CN102480035A - 一种各向同性的全介电超材料及其制备方法 - Google Patents

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赵治亚
缪锡根
李春来
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Abstract

本发明提供一种各向同性的全介电超材料及其制备方法，根据本发明制备方法制得的各向同性的全介电超材料包括多个层叠的介质基板，所述介质基板上设置有多个半球形凹槽，相邻的两个介质基板上的半球形凹槽对称设置形成多个球形空穴，所述球形空穴内填充有球形颗粒状的介电材料，其具有损耗低，易于实现各向同性和应用于红外光频段的优点。并且，本发明加工制造方便，通过控制球形状介电材料的大小、排布规律和选择合适的材料等，可以对超材料各个基板单元的电磁特性能实现精确控制，具有灵活的电磁特性设计途径。

Description

一种各向同性的全介电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。
现有的超材料一般是在介质基板上制造金属微结构，其金属微结构是在二维的平面内进行有规律的排布，现有技术很难将微结构做成三维的立体结构，也很难实现将三维结构的微结构很精确地排布到介质基体中。
【发明内容】
本发明为解决上述技术问题是提供一种各向同性的全介电超材料及其制备方法。
本发明实现发明目的采用的技术方案是，一种各向同性的全介电超材料，包括多个层叠的介质基板，所述介质基板上设置有多个半球形凹槽，相邻的两个介质基板上的半球形凹槽对称设置形成多个球形空穴，所述球形空穴内填充有球形颗粒状的介电材料。
更好地，所述介电材料为具有球形结构的陶瓷微球颗粒。
更好地，所述多个球形空穴的大小不同。
更好地，所述介质基板为特氟龙材料。
本发明还提供一种各向同性的全介电超材料的制备方法，包括以下步骤：
a.通过机械加工的方法在第一介质基板上加工出多个半球形凹槽结构；
b.在所述多个半球形凹槽结构内分别放入球形颗粒状的介电材料；
c.在第二介质基板加工出与第一介质基板对称的多个半球形凹槽结构，并将第二介质基板层叠在第一介质基板上，使球形颗粒状的介电材料处于对称设置的多个半球形凹槽结构形成的球形空穴之中；
d.重复步骤a、b、c，将多个介质基板依次层叠，得到各向同性的全介电超材料。
更好地，所述a步骤还包括：控制所述多个半球形凹槽结构具有预定的排布规律。
更好地，所述a步骤还包括：控制所述多个半球形凹槽结构具有不同的大小。
更好地，所述b步骤还包括：控制在各个半球形凹槽结构内放入的球形颗粒状的介电材料不同。
更好地，所述介电材料为陶瓷材料。
更好地，所述介质基板为特氟龙材料。
根据本发明制备方法制得的各向同性的全介电超材料具有损耗低，易于实现各向同性和应用于红外光频段的优点。并且，本发明加工制造方便，通过控制球形状介电材料的大小、排布规律和选择合适的材料等，可以对超材料各个基板单元的电磁特性能实现精确控制，具有灵活的电磁特性设计途径。
【附图说明】
图1，实施例1中介质基板的结构示意图。
图2，实施例1中超材料的制备示意图。
图3，实施例2中超材料的制备示意图。
图4，实施例3中超材料的制备示意图。
【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
一种各向同性的全介电超材料，包括多个层叠的介质基板，介质基板的结构示意图参看附图1，介质基板1上设置有多个半球形凹槽2，在超材料中，相邻的两个介质基板1上的半球形凹槽对称设置形成多个球形空穴，球形空穴内填充有球形颗粒状的介电材料3，超材料的制备示意图参看附图2。本实施例中，各个球形空穴具有相同的大小，球形颗粒状的介电材料3也选择同一的陶瓷微球颗粒，介质基板1采用玻璃纤维环氧树脂基板。附图1和附图2中的半球形凹槽2均为放大后的示意图，其个数不代表实际的数量。
本实施例各向同性的全介电超材料的制备方法包括以下步骤：
a.通过机械加工的方法在第一介质基板上加工出多个半球形凹槽结构，具体实施时可以采用数控机床进行加工，加工出来的半球形凹槽结构的尺寸范围在毫米量级；
b.在多个半球形凹槽结构内分别放入陶瓷微球颗粒；
c.在第二介质基板加工出与第一介质基板对称的多个半球形凹槽结构，并将第二介质基板层叠在第一介质基板上，使球形颗粒状的介电材料处于对称设置的多个半球形凹槽结构形成的球形空穴之中；
d.重复步骤a、b、c，将多个介质基板依次层叠，由于陶瓷微球颗粒为球形结构，在将多个介质基板依次层叠后，相当于在介质基板的内部形成了具有三维结构的球形微结构，其球形结构保证了微结构的各向同性的特性，而同时，微结构和介质基板均属于介电材料，从而得到各向同性的全介电超材料。
根据本发明制备方法制得的各向同性的全介电超材料具有损耗低，易于实现各向同性和应用于红外光频段的优点，为在介质基体材料中制备三维结构的微结构提供了一种途径和方法。
实施例2
一种各向同性的全介电超材料，包括多个层叠的介质基板，介质基板1上设置有多个半球形凹槽2，在超材料中，相邻的两个介质基板1上的半球形凹槽对称设置形成多个球形空穴，球形空穴内填充有陶瓷微球颗粒3，多层介质基板层叠后，形成的多层球形空穴，本实施例中各层球形空穴中的陶瓷微球颗粒呈大小交替重复，超材料的制备示意图参看附图3。附图3中的半球形凹槽2为放大后的示意图，其个数不代表实际的数量。
本实施例各向同性的全介电超材料的制备方法包括以下步骤：
a.通过机械加工的方法在第一介质基板上加工出多个半球形凹槽结构，具体实施时可以采用数控机床进行加工，加工出来的半球形凹槽结构的尺寸范围在毫米量级；
b.在多个半球形凹槽结构内分别放入陶瓷微球颗粒；
c.在第二介质基板加工出与第一介质基板对称的多个半球形凹槽结构，并将第二介质基板层叠在第一介质基板上，使球形颗粒状的介电材料处于对称设置的多个半球形凹槽结构形成的球形空穴之中；
d.重复步骤a、b、c，将多个介质基板依次层叠，并使各层球形空穴中的陶瓷微球颗粒呈大小交替重复，由于陶瓷微球颗粒为球形结构，在将多个介质基板依次层叠后，相当于在介质基板的内部形成了具有三维结构的球形微结构，其球形结构保证了微结构的各向同性的特性，而同时，微结构和介质基板均属于介电材料，从而得到各向同性的全介电超材料。
本实施例中，各层球形空穴中的陶瓷微球颗粒呈大小交替重复，可以实现负介电常数和负磁导率，其原理是：由于陶瓷微球颗粒的介电常数远大于介质基板，波长和陶瓷微球颗粒的尺寸相近的电磁波可以在球内产生米共振，大量同一尺寸的陶瓷微球颗粒可以加强这种共振，而两种不同尺寸的陶瓷微球颗粒，可以分别提供有效负介电常数和有效负磁导率。
根据本发明制备方法制得的各向同性的全介电超材料具有损耗低，易于实现各向同性和应用于红外光频段的优点，为在介质基体材料中制备三维结构的微结构提供了一种途径和方法。
实施例3
一种各向同性的全介电超材料，包括多个层叠的介质基板，介质基板上设置有多个半球形凹槽，在超材料中，相邻的两个介质基板1上的半球形凹槽对称设置形成多个球形空穴，球形空穴内填充有陶瓷微球颗粒3，超材料的制备示意图参看附图4。本实施例中，各个球形空穴具有非均匀的大小，陶瓷微球颗粒3的大小由周边向中间逐渐增大，介质基板1采用特氟龙材料。图4中的半球形凹槽2以及陶瓷微球颗粒3为放大后的示意图，其个数不代表实际的数量。
本实施例各向同性的全介电超材料的制备方法包括以下步骤：
a.通过机械加工的方法在第一介质基板上加工出多个半球形凹槽结构，具体实施时可以采用数控机床进行加工，加工出来的半球形凹槽结构的尺寸范围在毫米量级，加工时，精确控制半球形凹槽结构的直径，使其直径大小由周边向中间逐渐增大；
b.在多个半球形凹槽结构内分别放入陶瓷微球颗粒，陶瓷微球颗粒；
c.在第二介质基板加工出与第一介质基板对称的多个半球形凹槽结构，并将第二介质基板层叠在第一介质基板上，使球形颗粒状的介电材料处于对称设置的多个半球形凹槽结构形成的球形空穴之中；
d.重复步骤a、b、c，将多个介质基板依次层叠，由于陶瓷微球颗粒为球形结构，在将多个介质基板依次层叠后，相当于在介质基板的内部形成了具有三维结构的球形微结构，其球形结构保证了微结构的各向同性的特性，而同时，微结构和介质基板均属于介电材料，从而得到各向同性的全介电超材料。
具体实施时，本实施例中陶瓷微球颗粒可以选择不同的材料，以进一步实现对超材料各个基板单元的电磁参数如介电常数的精确控制。
根据本发明制备方法制得的各向同性的全介电超材料具有损耗低，易于实现各向同性和应用于红外光频段的优点。并且，本发明加工制造方便，通过控制球形状介电材料的大小、排布规律和选择合适的材料等，可以对超材料各个基板单元的电磁特性能实现精确控制，具有灵活的电磁特性设计途径。
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)

1.一种各向同性的全介电超材料，包括多个层叠的介质基板，其特征在于：所述介质基板上设置有多个半球形凹槽，相邻的两个介质基板上的半球形凹槽对称设置形成多个球形空穴，所述球形空穴内填充有球形颗粒状的介电材料。
2.根据权利要求1所述的各向同性的全介电超材料，其特征在于：所述介电材料为具有球形结构的陶瓷微球颗粒。
3.根据权利要求1或2所述的各向同性的全介电超材料，其特征在于：所述多个球形空穴的大小不同。
4.根据权利要求3所述的各向同性的全介电超材料，其特征在于：所述介质基板为特氟龙材料。
5.一种各向同性的全介电超材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
a.通过机械加工的方法在第一介质基板上加工出多个半球形凹槽结构；
b.在所述多个半球形凹槽结构内分别放入球形颗粒状的介电材料；
c.在第二介质基板加工出与第一介质基板对称的多个半球形凹槽结构，并将第二介质基板层叠在第一介质基板上，使球形颗粒状的介电材料处于对称设置的多个半球形凹槽结构形成的球形空穴之中；
d.重复步骤a、b、c，将多个介质基板依次层叠，得到各向同性的全介电超材料。
6.根据权利要求5所述的全介电超材料的制备方法，其特征在于，所述a步骤还包括：控制所述多个半球形凹槽结构具有预定的排布规律。
7.根据权利要求5所述的全介电超材料的制备方法，其特征在于，所述a步骤还包括：控制所述多个半球形凹槽结构具有不同的大小。
8.根据权利要求5所述的全介电超材料的制备方法，其特征在于，所述b步骤还包括：控制在各个半球形凹槽结构内放入的球形颗粒状的介电材料不同。
9.根据权利要求5所述的全介电超材料的制备方法，其特征在于，所述介电材料为陶瓷材料。
10.根据权利要求5所述的全介电超材料的制备方法，其特征在于，所述介质基板为特氟龙材料。
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