CN102683871A - 一种折叠超材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种折叠式超材料，包括所述的第一超材料片块第一侧边与第二超材料片块一侧相连接，第一超材料的第一侧边相对的另一侧边与第三超材料片块一侧相连接，第一超材料第二侧边及其相对的另一边均具有突出部，第一超材料第二侧边通过所述的突出部与第四超材料片块相连接，第一超材料的第二侧边的相对的另一侧边通过所述的突出部与第五超材料一侧相连接，所述突出部宽度为第二超材料以及第三超材料宽度之和。本发明的折叠式超材料占用面积小、不占用过多的空间、简单、易于实现、低成本、易于携带和运输。

Description

一种折叠超材料

技术领域

本发明涉及超材料领域，更具体地说，涉及一种折叠超材料。

背景技术

目前，超材料研究正日益应用于人们的生产和生活，所谓超材料，即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″重要的三个重要特征：

(1)“超材料″通常是具有新奇人工结构的复合材料；

(2)“超材料″具有超常的物理性质(往往是自然界的材料中所不具备的)；

(3)“超材料″性质往往不主要决定与构成材料的本征性质，而决定于其中的人工结构。

但超材料在具体的应用中，可能会需要很大的面积的超材料来汇聚或发散电磁波等，但过大面积的超材料给人们的携带和运输带来了不方便，而面积小的超材料往往收不到应用的效果，给人们的生产和生活带来了一定的限制。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对大面积的超材料的便携性能差，小面积的超材料不能满足需要，提供一种面积小、简单、易于实现的易于折叠超材料。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种折叠超材料，包括五个超材料片块，所述的第一超材料片块第一侧边与第二超材料片块一侧相连接，第一超材料的第一侧边相对的另一侧边与第三超材料片块一侧相连接，第一超材料第二侧边及其相对的另一边均具有突出部，第一超材料第二侧边通过所述的突出部与第四超材料片块相连接，第一超材料的第二侧边的相对的另一侧边通过所述的突出部与第五超材料一侧相连接，所述突出部宽度为第二超材料以及第三超材料宽度之和。

在本发明所述的折叠超材料中，所述的超材料片块通过转轴连接，所述转轴包括转筒和转芯，转芯与一超材料片块固定在一起，转筒与另一超材料片块固定在一起，当沿转筒转动转芯时，实现超材料片块折合或展开。

在本发明所述的折叠超材料中，所述的超材料片块通过活动铰连接，所述活动铰一端连接一超材料片块，另一端连接另一超材料片块，当合上/拉开所述的活动铰时，超材料片块沿活动铰实现折叠/开展。

在本发明所述的折叠超材料中，一超材料片块具有固定卡扣，另一超材料片块具有固定卡槽，当所述的固定卡扣扣上/断开所述的固定卡槽时，实现超材料片块的展开/折叠。

在本发明所述的折叠超材料中，所述超材料片块由一个以上片状基板堆叠形成，每个片状基板上均附着多个人造微结构，所有人造微结构在空间中形成周期阵列。

在本发明所述的折叠超材料中，所述所有的人造微结构在空间中呈均匀性的周期阵列。

在本发明所述的折叠超材料中，所述片状基板由陶瓷材料、环氧树脂或聚四氟乙烯制得。

在本发明所述的折叠超材料中，所述转轴材质与片状基板的材质相同，其宽度不超过人造微结构所占用基材的宽度。

在本发明所述的折叠超材料中，所述铰连接材质与片状基板的材质相同，其宽度不超过人造微结构所占用基材的宽度。

在本发明所述的折叠超材料中，所述固定卡扣与固定卡槽组合宽度不超过人造微结构所占用基材的宽度。

在本发明所述的折叠超材料中，所述的每个人造微结构为一具有图案的附着在片状基板上的金属微结构，所述图案为“工”字型或“工”字型的衍生型。

在本发明所述的折叠超材料中，所述金属微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在片状基板上。

在本发明所述的折叠超材料中，所述金属微结构为铜微结构、金微结构、银微结构、铝微结构、铁微结构或合金微结构。

实施本发明的折叠超材料，具有以下有益效果：

1.面积小，不占用过多的空间；

2.简单、易于实现、低成本、易于携带和运输。

附图说明

图1是本发明实施例一种折叠超材料结构方框图；

图2是图1连接方式第一结构示意图；

图3是图1连接方式第二结构示意图；

图4是图1连接方式第三结构示意图；

图5为本发明实施例中一个超材料片块的俯视图。

图中各标号对应的名称为：

1/3/5展开的超材料，2/4/6折叠超材料，10基材，20人造微结构，50铰连接，60固定卡扣，70固定卡槽，80转轴，100第一超材料片块，101突出部，200第二超材料片块，300第三超材料，400第四超材料，500第五超材料，801转芯，802转轴。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

请参阅图1，在本发明实例一中，一种折叠超材料，包括：第一超材料100、第二超材料200、第二超材料300、第四超材料400、第五超材料。第一超材料片块100第一侧边与第二超材料片块200一侧相连接，第一超材料100的第一侧边相对的另一侧边与第三超材料片块300一侧相连接，第一超材料100第二侧边及其相对的另一边均具有突出部101，第一超材料第二侧边通过突出部101与第四超材料片块400相连接，第一超材料的第二侧边的相对的另一侧边通过突出部101与第五超材料500一侧相连接，突出部101宽度为第二超材料200以及第三超材料300宽度之和。

图中超材料片块上具有若干人造微结构，用“口”字形代替，表示此处存在人造微结构。超材料伸展的片块上如第二超材料200、第三超材料300、第四超材料400、第五超材料500均可有其它的卡钩，以实现一个一个折叠超材料无限地连接。

实现折叠过程为：先由第二超材料200向第一超材料100折叠，形成折叠第一层，第三超材料300向折叠第一层折叠，实现折叠第二层；第四超材料400向折叠第二层折叠，形成折叠第三层；第五超材料500向折叠第三层折叠，形成折叠第四层。这样层层折叠，则将很大的一块超材料折成砖头大小的超材料了。至于如何实现各折叠部分的连接，请参阅图2、图3、图4，均为取两个超材料片块作举例说明连接方式。

请参阅图2，即：图1连接方式第一结构示意图，包括：第一超材料片块100、第二超材料片块200、转轴80。第一超材料片块100与第二超材料片块200通过转轴80连接，转轴80包括转筒802和转芯801，第一超材料片块100附着在转芯801上，第二超材料片块200附着在转筒802上，当沿转筒40转动转芯801时，实现超材料片块折叠或展开，标号1为展开的超材料，标号2为折叠的超材料。

超材料的电磁参数在空间中的均匀或者非均匀的分布是超材料的重要特征之一。电磁参数在空间中的均匀分布为非均匀分布的一种特殊形式，但其具体特性，仍然是由空间中排列的各个单元结构的特性所决定。因此，通过设计空间中排列的每个结构的特性，就可以设计出整个新型超材料在空间中每一点的电磁特性。这种电磁材料系统将会具有众多奇异特性，对电磁波的传播可以起到特殊的引导作用。

图2中，作为本发明的一个实施例，第一超材料片块100与第二超材料片块200均由基材10以及附着于基材10的若干人造金属微结构20组成的片状基板制成，图1中，多个片状基板堆叠形成第一超材料片块100与第二超材料片块200，每个片状基板上均附着有多个人造微结构20，所有的人造微结构20在空间中形成周期阵列。优选地，所有的人造微结构20在空间中呈均匀性的周期阵列，且人造微结构20为人造金属微结构，以便更有效率地电磁场进行响应。

图2中，第一超材料100与第二超材料片块200实际上是由一个以上的片状基板沿底面垂直的方向堆叠。因此，图2中只能看到其一侧。

在本实施例中，转轴80的宽度不超过超材料的晶格的完度为佳。“晶格”的概念来自固体物理，这里的“晶格”是指在第一超材料片块100/第二超材料片块200中每个人造微结构单元所占用的尺寸，人造微结构单元指是的人造微结构以及所占用的基材面积组成的组合体，“晶格”尺寸取决于金属结构单元需要响应的电磁波频率，通常金属结构单元的尺寸为所需响应的电磁波波长的十分之一，否则空间中由金属结构单元所组成的排列在空间中不能被视为连续。

请参阅图3，即：图1连接方式第二结构示意图，包括：第一超材料片块100、第二超材料片块200以及活动铰50。第一超材料片块100与第二超材料200通过活动铰50连接，活动铰一端连接第一超材料片块100，另一端连接第二超材料片块200，当合上/拉开所述的活动铰50时，第一超材料片块100与第二超材料片块200沿活动铰50实现折叠/开展。展开的超材料如标号3所示，折叠的超材料如标号4所示。

在本实施例中，活动铰可以为活页；也可以为活动链；也可以为软材料，如合成树脂、纤维等，用与基材相同的材质制成并且其宽度不宽于一个晶格为佳。第一超材料100与第二超材料200特性组成与实施例一均相同，不加多述。

请参阅图4，即：图1连接方式第三结构示意图，包括：包括第一超材料100与第二超材料200，其中，第一超材料片块100具有固定卡扣60，第二超材料片块200具有固定卡槽70，当固定卡扣60扣上/断开所述的固定卡槽70时，实现超材料片块的展开/折叠。标号5为展开的超材料，标号6为折叠的超材料。

在本实施例中，固定卡扣60可以为凸块，与凸块相对应，固定卡槽70为凹槽，两者一一对应，折叠的超材料展开时刚好吻合，固定卡扣60也可以为卡钩，固定卡槽70也可以为套槽，折叠的超材料展开时刚好套上，优选地，固定卡扣60与固定卡槽70两者的宽度不宜超过晶格的宽度效果较佳。

请参阅图5，图5为本发明第一超材料片块100以及第二超材料片块200之超材料的俯视图。包括基材10以及附着于基材10上的若干人造微结构20，

超材料是一种以人造微结构20为基本单元并以特定方式进行空间排布、具有特殊电磁响应的新型材料，包括由具有一定图案形状的金属丝构成的人造微结构20和人造微结构所附着的基材10。这两种材料的叠加会在空间中产生一个等效介电常数与磁导率，这两个物理参数分别对应了材料整体的电场响应与磁场响应。超材料对电磁响应的特征是由人造微结构20的特征所决定，而金属结构单元的电磁响应很大程度上取决于其金属丝的图案所具有的拓扑特征和“晶格”尺寸。

若干人工人造微结构20通过可由人工仿真技术实现，即可由人工对具有特定电磁特性的人造微结构进行设计，人造微结构20与所占据的“晶格”中的基材的等效介电常数ε与等效磁导率μ的选择方法为：

第一步，通过计算机仿真和实验测试，对若干不同几何参数的单元结构(包括人造微结构以及介质基板)在一定范围内的电磁特性进行测量，存储测量得到的电磁响应曲线，确定各种不同的单元结构之介电常数以及磁导率并存在于一个数据库中；

第二步，根据具体的应用(如：需要的偏转折射率)确定相应的介电常数以及磁导率；

第三步，根据上述的介电常数以及磁导率从数据库中选择超材料相应点的单元结构。

本发明中，对人造微结构20的具体图案没有要求，因为只要其符合我们最终的调制效果，即可行。如：人造微结构20可为“工”字型，“王”字型等，鉴于此，人造微结构20在超材料空间调制器上的组合是无限的。可以是人造微结构的图案相同，但是其设计尺寸不同；也可以是图案和设计尺寸均不相同。这个根据具体需要会有所不同，无规律可言，都是计算机仿真后的结果，也就是说整个超材料空间调制器中人造微结构的图案、设计尺寸及空间排布都是通过计算机逆向得到的，因为整个超材料空间调制器中人造微结构的数量庞大，因此如果正向设计，是根本无法实现的。

本领域的技术人员应该想到，上述的方法是用软件程序的方法实现的，该软件程序可以存在于硬盘、软盘、U盘以及光盘中。

本发明的所述基材10可以由陶瓷材料、环氧树脂或聚四氟乙烯制得。作为一个实施例，选用聚四氟乙烯来制成基材10。聚四氟乙烯的电绝缘性非常好，因此不会对电磁波的电场产生干扰，并且具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性、使用寿命长，作为人造微结构20附着的基材是很好的选择，作为一个实施例，所述金属微结构为铜微结构、金微结构、银微结构、铝微结构、铁微结构或合金微结构，优选地，铜与银的导电性能好，对电场的响应更加灵敏。

本发明之折叠超材料，具有以下有益技术效果：

1.面积小，不占用过多的空间；

2.简单、易于实现、低成本、易于携带和运输。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (13)

1.一种折叠超材料，包括五个超材料片块，其特征在于，所述的第一超材料片块第一侧边与第二超材料片块一侧相连接，第一超材料的第一侧边相对的另一侧边与第三超材料片块一侧相连接，第一超材料第二侧边及其相对的另一边均具有突出部，第一超材料第二侧边通过所述的突出部与第四超材料片块相连接，第一超材料的第二侧边的相对的另一侧边通过所述的突出部与第五超材料一侧相连接，所述突出部宽度为第二超材料以及第三超材料宽度之和。

2.如权利要求1所述的折叠超材料，其特征在于，所述的超材料片块通过转轴连接，所述转轴包括转筒和转芯，转芯与一超材料片块固定在一起，转筒与另一超材料片块固定在一起，当沿转筒转动转芯时，实现超材料片块折叠或展开。

3.如权利要求1所述的折叠超材料，其特征在于，所述的超材料片块通过活动铰连接，所述活动铰一端连接一超材料片块，另一端连接另一超材料片块，当合上/拉开所述的活动铰时，所述的超材料片块沿所述的活动铰实现折叠/开展。

4.如权利要求1所述的折叠超材料，其特征在于，一超材料片块具有固定卡扣，另一超材料片块具有固定卡槽，当所述的固定卡扣扣上/断开所述的固定卡槽时，实现超材料片块的展开/折叠。

5.根据权利要求1至4任何一项权利要求所述的折叠超材料，其特征在于，所述超材料片块由一个以上片状基板堆叠形成，每个片状基板上均附着多个人造微结构，所有人造微结构在空间中形成周期阵列。

6.根据权利要求5所述的折叠超材料，其特征在于，所述所有的人造微结构在空间中呈均匀性的周期阵列。

7.根据权利要求5所述的折叠超材料，其特征在于，所述片状基板由陶瓷材料、环氧树脂或聚四氟乙烯制得。

8.根据权利要求2所述的折叠超材料，其特征在于，所述转轴材质与片状基板的材质相同，其宽度不超过人造微结构所占用基材的宽度。

9.根据权利要求3所述的折叠超材料，其特征在于，所述铰连接材质与片状基板的材质相同，其宽度不超过人造微结构所占用基材的宽度。

10.根据权利要求4所述的折叠超材料，其特征在于，所述固定卡扣与固定卡槽组合宽度不超过人造微结构所占用基材的宽度。

11.根据权利要求5所述的折叠超材料，其特征在于，所述的每个人造微结构为一具有图案的附着在片状基板上的金属微结构，所述图案为“工”字型或“工”字型的衍生型。

12.根据权利要求5所述的折叠超材料，其特征在于，所述金属微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在片状基板上。

13.根据权利要求11所述的折叠超材料，其特征在于，所述金属微结构为铜微结构、金微结构、银微结构、铝微结构、铁微结构或合金微结构。

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