CN102544740B - 一种基于工作频率可调的超材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于工作频率可调的超材料及其制备方法，所述的制备方法包括以下步骤：在基材上加工出凹槽阵列，在每个凹槽内壁加工有连通外部的微孔；将两片基材相对粘合，使凹槽对合而成为中空腔体，将液晶通过微孔注入到中空腔体内，获得超材料。由于液晶的介电常数随着外部的温度或电场改变而改变，使得超材料的工作频率可以在较大范围内选择，实现一定频率范围内的可调谐性；该超材料可以作为微波及射频段的聚焦透镜、谐振腔等。
Description
【技术领域】
本发明涉及超材料领域，尤其涉及一种基于工作频率可调的超材料及其制备方法。
【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，从而或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。
目前超材料的微结构多为金属盒介电材料，制备和加工程序复杂并且调谐功能较差。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题是：提供一种微结构为液晶材料的工作频率可调的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，一种基于工作频率可调的超材料的制备方法，其特征在于：所述的制备方法包括以下步骤：
在基材上加工出凹槽阵列；
在每个凹槽内壁加工有连通外部的微孔；
将两片基材相对粘合，使凹槽对合而成为中空腔体；
将液晶通过微孔注入到中空腔体内，获得二维超材料。
所述的步骤还包括用树脂密封住微孔。
所述的步骤还包括将多层二维超材料用机械法固定，制备成三维超材料。
进一步改进，所述加工凹槽的直径根据实际所需的超材料的主要工作频率来进行设计而决定。
所述在基材上加工出凹槽阵列之前，还包括选择所需的基材，并对该基材进行清洁。
所述在基材上加工出凹槽阵列和微孔的方法为刻蚀法。
所述的机械法为：在每层二维超材料的边缘打孔对齐固定，获得三维超材料。
所述的液晶为高介电常数的液晶。
所述的基材的材质采用的是热塑性低介电常数的高分子材料。
所述的腔体为球形、椭球形、立方体、长方体、圆柱体或任意所需的形状。
一种基于工作频率可调的超材料，其特征在于：包括以上方法制备的超材料。
原理为：由于微结构为液晶材料，而液晶的介电常数对温度和电场都较为敏感，当外部的温度或电场发生改变时，液晶的介电常数也随之发生改变，使得超材料的工作频率范围变宽了，拓展了该超材料的应用范围。
本发明的有益效果是，超材料的微结构为高介电常数的液晶材料，由于液晶的介电常数随着外部的温度或电场改变而改变，使得超材料的工作频率可以在较大范围内选择，实现一定频率范围内的可调谐性；该超材料可以作为微波及射频段的聚焦透镜、谐振腔等。
【附图说明】
图1为本发明基材示意图。
图2为本发明二维超材料示意图。
图3为本发明三维超材料示意图。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种基于工作频率可调的超材料的制备方法，所述的制备方法包括以下步骤：
S1：清洁并干燥所选基材1，所述的基材材质采用的是热塑性低介电常数的高分子材料，如ABS；
S2：在基材上刻蚀出凹槽2阵列，同时在每个凹槽内壁刻蚀出连通外部的微孔3，如图1所示，凹槽2的直径由实际所需的超材料的主要工作频率来进行设计而决定；
S3：将刻蚀有凹槽2阵列的两片基材1相对粘合，使凹槽对合而成为微结构腔体4，所述的腔体为球形、椭球型、立方体、长方体、圆柱体或任意所需的形状；
S4：将高介电常数的液晶通过微孔注入到微结构腔体4内，并用树脂密封住微孔3，获得二维超材料，如图2所示；
S5：将多层二维超材料用机械法固定，在每层二维超材料的边缘打孔对齐固定，获得三维超材料，如图3所示。
原理为：由于微结构为液晶材料，而液晶的介电常数对温度和电场都较为敏感，当外部的温度或电场发生改变时，液晶的介电常数也随之发生改变，使得超材料的工作频率范围变宽了，拓展了该超材料的应用范围；该超材料可以作为微波及射频段的聚焦透镜、谐振腔等。
实施例一：
S1：清洁并干燥所选基材；
S2：在基材上刻蚀出直径为3mm的半球形凹槽阵列，同时在每个凹槽内壁刻蚀出连通外部的微孔；
S3：将刻蚀有凹槽阵列的两片基材相对粘合，使凹槽对合而成为中空球形腔体；
S4：将高介电常数的液晶通过微孔注入到中空球形腔体内，并用树脂密封住微孔，获得二维超材料。
其中，由于微结构为液晶材料，而液晶的介电常数对温度和电场都较为敏感，当外部的温度或电场发生改变时，液晶的介电常数也随之发生改变，使得超材料的工作频率范围变宽，拓展了该超材料的应用范围；当基材为长方体时，可以作为微波超透镜。
实施例二：
S1：清洁并干燥所选基材；
S2：在基材上刻蚀出直径为3mm的半球形凹槽阵列，同时在每个凹槽内壁刻蚀出连通外部的微孔；
S3：将刻蚀有凹槽阵列的两片基材相对粘合，使凹槽对合而成为中空球形腔体；
S4：将高介电常数的液晶通过微孔注入到中空球形腔体内，并用树脂密封住微孔，获得二维超材料。
S5：将多层二维超材料用机械法固定，在每层二维超材料的边缘打孔对齐固定，获得三维超材料。
实施例二相对于实施例一，将多个二维超材料固定制成三维超材料，拓展了超材料的应用范围。
实施例三：
S1：清洁并干燥所选基材；
S2：在基材上刻蚀出直径为5mm的半球形凹槽阵列，同时在每个凹槽内壁刻蚀出连通外部的微孔；
S3：将刻蚀有凹槽阵列的两片基材相对粘合，使凹槽对合而成为中空球形腔体；
S4：将高介电常数的液晶通过微孔注入到中空球形腔体内，并用树脂密封住微孔，获得二维超材料。
S5：将多层二维超材料用机械法固定，在每层二维超材料的边缘打孔对齐固定，获得三维超材料。
实施例三相对于实施例二不同点在于：刻蚀出的凹槽的直径比实施例二中的凹槽直径要大，本实施例中制成的超材料的工作频率增多和增宽了；当凹槽的直径增大时，超材料的工作频率也会相应的增多、增宽。
应当理解，凹槽可以根据实际应用情况刻蚀出所需的形状，如椭球形、立方体等，由于液晶为液态，可以很方便的得到各种所需的形状和体积，同时基材的形状也可以是环形圆柱状或其它所需的形状，使制得的超材料的应用范围更广。
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和润饰，均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于工作频率可调的超材料的制备方法，其特征在于：所述的制备方法包括以下步骤：
在基材上加工出凹槽阵列；
在每个凹槽内壁加工有连通外部的微孔；
将两片基材相对粘合，使凹槽对合而成为中空腔体；
将液晶通过微孔注入到中空腔体内，获得二维超材料，所述凹槽阵列内的液晶材料构成超材料的微结构。
2.根据权利要求1所述的基于工作频率可调的超材料的制备方法，其特征在于：所述的步骤还包括用树脂密封住微孔。
3.根据权利要求2所述的基于工作频率可调的超材料的制备方法，其特征在于：所述的步骤还包括将多层二维超材料用机械法固定，制备成三维超材料。
4.根据权利要求1所述的基于工作频率可调的超材料的制备方法，其特征在于：所述在基材上加工出凹槽阵列之前，还包括选择所需的基材，并对该基材进行清洁。
5.根据权利要求1或4所述的基于工作频率可调的超材料的制备方法，其特征在于：所述在基材上加工出凹槽阵列和微孔的方法为刻蚀法。
6.根据权利要求3所述的基于工作频率可调的超材料的制备方法，其特征在于：所述的机械法为：在每层二维超材料的边缘打孔对齐固定，获得三维超材料。
7.根据权利要求1所述的基于工作频率可调的超材料的制备方法，其特征在于：所述的液晶为高介电常数的液晶。
8.根据权利要求1或4所述的基于工作频率可调的超材料的制备方法，其特征在于：所述的基材的材质采用的是热塑性低介电常数的高分子材料。
9.根据权利要求1所述的基于工作频率可调的超材料的制备方法，其特征在于：所述的腔体为球形、椭球形、立方体、长方体、圆柱体或任意所需的形状。
10.一种基于工作频率可调的超材料，其特征在于：包括权利要求1-9任意一项所述的方法制备的超材料。
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