基苯磺酸钠配制为第二混合溶液，十二烷基苯磺酸钠的添加量为第二混合溶液的0.1%（w/w质量分数），将第一混合溶液和第二混合溶液分别避光保存；
本步骤中，硝酸银溶液和溴化钠溶液均配制为硝酸银饱和溶液，目的是增大溴化银的生成量，进而提高金属银的产量。
c.将第一混合溶液和第二混合溶液分别注入到两个墨盒内；
d.在避光的环境中，先将装有第一混合溶液的墨盒装入喷墨打印机，在超材料介质基材上打印出微结构图形，本实施例采用聚醚酰亚胺薄膜作为超材料介质基材；
e.在避光的环境中，再将喷墨打印机中的墨盒更换为装有第二混合溶液的墨盒，在聚醚酰亚胺薄膜上重复打印微结构图形；
f.进行曝光处理，使聚醚酰亚胺薄膜上形成金属银微结构，得到在聚醚酰亚胺薄膜阵列有金属银微结构的超材料。
本发明中，十二烷基苯磺酸钠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着在聚醚酰亚胺薄膜上，使打印出来的图形更为稳定。第一混合溶液中的硝酸银溶液和第二混合溶液中的溴化钠溶液混合后反应得到溴化银，溴化银在光照的环境下分解产生金属银，从而在聚醚酰亚胺薄膜上形成金属银微结构图形。
实施例2
一种超材料制备方法，流程图参看附图2，包括以下步骤：
a.根据超材料的预定功能设计出微结构的形状和排布阵列，并将微结构的形状和排布阵列储存为计算机可读格式的微结构图形；
本步骤中，微结构的形状可以是工字型或工字衍生型、可以是开口环型或开口环衍生型，还可以是上述形状的组合型结构，各个微结构再按照一定的排布规律进行阵列，从而在整体上实现某些电磁功能。由于微结构的不同形状以及不同排布阵列会产生不同的电磁特性，所以需要根据超材料的预定电磁功能通过计算机仿真设计出微结构的形状和排布阵列，进而得到计算机可读格式的微结构图形。
b.配制第一混合溶液和第二混合溶液：在硝酸银溶液中加入十二烷基苯磺酸钠配制为第一混合溶液，十二烷基苯磺酸钠的添加量为第一混合溶液的0.2%（w/w质量分数），在溴化钠溶液中加入十二烷基苯磺酸钠配制为第二混合溶液，十二烷基苯磺酸钠的添加量为第二混合溶液的0.3%（w/w质量分数），将第一混合溶液和第二混合溶液分别避光保存；
c.将第一混合溶液和第二混合溶液分别注入到两个墨盒内；
d.在避光的环境中，先将装有第一混合溶液的墨盒装入喷墨打印机，在玻璃纤维有机树脂基材如FR4上打印出微结构图形；
e.在避光的环境中，再将喷墨打印机中的墨盒更换为装有第二混合溶液的墨盒，在FR4基材上重复打印微结构图形；
重复步骤d、e，直至微结构的打印厚度达到预定的厚度；
f.在太阳光下进行曝光处理，使FR4基材上形成金属银微结构，得到超材料；
g.在氮气的氛围下，将超材料置于200℃的高温下进行烧结处理；
h.将超材料置于清水中清洗，最后得到超材料最终产品。
本实施例中，通过不断重复步骤d、e，可使组后生成的微结构中金属银的厚度满足预定需要，因为，根据超材料电磁功能的需要，微结构中的金属银厚度要求也不同，本发明通过重复打印的方法可以很方便地对金属微结构中银的厚度进行控制。
本实施例中，烧结步骤可以是100-300℃的高温，优选200℃，其目的是为了使生成的金属银之间连接更为牢固，同时，为使防止生成的银被氧化，采用在氮气的氛围下对超材料进行烧结处理。
本实施例中，步骤h的目的是为了除去反应中产生的硝酸钠。作为另一种实施方式，清洗步骤也可在烧结步骤前进行。
本实施例中，FR4基材为硬质的基板，喷墨打印机可选用惠普Deskjet2010、爱普生R3000等。
Claims (10)
1.一种超材料制备方法，包括以下步骤：
a.根据超材料的预定功能设计出微结构的形状和排布阵列，并将微结构的形状和排布阵列储存为计算机可读格式的微结构图形，所述微结构通过按照一定的排布规律进行阵列，在整体上实现某些电磁功能的结构形状，所述微结构的形状是工字型或工字衍生型、开口环型或开口环衍生型，或者上述形状的组合型结构；
b.在硝酸银溶液中加入表面活性剂配制为第一混合溶液，在溴化钠溶液中加入表面活性剂配制为第二混合溶液，将所述第一混合溶液和第二混合溶液分别避光保存；
c.将所述第一混合溶液和第二混合溶液分别注入到两个墨盒内；
d.在避光的环境中，将所述两个墨盒中的一个装入喷墨打印机，在超材料介质基材上打印出所述计算机可读格式的微结构图形；
e.在避光的环境中，将喷墨打印机中的墨盒更换为所述两个墨盒的另一个，在超材料介质基材上重复打印所述计算机可读格式的微结构图形；
f.进行曝光处理，使所述超材料介质基材上形成金属银微结构，得到超材料。
2.根据权利要求1所述的超材料制备方法，其特征在于，所述e步骤后还包括一厚度控制步骤，所述厚度控制步骤为：重复步骤d和e，直至微结构的打印厚度达到预定的厚度。
3.根据权利要求1或2所述的超材料制备方法，其特征在于，所述f步骤后还包括：将超材料置于100-300℃的高温下进行烧结处理。
4.根据权利要求3所述的超材料制备方法，其特征在于，在氮气的氛围下将超材料置于100-300℃的高温下进行烧结处理。
5.根据权利要求1或2所述的超材料制备方法，其特征在于，所述f步骤后还包括一将超材料置于水中进行清洗的步骤。
6.根据权利要求3所述的超材料制备方法，其特征在于，所述烧结步骤后还包括一将超材料置于水中进行清洗的步骤。
7.根据权利要求1所述的超材料制备方法，其特征在于：所述超材料介质基材可选自陶瓷基材、玻璃纤维有机树脂基材、纸质基材或有机薄膜基材。
8.根据权利要求1所述的超材料制备方法，其特征在于：所述表面活性剂为硬脂酸或十二烷基苯磺酸钠，所述表面活性剂在第一混合溶液或第二混合溶液中的质量分数为0.1%-0.3%。
9.根据权利要求1所述的超材料制备方法，其特征在于：所述曝光处理为置于太阳光下进行曝光处理。
10.根据权利要求1所述的超材料制备方法，其特征在于：所述硝酸银溶液和所述溴化钠溶液均为具有饱和溶解度的水溶液。
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