CN102480020A - 一种超材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种超材料，所述超材料包括基体材料和随机分散在所述基体材料中的多个超材料单元，所述超材料单元包括介质基板和固定在介质基板上的单个或多个人造微结构。本发明还提供该超材料的制备方法，由于人造微结构在三维空间内呈随机分布，所以，对于任意方向入射的电磁波，超材料均能产生特定的电磁响应，相比于现有超材料功能板而言，其应用范围更广。

Description

一种超材料及其制备方法
【技术领域】
本发明涉及超材料领域。
【背景技术】
超材料一般由多个超材料功能板层叠或按其他规律阵列组合而成，超材料功能板包括介质基板以及阵列在介质基板上的多个人造微结构，现有超材料的介质基板为均一材质的有机或无机基板，如FR4、TP1等等。阵列在介质基板上的多个人造微结构具有特定的电磁特性，能对电场或磁场产生电磁响应，通过对人造微结构的结构和排列规律进行精确设计和控制，可以使超材料呈现出各种一般材料所不具有的电磁特性，如能汇聚、发散和偏折电磁波等。
现有的超材料功能板一般为平面状的薄板，人造微结构均阵列在介质基板的表面，人造微结构的排布仅限于二维平面内，不能形成三维的立体排布。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题：一方面提供一种在三维立体空间内具有人造微结构的超材料，另一方面，提供该超材料的制备方法。
本发明实现发明目的采用的技术方案是，一种超材料，所述超材料包括基体材料和随机分散在所述基体材料中的多个超材料单元，所述超材料单元包括介质基板和固定在介质基板上的单个或多个人造微结构。
更好地，所述基体材料为有机树脂材料。
更好地，所述介质基板为有机树脂基板、陶瓷基板或铁电材料基板。
更好地，所述人造微结构的材料为金属材料或陶瓷材料。
更好地，所述人造微结构为工字形或工字衍生形。
更好地，所述人造微结构为开口环形或开口环衍生形。
本发明还提供一种超材料的制备方法，包括以下步骤：
在介质基板上阵列并固定多个人造微结构，制得超材料功能板；
将超材料功能板裁剪为多个超材料单元，所述超材料单元包括介质基板和固定在介质基板上的单个或多个人造微结构；
将所述多个超材料单元加入到具有液体或粉末状属性的基体材料中，将所述多个超材料单元与所述基体材料混合均匀；
将所述基体材料固化成型，得到超材料。
更好地，所述将所述基体材料固化成型的步骤包括将所述基体材料置于模具中，所述模具用以形成所述超材料预定的形状，然后通过冷却或高温烧结的方法进行固化成型，得到超材料。
更好地，所述的超材料的制备方法，包括以下步骤：
在有机树脂介质基板上阵列并固定多个金属微结构，制得超材料功能板；
将超材料功能板裁剪为多个超材料单元，所述超材料单元包括有机树脂介质基板和固定在有机树脂介质基板上的单个金属微结构；
将所述多个超材料单元加入到基体材料中，所述基体材料为熔融的有机树脂，将所述多个超材料单元与所述有机树脂基体材料混合均匀；
将所述基体材料固化成型，得到超材料。
更好地，所述的超材料的制备方法，包括以下步骤：
在陶瓷介质基板上阵列并固定多个人造微结构，制得超材料功能板；
将超材料功能板裁剪为多个超材料单元，所述超材料单元包括陶瓷介质基板和固定在陶瓷介质基板上的单个人造微结构；
将所述多个超材料单元加入到基体材料中，所述基体材料为陶瓷粉末，将所述多个超材料单元与所述陶瓷粉末中混合均匀；
将所述陶瓷粉末在高温下烧结，固化成型，得到超材料。
通过本发明制备方法制得的超材料，由于人造微结构在三维空间内呈随机分布，所以，对于任意方向入射的电磁波，超材料均能产生特定的电磁响应，相比于现有超材料功能板而言，其应用范围更广。
【附图说明】
图1，实施例1超材料内部的结构示意图。
图2，实施例2超材料内部的结构示意图。
图3，工字衍生形结构图。
图4，开口环衍生形结构图。
图5，工字衍生形与开口环衍生形结构图。
【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，超材料内部的结构示意图参看附图1，包括基体材料1和随机分散在基体材料1中的多个超材料单元2，超材料单元2由介质基板以及固定在介质基板上的单个人造微结构组成，本实施例中，介质基板为有机树脂基板，人造微结构为工字形金属微结构。
本实施例中，超材料的制备方法如下：
1、超材料功能板的制备，超材料功能板由环氧树脂介质基板以及阵列在环氧树脂介质基板上的金属微结构组成，
首先制备介质基板，在反应器中将二甲基甲酰胺和乙二醇甲醚搅拌混合，配成混合溶剂，加入双氰胺作为固化剂，搅拌溶解，加入环氧树脂，搅拌混合即得到环氧树脂胶液；将制得的环氧树脂胶液熟化后加入到胶液槽中，本实施例采用玻璃纤维布作为增强材料，玻璃纤维布卷可通过卷辊和导向辊连续通过装有环氧树脂胶液的胶液槽，使玻璃纤维布上浸渍环氧树脂胶液，得到湿基材，然后将湿基材固化成型，得到介质基板。
然后通过沉铜电镀的方法在制得的介质基板上镀上一层铜箔，最后通过曝光、刻蚀步骤将金属微结构的图形转移到铜箔上，得到具有铜微结构阵列的超材料功能板。
2、通过机械裁剪的方法对制得的超材料功能板进行裁剪，以一个铜微结构为单元将超材料功能板上的铜微结构阵列裁剪为多个超材料单元，该超材料单元包括环氧树脂介质基板和固定在环氧树脂介质基板上的单个铜微结构。
3、将裁剪得到的多个超材料单元加入到有机树脂基体材料中，不断搅拌，使超材料单元与有机树脂基体材料混合均匀，该步骤中的有机树脂基体材料可以是具有固化剂的环氧树脂胶液。
4、将有机树脂基体材料固化成型，得到在基体材料内随机分散有多个超材料单元的超材料。
本实施例中，基体材料可根据不同的应用要求如机械性能、介电常数或磁导率等进行选择，同时，有机树脂基体材料可以是具有固化剂的环氧树脂胶液，也可以是具有固化剂的以环氧酚醛树脂或溴化环氧树脂为主的其他有机树脂胶液，还可以是熔融状态的其他有机树脂。
本发明制得的超材料，由于人造微结构在三维空间内呈随机分布，所以，对于任意方向入射的电磁波，超材料均能产生特定的电磁响应，相比于现有超材料功能板而言，其应用范围更广。另一方面，由于是在三维的空间内进行人造微结构的分布，也为设计出电磁特性更为独特的超材料提供了途径。
实施例2
一种超材料，超材料内部的结构示意图参看附图2，包括基体材料1和随机分散在基体材料1中的多个超材料单元2，超材料单元2由介质基板以及固定在介质基板上的单个人造微结构组成，本实施例中，介质基板为有机树脂基板，人造微结构为开口环形金属微结构。
本实施例中，超材料的制备方法如下：
1、超材料功能板的制备，超材料功能板由环氧树脂介质基板以及阵列在环氧树脂介质基板上的金属微结构组成，
首先制备介质基板，在反应器中将二甲基甲酰胺和乙二醇甲醚搅拌混合，配成混合溶剂，加入双氰胺作为固化剂，搅拌溶解，加入环氧树脂，搅拌混合即得到环氧树脂胶液；将制得的环氧树脂胶液熟化后加入到胶液槽中，本实施例采用玻璃纤维布作为增强材料，玻璃纤维布卷可通过卷辊和导向辊连续通过装有环氧树脂胶液的胶液槽，使玻璃纤维布上浸渍环氧树脂胶液，得到湿基材，然后将湿基材固化成型，得到介质基板。
然后通过沉铜电镀的方法在制得的介质基板上镀上一层铜箔，最后通过曝光、刻蚀步骤将金属微结构的图形转移到铜箔上，得到具有铜微结构阵列的超材料功能板。
2、通过机械裁剪的方法对制得的超材料功能板进行裁剪，以一个铜微结构为单元将超材料功能板上的铜微结构阵列裁剪为多个超材料单元，该超材料单元包括环氧树脂介质基板和固定在环氧树脂介质基板上的单个铜微结构。
3、将裁剪得到的多个超材料单元加入到陶瓷粉末基体材料中，不断搅拌，使超材料单元与陶瓷粉末基体材料混合均匀，再将混有超材料单元的基体材料置于以模具内，该模具可根据超材料拟加工的形状进行设计。
4、将模具内的陶瓷粉末基体材料在高温下烧结，固化成型，得到在基体材料内随机分散有多个超材料单元的超材料。
本发明制得的超材料，由于人造微结构在三维空间内呈随机分布，所以，对于任意方向入射的电磁波，超材料均能产生特定的电磁响应，相比于现有超材料功能板而言，其应用范围更广。同时，由于陶瓷材料具有较高的介电常数，所以整个超材料也具有较高的介电常数，并且，由于陶瓷材料具有很大的材料选择性，所以能比较容易地选择出具有合适介电常数的陶瓷材料。
作为具体的实施方式，本发明中，人造微结构的形状还可以是工字衍生形或开口环衍生形或二者的结合，其结构图参看附图3、附图4和附图5。
在上述实施例中，仅对本发明进行了示范性描述，但是本领域技术人员在阅读本专利申请后可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改。

Claims (10)

1.一种超材料，其特征在于：所述超材料包括基体材料和随机分散在所述基体材料中的多个超材料单元，所述超材料单元包括介质基板和固定在介质基板上的单个或多个人造微结构。
2.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于：所述基体材料为有机树脂材料。
3.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于：所述介质基板为有机树脂基板、陶瓷基板或铁电材料基板。
4.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于：所述人造微结构的材料为金属材料或陶瓷材料。
5.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于：所述人造微结构为工字形或工字衍生形。
6.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于：所述人造微结构为开口环形或开口环衍生形。
7.一种超材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在介质基板上阵列并固定多个人造微结构，制得超材料功能板；
将超材料功能板裁剪为多个超材料单元，所述超材料单元包括介质基板和固定在介质基板上的单个或多个人造微结构；
将所述多个超材料单元加入到具有液体或粉末状属性的基体材料中，将所述多个超材料单元与所述基体材料混合均匀；
将所述基体材料固化成型，得到超材料。
8.根据权利要求7所述的超材料的制备方法，其特征在于，所述将所述基体材料固化成型的步骤包括将所述基体材料置于模具中，所述模具用以形成所述超材料预定的形状，然后通过冷却或高温烧结的方法进行固化成型，得到超材料。
9.根据权利要求7所述的超材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在有机树脂介质基板上阵列并固定多个金属微结构，制得超材料功能板；
将超材料功能板裁剪为多个超材料单元，所述超材料单元包括有机树脂介质基板和固定在有机树脂介质基板上的单个金属微结构；
将所述多个超材料单元加入到基体材料中，所述基体材料为熔融的有机树脂，将所述多个超材料单元与所述有机树脂基体材料混合均匀；
将所述基体材料固化成型，得到超材料。
10.根据权利要求7所述的超材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在陶瓷介质基板上阵列并固定多个人造微结构，制得超材料功能板；
将超材料功能板裁剪为多个超材料单元，所述超材料单元包括陶瓷介质基板和固定在陶瓷介质基板上的单个人造微结构；
将所述多个超材料单元加入到基体材料中，所述基体材料为陶瓷粉末，将所述多个超材料单元与所述陶瓷粉末中混合均匀；
将所述陶瓷粉末在高温下烧结，固化成型，得到超材料。
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