CN102480001B - 一种超材料制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超材料制备方法，包括如下步骤：S1、制作多块基板，每块基板所选用的原料不完全相同；S2、在每块所述基板上附着人造微结构，得到超材料片层；S3、将制得的多个超材料片层组装成一体。采用混合材料制造基板获得特殊电磁响应，通过采用传统的加工工艺即可实现超材料的制备，有利于超材料向产业化、规模化发展，从而推进长材料技术的应用。

Description

一种超材料制备方法

技术领域

本发明涉及超材料领域，更具体地说，涉及一种超材料制备方法。

背景技术

超材料是一种新型人工材料，能够对电磁波有特殊的响应，从而起到对电磁波进行汇聚、发散、偏折等作用，可应用范围非常广。如图1所示，超材料是由至少一个超材料片层3构成的，每个超材料片层3包括基板1和附着在基板1上且以一定规则排布的多个人造微结构2。人造微结构2是由金属丝组成具有一定几何形状而构成的。每个基板1的厚度通常在0.2-0.5mm之间，其面积尺寸根据实际应用需求而定，小至用在手机天线上，大至用于雷达上。

在一些超材料面积较大的应用场合，可能对其不同局部要求有不同的电磁响应特性，例如有些局部要求介电常数高，有些局部需要防腐防酸性气体，普通的基板1不能达到这样的效果。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的缺陷，提供一种超材料制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种超材料制备方法，包括如下步骤：

S1、制作多块基板，每块基板所选用的原料不完全相同；

S2、在每块所述基板上附着人造微结构，得到超材料片层；

S3、将制得的多个超材料片层组装成一体。

在本发明的超材料制备方法中，所述基板的原料包括酚醛树脂、环氧树脂和/或聚酰胺。

在本发明的超材料制备方法中，所述S1选用热压成型工艺，温度135-170℃，压力250-350Psi。

在本发明的超材料制备方法中，所述步骤S2由如下步骤完成：

S20、在所述基板上附着金属层；

S21、将所述金属层加工去料，余下人造微结构。

在本发明的超材料制备方法中，所述步骤S20采用电镀、沉积方式实现，所述步骤S21采用蚀刻方式实现。

在本发明的超材料制备方法中，所述步骤S2由如下步骤完成：

P20、在所述基板上附着保护层，所述保护层上具有与人造微结构形状相同的镂孔；

P21、在所述保护层上附着金属层，且经过所述镂孔的金属层局部直接附着在基板上；

P22、去除保护层及其上的金属层，余下直接附着在基板上的金属层部分形成人造微结构。

在本发明的超材料制备方法中，所述保护层为光刻胶或光刻薄膜。

在本发明的超材料制备方法中，所述步骤P21采用电镀、沉积方式实现。

在本发明的超材料制备方法中，所述步骤S2采用打印的方式，将金属粉直接打印到基板上组成几何图案而形成人造微结构。

实施本发明的超材料制备方法，具有以下有益效果：采用混合材料制造基板，可根据需求，对基板的各个局部选用不同的基板，以满足一些特殊环境和应用条件的要求。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是超材料的结构示意图；

图2是本发明的整体流程图；

图3是步骤S2为第一种方式的流程图；

图4是步骤S2为第二种方式的流程图；

图5是步骤S2为第三种方式的流程图。

具体实施方式

如图2所示，本发明涉及一种超材料制备方法，用来制造各种超材料，步骤如下：

S1、制作多块基板，每块基板所选用的原料不完全相同；

S2、在每块所述基板上附着人造微结构，得到超材料片层；

S3、将制得的多个超材料片层组装成一体。

由于超材料是一种对电磁场有特殊响应的材料，其内部各个超材料单元的电磁响应特征值如介电常数、磁导率、折射率等可以相同，也可以不同。而这些电磁响应特征值是有该超材料单元的基板1和基板1上的人造微结构2共同决定的，因此，超材料所选用的基材也是决定超材料电磁特性的影响因素之一。

本发明的创新点在于，选用至少两种原料来制备超材料基板，例如分别由原料a和原料b制得的基板A和基板B相间排列，即A、B、A、B……循环，或者超材料中间局部的几块基板选用原料A，两边的基板均选用原料B，等等。

这样设计的好处在于，通过选用混合原料来制造基材，并设计一定的基板分布规则，可以实现特殊的电磁响应要求。

上述原料可以是大块体积的，每块基材可以直接从现有的体积较大的材料上直接切割或通过其他方式分离出来；原料也可以是颗粒状或粉状，例如粒度在50～200nm之间，通过热压、注塑等工艺制成基板1，例如采用热压成型工艺，对模具整体加热至温度达到135-170℃，在压力为250-350Psi的条件下将颗粒状原料融化后压制成板状。

这里的基板原料可以选用酚醛树脂、环氧树脂和/或聚酰胺。

步骤S2在板状基板1上附着人造微结构2的方法有很多，主要分三种方式：

第一种方式是，如图3所示，步骤S2包括如下步骤：

S20、在所述基板1上附着金属层；

S21、将所述金属层加工去料，余下人造微结构2。

步骤S20可以采用化学方法如电镀、沉积或镀膜方法等得到金属层并附着在基板上。金属层的厚度在0.018-0.036mm之间为佳。

步骤S21可以采用类似于传统印制电路板(也即PCB板)的加工工艺进行，通常采用的是蚀刻方法。蚀刻是指通过曝光制版、显影后，将要蚀刻区域也即不属于人造微结构2的区域的保护膜去除，在蚀刻时接触化学溶液，达到溶解腐蚀的作用，未被腐蚀的即为人造微结构2。蚀刻所采用的化学溶剂是酸性氯化铁。由于人造微结构2很小，在入射电磁波波长的十分之一左右，在蚀刻时应注意图形转移精度，刻蚀温度，时间等，以确保精度、避免出现断线等缺陷。基板1与人造微结构2一起构成超材料片层3。

第二种方式是，如图4所示，步骤S2由如下步骤完成：

P20、在所述基板上附着保护层，所述保护层上具有与人造微结构形状相同的镂孔；

P21、在所述保护层上附着金属层，且经过所述镂孔的金属层局部直接附着在基板上；

P22、去除保护层及其上的金属层，余下直接附着在基板上的金属层部分形成人造微结构。

上述步骤P20中的保护层是用以保护基板上不属于人造微结构的位置，避免其被附着上金属。保护层可以采用光刻胶或光刻薄膜。当光刻胶为液体时，把将要附着人造微结构的区域遮蔽起来，液态光刻胶通过流动后铺满未被遮蔽的区域，固化后形成保护层，保护层在前述被遮蔽的位置上具有与人造微结构形状相同的镂孔，移开遮蔽物。也可以直接才用光刻薄膜，并在薄膜上刻出于人造微结构形状相同的镂孔，并将薄膜覆在基板上形成保护层。

然后通过电镀、沉积等方式在保护层上附着金属层。由于镂孔所对应的基材表面裸露出来，因此该区域的金属层将直接附着在基板表面上，形成人造微结构。

第三种方式是，如图5所示，步骤S2采用类似打印的方式，将金属粉直接逐点打印到基板上组合成一定的几何图案，通过预设打印轨迹，可以实现金属粉所组成的几何图案共同构成人造微结构。

人造微结构2附着到基板1上，构成一个超材料片层3，超材料既是由多个这样的超材料片层3组装而成的。超材料片层3可以是直接一片片表面相接触地叠加并封装，也可以纵横相加地构成栅格形。

以上三种制备工艺，均属于本发明的保护范围之内。本发明的超材料制备方法，采用混合材料制造基板获得特殊电磁响应，通过采用传统的加工工艺即可实现超材料的制备，有利于超材料向产业化、规模化发展，从而推进长材料技术的应用。

因此，上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种超材料制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、制作多块基板，每块基板所选用的原料不完全相同；

S2、在每块所述基板上附着人造微结构，得到超材料片层；

S3、将制得的多个超材料片层组装成一体；

所述步骤S2由如下步骤完成：

P20、在所述基板上附着保护层，所述保护层上具有与人造微结构形状相同的镂孔；

P21、在所述保护层上附着金属层，且经过所述镂孔的金属层局部直接附着在基板上；

P22、去除保护层及其上的金属层，余下直接附着在基板上的金属层部分形成人造微结构；

所述人造微结构的大小为入射电磁波波长的十分之一。

2.根据权利要求1所述的超材料制备方法，其特征在于，所述基板的原料包括酚醛树脂、环氧树脂和/或聚酰胺。

3.根据权利要求1所述的超材料制备方法，其特征在于，所述S1选用热压成型工艺，温度135-170℃，压力250-350Psi。

4.根据权利要求1所述的超材料制备方法，其特征在于，所述步骤S2由如下步骤完成：

S20、在所述基板上附着金属层；

S21、将所述金属层加工去料，余下人造微结构。

5.根据权利要求4所述的超材料制备方法，其特征在于，所述步骤S20采用电镀、沉积方式实现，所述步骤S21采用蚀刻方式实现。

6.根据权利要求1所述的超材料制备方法，其特征在于，所述保护层为光刻胶或光刻薄膜。

7.根据权利要求1所述的超材料制备方法，其特征在于，所述步骤P21采用电镀、沉积方式实现。

8.根据权利要求1所述的超材料制备方法，其特征在于，所述步骤S2采用打印的方式，将金属粉直接打印到基板上组成几何图案而形成人造微结构。

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