CN102544747B - 一种超材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了一种超材料的制备方法，该方法包括：将介电材料和铁氧体材料按预设比例混合成磁电材料；用压模法将所述磁电材料制成陶瓷微球；将所述陶瓷微球内嵌到预置的基材中，获得超材料。本发明通过在基材中填充磁电材料陶瓷微球制备超材料，能够使介电常数和磁导率的共振落在同一频率区间，从而实现负折射率。
Description
【技术领域】
本发明涉及超材料技术领域，尤其涉及一种超材料的制备方法。
【背景技术】
目前常用的材料是建立在对天然材料原有性质的改进和提高上，但随着材料设计和制备水平的不断提高，对天然材料各种性质和功能的进一步改进的空间越来越小。基于这种现状，一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的复合材料产生，例如超材料。人们可以通过对材料各种层次的结构和关键物理尺度进行调制从而实现各种物理特性，获得自然界中在该层次或尺度上有序、无序、或者无结构的材料所不具备的物理性质。超材料的微结构主要是金属谐振环，但是由于导电损耗不适用于红外及光频段。
现有技术中，以高介电材料或者磁电材料作为微结构制备超材料，但是单一的高介电材料或者高磁导率材料，大多只能提供负的有效介电常数或者负的有效磁导率，由于介电常数或者磁导率的单一性的限制而不能较为自由地实现负折射率。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题是提供一种超材料的制备方法，能够使介电常数和磁导率的共振落在同一频率区间，从而实现负折射率。
为解决上述技术问题，本发明一实施例提供了一种超材料的制备方法，该方法包括：
将介电材料和铁氧体材料按预设比例混合成磁电材料；
用压模法将所述磁电材料制成陶瓷微球；
将所述陶瓷微球内嵌到预置的基材中，获得超材料；
其中，介电材料和铁氧体材料的比例可以依据复合介质的有效电磁参数对数计算公式(1)和(2)得到：
lnε=v1lnε1+v2lnε2 (1)
lnμ=v1lnμ1+v2lnμ2 (2)
其中，ε、μ为混合磁电材料的介电常数和磁导率，ε1、μ1为介电材料的介电常数和磁导率，ε2、μ1为铁氧体的介电常数和磁导率，v1、v2为介电材料和铁氧体的体积比，且v1+v2=1。
与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：将介电材料和铁氧体材料混合成磁电材料，内嵌在基材中，同时可以提供负的有效介电常数或者负的有效磁导率，并且可以使介电常数和磁导率的共振落在同一频率的区间，从而实现负的折射率。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例提供的超材料的制备状态图；
图2是本发明实施例一提供的一种超材料的制备方法流程图；
图3是本发明实施例二提供的一种超材料的制备方法流程图。
【具体实施方式】
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
首先，为了本领域的技术人员能够更清楚的了解本发明的技术方案，下面结合图1对本发明的技术方案进行简要介绍。
参见图1，为本发明实施例提供的超材料的制备状态图，包括：
在第一基板和第二基板上成型出预设阵列的半球形凹槽后的状态图如11所示；在第一基板的半球形凹槽中填充陶瓷微球后的状态图如12所示；在第二基板的半球形凹槽中填充陶瓷微球后的状态图如13所示；将第二基板与第一基板进行拼接，使陶瓷微球内嵌到第一基板与第二基板拼接所得的球形空腔中，获得以陶瓷微球为微结构的超材料后的状态图如14所示。
以上可以看出，本发明实施例制备的超材料以第一基板与第二基板为基材，在基材中嵌入了磁电材料制备的陶瓷微球，由于磁电材料的介电常数与基材的介电常数不同，因此磁电材料可以看作在基材上形成的微结构。由于磁电材料同时可以提供负的有效介电常数或者负的有效磁导率，并且可以使介电常数和磁导率的共振落在同一频率的区间，从而实现负的折射率。
实施例一、
参见图2，是本发明实施例一提供的一种超材料的制备方法流程图，该制备方法包括：
S21：将介电材料和铁氧体材料按预设比例混合成磁电材料。具体介电材料和铁氧体材料的比例可以依据复合介质的有效电磁参数对数计算公式(1)和(2)得到：
lnε=v1lnε1+v2lnε2 (1)
lnμ=v1lnμ1+v2lnμ2 (2)
其中ε、μ为混合磁电材料的介电常数和磁导率，ε1、μ1为介电材料的介电常数和磁导率，ε2、μ1为铁氧体的介电常数和磁导率，v1、v2为介电材料和铁氧体的体积比且v1+v2=1。
例如，基板材料的介电常数为2.8，磁导率为1，即介电常数：磁导率为2.8:1，那么磁电材料的介电常数：磁导率也必须为2.8:1。
其中，介电材料为介电常数大于预设值的材料，如钛酸锶钡和氧化镁的混合物；铁氧体材料为磁导率大于预设值的材料，如三氧化二铁与一种或几种其他金属氧化物（氧化镍、氧化锌、氧化锰、氧化镁、氧化钡、氧化锶、等）配制烧结而成的材料、钇铁石榴石、以及软磁铁氧体材料。
S22：用压模法将磁电材料经过压模和高温烧结后制成陶瓷微球。
S23：在第一基板上成型出预设阵列的半球形凹槽。
具体的，可采用数控机床或者电火花机床加工。第一基板的材质为铁氟龙或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料。
S24：在第一基板的半球形凹槽中填充陶瓷微球料，陶瓷微球的直径与所填充的半球形凹槽的直径相同。
其中，各球形介电材料的直径为毫米量级。
S25：在第二基板上成型出与第一基板相同的半球形凹槽。
其中，第二基板与第一基板的材料种类相同或者不同，在具体的实施过程中，根据所需的复合材料性质进行选择。
S26：将第二基板与第一基板进行拼接，使陶瓷微球内嵌到第一基板与第二基板拼接所得基材的球形空腔中，获得超材料。
本实施例中，通过在第一基板和第二基板上分别成型出预设阵列的半球型凹槽，当第一基板和第二基板进行拼接时可获得球形空腔，将直径与所填充空腔直径相同的磁电材料陶瓷微球内嵌到球形空腔中，从而得到以球形空腔形状为微结构的超材料。由于磁电材料同时可以提供负的有效介电常数或者负的有效磁导率，并且可以使介电常数和磁导率的共振落在同一频率的区间，从而实现负的折射率。
实施例二、
参见图3，是本发明实施例二提供的一种超材料的制备方法流程图，该制备方法包括：
本实施例S31至S36与实施例一中的S21至S26相同，此处不再赘述，在实施例一的基础上，本实施例还包括：
S37：将至少两个拼接后的第一基板和第二基板进行叠层，获得以陶瓷微球为微结构的三维结构的复合材料。
具体的，可采用粘结剂将至少两个拼接后的第一基板和第二基板进行叠层，获得以陶瓷微球为微结构的三维结构的复合材料。
其中，陶瓷微球的介电常数大于第二基板材料的介电常数。
本实施例中，第一基板与第二基板拼接所得的球形空腔中全部填充陶瓷微球。
以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种超材料的制备方法，其特征在于，包括：
将介电材料和铁氧体材料按预设比例混合成磁电材料；
用压模法将所述磁电材料制成陶瓷微球；
将所述陶瓷微球内嵌到预置的基材中，获得超材料；
其中，介电材料和铁氧体材料的比例可以依据复合介质的有效电磁参数对数计算公式(1)和(2)得到：
lnε=v1lnε1十v2lnε2 (1)
lnμ＝v1lnμ1+v2lnμ2 (2)
其中，ε、μ为混合磁电材料的介电常数和磁导率，ε1、μ1为介电材料的介电常数和磁导率，ε2、μ2为铁氧体的介电常数和磁导率，v1、v2为介电材料和铁氧体的体积比，且v1+v2=1。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，将所述陶瓷微球内嵌到预置的基材中之前，还包括：
在第一基板上成型出预设阵列的半球形凹槽，该半球形凹槽的直径与所述陶瓷微球的直径相同；
在第二基板上成型出与第一基板相同的半球形凹槽，获得所述基材。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述将所述陶瓷微球内嵌到预置的基材中，具体包括：
将第二基板与第一基板进行拼接，使球形磁电材料内嵌到第一基板与第二基板拼接所得基材的球形空腔中。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，第一基板和第二基板为有机材料或者复合材料。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，第一基板和第二基板的材料为铁氟龙或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，第一基板与第二基板的材料种类相同或者不同。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述陶瓷微球的大小为毫米量级。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，各陶瓷微球的直径大小相同。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特这个在于，所述铁氧体材料为三氧化二铁与至少一种金属氧化物配制烧结而成的材料。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述方法还包括：
对至少两个所述超材料进行叠层，获得三维结构超材料。
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