CN102480012B - 一种超材料介质基板及其加工方法 - Google Patents

一种超材料介质基板及其加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种超材料介质基板的加工方法及由该方法制得的超材料介质基板，通过应用本发明的超材料介质基板及其加工方法，可以在加工时预先设定凸起阵列中凸起物的排列规律，使成型后的超材料介质基板具有呈一定规律分布的孔形阵列，从而使超材料介质基板能实现对电磁波的某些调制功能，如使电磁波发散、汇聚或偏折等，从而为超材料的功能应用提供更为灵活的设计途径。

Description

一种超材料介质基板及其加工方法
【技术领域】
本发明涉及超材料领域，具体地涉及超材料介质基板的加工工艺。
【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的超常材料功能。超材料由多层超材料功能板层叠或阵列而成，超材料功能板由介质基板和设置在介质基板上的多个人造微结构组成，超材料可以提供各种普通材料具有和不具有的材料特性。单个人造微结构大小一般小于1/10个波长，其对外加电场或磁场具有电响应或磁响应，从而具有表现出等效介电常数或等效磁导率，或者波阻抗。人造微结构的等效介电常数和等效磁导率（或波阻抗）由单元几何尺寸参数决定，可人为设计和控制。并且，人造微结构可以具有人为设计的电磁参数，从而产生许多新奇的现象。
现有超材料功能板中介质基板的作用是在机械性能上适应应用环境的需要以固定人造微结构阵列，在选材上可选用陶瓷、高分子材料、聚四氟乙烯、铁电材料、铁氧材料、铁磁材料等等，其加工工艺根据选材而各有不同。因为对于均一材质而言，其介电常数和磁导率为一固定值，所以超材料中的介质基板不管采用哪种材料或工艺，其基本功能局限于固定人造微结构阵列，对外加电场或磁场不会产生特有的电响应或磁响应，即相对于入射超材料的电磁波而言，其不具有电磁调制功能。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题是提供一种超材料介质基板及其加工方法，使超材料的介质基板能对外加电场或磁场产生电响应或磁响应从而实现介质基板的各种电磁调制功能，进而拓展超材料的功能应用，使超材料的功能设计更为灵活多变。
本发明实现发明目的首先提供一种超材料介质基板的加工方法，包括以下步骤：
a.根据超材料预定的性质确定超材料介质基板的材料以及超材料介质基板上预定区域内的介电常数，并根据超材料介质基板预定区域内的介电常数计算得到该预定区域内的占空比，所述占空比为介质基板单位体积内空气间隙所占的体积比；
b.设置一模具，所述模具用以成型所述介质基板，在模具内布置一凸起阵列，用以成型所述空气间隙，所述凸起阵列由多个凸起物排列而成，控制所述凸起物体积使所述介质基板单位体积内的空气间隙满足所述占空比；
c.将超材料介质基板材料以液态、固态粉末或液固混合物均匀地填充到所述模具中；
d.对填充到所述模具中的超材料介质基板材料进行一体化成型，脱模后得到超材料介质基板。
具体实施时，可以通过改变所述凸起物的疏密程度使所述介质基板单位体积内的空气间隙满足所述占空比。
具体实施时，可以通过改变多个凸起物的大小使所述介质基板单位体积内的空气间隙满足所述占空比。
作为具体实施方式，所述凸起阵列为针形阵列，所述凸起物为针形物。
作为具体实施方式，所述c步骤中，采用高温熔融的方法将超材料介质基板的材料以液态均匀地填充到所述模具中，所述d步骤中，通过冷却方法对所述模具中的超材料介质基板材料进行一体化成型。
作为具体实施方式，所述超材料介质基板的液态材料为熔融的聚四氟乙烯树脂或熔融的环氧树脂预聚物与其固化剂的混合物。
作为具体实施方式，所述c步骤中，将超材料介质基板的材料以固态粉末均匀地填充到所述模具中，所述d步骤中，通过高温烧结的方法对所述模具中的超材料介质基板材料进行一体化成型。
作为具体实施方式，所述固态粉末为陶瓷粉末与粘结剂的混合物。
作为具体实施方式，所述c步骤中，将超材料介质基板的材料以液固混合物均匀地填充到所述模具中，所述d步骤中，通过冷却的方法对所述模具中的超材料介质基板材料进行一体化成型，固化。
作为具体实施方式，所述液固混合物为熔融塑料与陶瓷粉末的混合物。
本发明还提供一种超材料介质基板，所述超材料基板中设置有孔形阵列，所述孔形阵列由多个孔状空隙阵列而成。
作为具体实施方式，所述多个孔状空隙呈疏密不等的非均匀分布。
作为具体实施方式，所述多个孔状空隙呈体积大小不等的非均匀分布。
作为具体实施方式，所述多个孔状空隙为针孔形。
通过应用本发明的超材料介质基板及其加工方法，可以在加工时预先设定针形阵列中针形物的排列规律，使成型后的超材料介质基板具有呈一定规律分布的针孔形阵列，从而使超材料介质基板能实现对电磁波的某些调制功能，如使电磁波发散、汇聚或偏折等，从而为超材料的功能应用提供更为灵活的设计途径。
【附图说明】
图1，实施例1的超材料介质基板的结构示意图。
图2，实施例2的超材料介质基板的剖面示意图。
图3，实施例3的超材料介质基板的剖面示意图。
【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
附图1示出了本实施例超材料介质基板的结构示意图，该超材料介质基板1为圆板形，超材料介质基板1中设置有针孔形阵列，针孔形阵列由多个针孔2排列而成，为便于表示，图中以黑点表示针孔形阵列，以空白区域表示超材料介质基板1的基材。为方便计算和形成具有预定占空比的超材料介质基板，将各个针孔2的设计为形状大小相等、间距不相等的非均匀分布，针孔形阵列在整体上呈由周边区域疏松中间区域密集的分布规律，针孔2的排列密度从周边到中间由小逐渐增大。
本实施例的加工方法如下：
a.为使超材料介质基板的介电常数在整体上呈中间区域小周边区域大且由小到大逐渐变化的分布规律，本实施例以聚四氟乙烯树脂作为超材料介质基板的材料，通过在聚四氟乙烯树脂介质基板的局部区域内设置空气间隙的方法改变超材料介质基板局部区域内的介电常数，由于空气的介电常数约等于1，所以当改变超材料介质基板某局部区域单位体积内空气间隙所占的体积比（即占空比）时，可以改变超材料介质基板局部区域内的介电常数，超材料介质基板局部区域内占空比越大，其介电常数将越小，反之，占空比越小，其介电常数将越大。所以，本实施例通过使超材料介质基板上的占空比呈中间区域大周边区域小且由中间向周边逐渐变小的分布规律，可以实现超材料介质基板的介电常数在整体上呈中间区域小周边区域大的分布规律。
b.为便于在超材料介质基板上按规律形成空气间隙，本实施例采用以下方法具体实施，首先根据超材料介质基板的形状大小设置注塑模具，该注塑模具用以注塑成型圆板形介质基板，然后在注塑模具内布置针形阵列，针形阵列用以在注塑成型时形成空气间隙，针形阵列由多个针状物排列而成，各个针状物设计为形状大小相等、间距不相等的非均匀分布，针形阵列在整体上呈由周边区域疏松中间区域密集的分布规律，针状物的排列密度从周边到中间由小逐渐增大，这样通过控制针形阵列中针状物的分布密度可以很容易地使超材料介质基板的占空比呈中间区域大周边区域小且由中间向周边逐渐变小的分布规律。
c.将聚四氟乙烯树脂在高温下熔融，并将熔融后的聚四氟乙烯树脂均匀地注入到注塑模具内。
d.最后，对注塑模具的聚四氟乙烯树脂进行冷却，使聚四氟乙烯树脂固化成型，脱模后得到超材料介质基板。
应当理解，本实施例中为形成具有一定体积和一定分布规律的空气间隙，可以采用各种不同的凸起阵列而不仅仅限于针形阵列，凸起阵列中的凸起物可以进行任意设计而不仅仅限于针形物，本发明的要旨在于提供尽可能多的控制手段来灵活控制介质基板上的占空比呈一定规律分布，进而控制超材料介质基板上介电常数的分布规律。
应当理解，本实施例中超材料介质基板介电常数呈中间小周边大且由小到大逐渐变化的分布规律仅仅是为了便于说明而例举的一种特定规律，本发明的要旨正是通过上述超材料介质基板的加工方法来实现对超材料介质基板的介电常数分布规律的任意设计，其有益效果也在于其设计的灵活性和方便性。同时，由于采用注塑模具一体化成型，其效率高，适合于大规模生产。
实施例2
附图2示出了本实施例超材料介质基板的剖面示意图，该超材料介质基板1为圆板形，超材料介质基板1中设置有针孔形阵列，针孔形阵列由多个针孔2排列而成，由于针孔2很小，为便于表达，附图2中用实线条表示针孔2，实线条的个数只是示意性说明，具体实施时的针孔2的数量根据具体情况而任意设置，图中的空白区域表示超材料介质基板1的基材。为方便计算和形成具有预定占空比的超材料介质基板，各个针孔2的设计为大小相等、高度不相等，针孔形阵列中针孔2的高度从超材料介质基板周边到中间逐渐增大。
本实施例的加工方法如下：
a.为使超材料介质基板的介电常数在整体上呈中间区域小周边区域大且由小到大逐渐变化的分布规律，本实施例以陶瓷基材作为介质基板的材料，通过在超材料介质基板的局部区域内设置空气间隙的方法改变超材料介质基板局部区域内的介电常数，由于空气的介电常数约等于1，陶瓷基材则一般具有较高的介电常数，所以当改变超材料介质基板某局部区域单位体积内空气间隙所占的体积比（即占空比）时，可以较大范围地改变超材料介质基板局部区域内的介电常数，超材料介质基板局部区域内占空比越大，其介电常数将越小，反之，占空比越小，其介电常数将越大。所以，本实施例通过使超材料介质基板上的占空比呈中间区域大周边区域小且由中间向周边逐渐变小的分布规律，可以实现超材料介质基板的介电常数在整体上呈中间区域小周边区域大且由小到大逐渐变化的分布规律。
b.为便于在超材料介质基板上按规律形成空气间隙，本实施例采用以下方法具体实施，首先根据超材料介质基板的形状大小设置成型模具，该成型模具用以成型圆板形介质基板，然后在成型模具内布置针形阵列，针形阵列用以形成空气间隙，针形阵列由多个针状物排列而成，由于各个针状物的体积可以任意设置，所以通过控制针形阵列中针状物的高度呈中间区域高周边区域低且由中间向周边逐渐降低的分布规律可以很容易地使超材料介质基板的占空比呈中间区域大周边区域小且由中间向周边逐渐变小的分布规律。
c.将陶瓷粉末和粘结剂均匀地填充到成型模具中；
d.在800摄氏度以上的高温下对陶瓷粉末进行高温烧结，脱模后得到超材料介质基板。
应当理解，本实施例中为形成具有一定体积和一定分布规律的空气间隙，可以采用各种不同的凸起阵列而不仅仅限于针状物阵列，凸起阵列中的凸起物可以进行任意设计而不仅仅限于针形物，本发明的要旨在于提供尽可能多的控制手段来灵活控制介质基板上的占空比呈一定规律分布，进而控制超材料介质基板上介电常数的分布规律。
应当理解，本实施例中超材料介质基板介电常数呈中间小周边大且由小到大逐渐变化的分布规律仅仅是为了便于说明而例举的一种特定规律，本发明的要旨正是通过上述超材料介质基板的加工方法来实现对超材料介质基板的介电常数分布规律的任意设计，其有益效果也在于其设计的灵活性和方便性。同时，由于采用注塑模具一体化成型，其效率高，适合于大规模生产。
实施例3
附图3示出了本实施例超材料介质基板的剖面示意图，该超材料介质基板1为圆板形，超材料介质基板1中设置有针孔形阵列，针孔形阵列由多个针孔2排列而成，由于针孔2很小，为便于表达，附图2中用实线条表示针孔2，实线条的个数只是示意性说明，具体实施时的针孔2的数量根据具体情况而任意设置，图中的空白区域表示超材料介质基板1的基材。为方便计算和形成具有预定占空比的超材料介质基板，各个针孔2的设计为大小相等、高度不相等，针孔形阵列中针孔2的高度从超材料介质基板周边到中间逐渐降低。
本实施例的加工方法如下：
a.为使超材料介质基板的介电常数在整体上呈中间区域小周边区域大且由小到大逐渐变化的分布规律，本实施例以塑料和陶瓷的复合材料作为介质基板的材料，通过在超材料介质基板的局部区域内设置空气间隙的方法改变超材料介质基板局部区域内的介电常数，由于空气的介电常数约等于1，当改变超材料介质基板某局部区域单位体积内空气间隙所占的体积比（即占空比）时，可以改变超材料介质基板局部区域内的介电常数，超材料介质基板局部区域内占空比越大，其介电常数将越小，反之，占空比越小，其介电常数将越大。所以，本实施例通过使超材料介质基板上的占空比呈中间区域小周边区域大且由中间向周边逐渐增大的分布规律，可以实现超材料介质基板的介电常数在整体上呈中间区域大周边区域小且由大到小逐渐变化的分布规律。
b.为便于在超材料介质基板上按规律形成空气间隙，本实施例采用以下方法具体实施，首先根据超材料介质基板的形状大小设置成型模具，该成型模具用以成型圆板形介质基板，然后在成型模具内布置针形阵列，针形阵列用以形成空气间隙，针形阵列由多个针状物排列而成，由于各个针状物的体积可以任意设置，所以通过控制针形阵列中针状物的高度呈中间区域低周边区域高且由中间向周边逐渐降低的分布规律可以很容易地使超材料介质基板的占空比呈中间区域小周边区域大且由中间向周边逐渐增大的分布规律。
c.首先将塑料在高温下熔融，然后将陶瓷粉末添加到熔融的塑料中，混合均匀，再将熔融塑料与陶瓷粉末的液固混合物均匀地填充到成型模具中；
d.在低温下冷却，使熔融塑料与陶瓷粉末的液固混合物在模具内一体化成型和固化，脱模后得到超材料介质基板。
应当理解，本实施例中为形成具有一定体积和一定分布规律的空气间隙，可以采用各种不同的凸起阵列而不仅仅限于针状物阵列，凸起阵列中的凸起物可以进行任意设计而不仅仅限于针形物，本发明的要旨在于提供尽可能多的控制手段来灵活控制介质基板上的占空比呈一定规律分布，进而控制超材料介质基板上介电常数的分布规律。
应当理解，本实施例中超材料介质基板介电常数呈中间小周边大且由小到大逐渐变化的分布规律仅仅是为了便于说明而例举的一种特定规律，本发明的要旨正是通过上述超材料介质基板的加工方法来实现对超材料介质基板的介电常数分布规律的任意设计，其有益效果也在于其设计的灵活性和方便性。同时，由于采用注塑模具一体化成型，其效率高，适合于大规模生产。
应当理解，超材料介质基板的基材具体选用哪种材料，可以根据介电常数的整体大小而任意选择，根据选择的材料不同，其具体成型的工艺方法也不尽相同。

Claims (14)

1.一种超材料介质基板的加工方法，包括以下步骤：
a.根据超材料预定的性质确定超材料介质基板的材料以及超材料介质基板上预定区域内的介电常数，并根据超材料介质基板预定区域内的介电常数计算得到该预定区域内的占空比，所述占空比为介质基板单位体积内空气间隙所占的体积比；
b.设置一模具，所述模具用以成型所述介质基板，在模具内布置一凸起阵列，用以成型所述空气间隙，所述凸起阵列由多个凸起物排列而成，控制所述凸起物体积使所述介质基板单位体积内的空气间隙满足所述占空比；
c.将超材料介质基板材料以液态、固态粉末或液固混合物均匀地填充到所述模具中；
d.对填充到所述模具中的超材料介质基板材料进行一体化成型，脱模后得到超材料介质基板。
2.根据权利要求1所述的一种超材料介质基板的加工方法，其特征在于：通过改变所述凸起物的疏密程度使所述介质基板单位体积内的空气间隙满足所述占空比。
3.根据权利要求1所述的一种超材料介质基板的加工方法，其特征在于：通过改变多个凸起物的大小使所述介质基板单位体积内的空气间隙满足所述占空比。
4.根据权利要求1所述的一种超材料介质基板的加工方法，其特征在于：所述凸起阵列为针形阵列，所述凸起物为针形物。
5.根据权利要求1所述的一种超材料介质基板的加工方法，其特征在于：所述c步骤中，采用高温熔融的方法将超材料介质基板的材料以液态均匀地填充到所述模具中，所述d步骤中，通过冷却方法对所述模具中的超材料介质基板材料进行一体化成型。
6.根据权利要求5所述的一种超材料介质基板的加工方法，其特征在于：所述超材料介质基板的液态材料为熔融的聚四氟乙烯树脂或熔融的环氧树脂预聚物与其固化剂的混合物。
7.根据权利要求1所述的一种超材料介质基板的加工方法，其特征在于：所述c步骤中，将超材料介质基板的材料以固态粉末均匀地填充到所述模具中，所述d步骤中，通过高温烧结的方法对所述模具中的超材料介质基板材料进行一体化成型。
8.根据权利要求7所述的一种超材料介质基板的加工方法，其特征在于：所述固态粉末为陶瓷粉末与粘结剂的混合物。
9.根据权利要求1所述的一种超材料介质基板的加工方法，其特征在于：所述c步骤中，将超材料介质基板的材料以液固混合物均匀地填充到所述模具中，所述d步骤中，通过冷却的方法对所述模具中的超材料介质基板材料进行一体化成型，固化。
10.根据权利要求9所述的一种超材料介质基板的加工方法，其特征在于：所述液固混合物为熔融塑料与陶瓷粉末的混合物。
11.一种超材料介质基板，由权利要求1-10任一项所述的超材料介质基板的加工方法制得，其特征在于：所述超材料基板中设置有孔形阵列，所述孔形阵列由多个孔状空隙阵列而成。
12.根据权利要求11所述的超材料介质基板，其特征在于：所述多个孔状空隙呈疏密不等的非均匀分布。
13.根据权利要求11所述的超材料介质基板，其特征在于：所述多个孔状空隙呈体积大小不等的非均匀分布。
14.根据权利要求11所述的超材料介质基板，其特征在于：所述多个孔状空隙为针孔形。
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