CN102570048A - 具有三维微结构的超材料及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有三维微结构的超材料以及制造方法。所述方法包括以下步骤：在第一基板平面上形成与所述第一基板平面垂直的第一微结构阵列；通过在第一基板平面上布置基板材料以形成基板，所述基板材料把所述第一微结构阵列封装在所述基板内部；在所述第一基板平面和与所述第一基板平面的平行的第二基板平面上形成第二微结构阵列。根据本发明的方法制造得到的具有三维微结构的超材料，克服了传统的二维微结构超材料只能响应特定方向的电磁波的局限，能够从任意的方向对电磁波进行响应，极大地改善了超材料的性能，可广泛地应用在航空航天、机械、物理、化学、电绝缘以及军事等领域。

Description

具有三维微结构的超材料及其制造方法

【技术领域】

本发明涉及超材料领域，尤其涉及一种具有三维微结构的超材料及其制造方法。

【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。超材料一般由金属微结构在介质材料表面阵列排列而成，通过调节微结构的设计和排列规律，来实现材料整体对电场或磁场形成特殊响应，如汇聚、发散、偏折等效应。

在微波射频波段(波长在厘米至毫米量级)，超材料的微结构一般在平行于板平面内，通过蚀刻的方法形成；或者是由多个表面负载有微结构的平面介电材料层压叠加形成。这种结构对于在垂直于板平面方向上的电磁场有很好的响应，但是电磁波传输方向偏离，会给超材料的性能带来很大的影响。

因此，需要一种超材料结构，从任意一个方向，对于电磁波都有较强的响应。

【发明内容】

本发明提供一种具有三维微结构的超材料以及制造方法，这种具有三维微结构的超材料克服了传统的二维微结构超材料只能响应特定方向的电磁波的局限，能够从任意的方向对电磁波进行响应，极大地改善了超材料的性能。

本发明实现发明目的采用的技术方案是，一种具有三维微结构的超材料的制造方法，包括以下步骤：在第一基板平面上，以接触方式设置有与所述第一基板平面垂直的第一微结构阵列；通过在第一基板平面上布置基板材料以形成基板，所述基板材料把所述第一微结构阵列封装在所述基板内部；

在所述基板的所述第一基板平面上和与所述第一基板平面的平行的第二基板平面上形成第二微结构阵列。

优选地，所述第一微结构阵列中的每个第一微结构，具有分别在第一方向和第二方向上延伸的部分，所述第一方向和所述第二方向在空间上垂直相交。

优选地，所述形成第二微结构阵列的步骤进一步包括，在所述第一基本表面和所述第二基板表面上分别沉积一层导电膜并对该导电膜进行处理以得到所述第二微结构阵列。

优选地，所述导电膜是金属膜。

优选地，对所述导电膜进行处理以得到所述第二微结构阵列。

优选地，所述处理包括蚀刻、光刻、离子刻、电子刻、3D激光塑形、机械精加工或者烧蚀。

优选地，所述第一微结构阵列的形成采用冲模或者注模的工艺。

优选地，所述基板材料是陶瓷或者高分子材料。

根据本发明的另一个方面，本发明提供了一种具有三维微结构的超材料，包括：第一基板平面，所述第一基板平面上附着有与其垂直的第一微结构阵列，且所述第一基板平面上形成有第二微结构阵列；第二基板平面，所述第二基板平面上形成有第二微结构阵列；其中，所述第一微结构阵列密封于所述第一基板平面和所述第二基板平面之间。

优选地，所述第一基板平面和所述第二基板平面之间的密封材料是陶瓷或者高分子材料。

本发明的有益效果是，根据本发明的制造方法，能够制造一种在三维空间内均有微结构单元的超材料，该具有三维微结构的超材料在任意方向对电磁波均有较强的响应，极大地改善了超材料的性能，可广泛地应用在航空航天、机械、物理、化学、电绝缘以及军事等领域。

【附图说明】

图1a-图1d是制造根据本发明的具有三维微结构的超材料的过程示意图。

【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。在详细解释本发明的任何实施例之前，应当理解本发明在其应用方面不限定于在以下说明中提出的或者以下附图中示出的构造的细节和部件的布置。本发明还可以有其他实施例并且还能够以各种方式被实施或者实现。同样地，应当理解这里使用的措辞和术语旨在说明并且不应被看作限定

图1a-图1d示出了制造具有三维微结构的超材料的过程。

如图1a所示，平面110是超材料基板成品的一个底平面，下文称作第一基板平面110。具有三维微结构的超材料是以第一基板平面110为基础构造起来的。一般地，可以通过向该平面浇注基板材料而形成基板。

传统的制造工艺，仅仅是在第一基板平面110以及与其相对且相平行的另一个基板平面上布置导电薄膜并且对该导电膜进行蚀刻或者烧蚀而得到微结构。这样得到超材料在与第一基板平面110相垂直的方向上具有良好的电磁响应性能。

在根据本发明的一个实施例中，首先，在第一基板平面110上，垂直向上地形成第一微结构阵列120。第一微结构阵列120可通过冲模或注模的方式形成。该过程完成之后，第一微结构阵列120以附着的方式垂直地竖立在第一基板平面110上。

根据本发明的另一个实施例，第一微结构阵列120中的每个第一微结构进一步包括两个部分。其中第一部分垂直地竖立在第一基板平面110上。该部分使得超材料在与第一部分垂直的方向上具有良好的电磁响应特性。第一部分一端与第一基板平面110相接触，而另一端则与第二部分垂直接触。并且，第二部分与第一基板平面110异面垂直。这样的设置，使得第二部分在与其垂直的方向上具有良好的电磁响应特性。

至此，根据本发明的第一微结构阵列的布置使得超材料具有多方向的电磁响应特性。

第一微结构阵列可以由金属材料制成，或者由其它导电材料制成。按照这种方式形成的第一微结构阵列，使得超材料成品至少可以在与第一基板平面110相平行的方向上具有良好的电磁响应性能。

在形成第一微结构阵列120以后，如图1b所示，向第一基板平面110上注入基板材料以形成长方体状基板130，以将第一微结构阵列120全部封装在基板130内。该基板材料可以是陶瓷材料，也可以是高分子材料。需要注意的是，在封装的过程中，所有的第一微结构阵列120都必须被封装在基板130内，以使得其性能更可靠更持久。

之后，在基板130的上表面和下表面，即第一基板平面110和第二基板平面140上分别沉积一层导电膜，该导电膜可以是金属膜，比如铜、银、金等金属。该过程由图1c示出。

最后，通过蚀刻、烧蚀等方法对该导电膜进行处理，以第一基板平面110和第二基板平面140上分别形成第二微结构阵列160和170。

至此，通过上述方法和过程，得到了具有三维微结构的超材料。该超材料由于具有三维微结构，从而在空间上具有多方向的优良的电磁响应特性。

需要理解的是，不需要一定在如附图所示的方向上设置第一与第二微结构阵列，可以根据实际需要灵活地设置第一微结构阵列和第二微结构阵列的每个部分的方向和数量，使其在所需的方向上具有良好的电磁响应特性。

本实施方式如上所述地被公开，虽然使用了专用的术语，但它们应被解释为一般的并只用于描述定义且目的不在于限制。因此，本领域的技术人员应该可以理解，在不脱离本发明技术方案的主旨的范围内可进行各种形式与细节上的变更。

Claims (10)

1.一种具有三维微结构的超材料的制造方法，包括以下步骤：

在第一基板平面上，以接触方式设置有与所述第一基板平面垂直的第一微结构阵列；

通过在所述第一基板平面上布置基板材料以形成基板，所述基板材料把所述第一微结构阵列封装在所述基板内部；

在所述第一基板平面上和与所述第一基板平面的平行的第二基板平面上形成第二微结构阵列。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述形成第二微结构阵列的步骤进一步包括，在所述第一基板表面和所述第二基板表面上分别沉积一层导电膜并对该导电膜进行处理以得到所述第二微结构阵列。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述导电膜是金属膜。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对所述导电膜进行处理以得到所述第二微结构阵列。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述处理包括蚀刻、光刻、离子刻、电子刻、3D激光塑形、机械精加工或者烧蚀。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用冲模或者注模的工艺形成所述第一微结构阵列。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基板材料是陶瓷或者高分子材料。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一微结构阵列中的每个第一微结构，具有分别在第一方向和第二方向上延伸的部分，所述第一方向和所述第二方向在空间上垂直相交。

9.一种具有三维微结构的超材料，包括基板，所述基板具有第一基板平面和第二基板平面，其特征在于，所述第一基板平面上附着有与其垂直的第一微结构阵列，且所述第一基板平面上和所述第二基板平面上均形成有第二微结构阵列，其中，所述第一微结构阵列封装于所述第一基板平面和所述第二基板平面之间的基板材料中。

10.根据权利要求9所述的超材料，其特征在于，所述第一微结构阵列中的每个第一微结构，具有分别在第一方向和第二方向上延伸的部分，所述第一方向和所述第二方向在空间上垂直相交。

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