CN102683876B - 超材料的制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超材料的制备工艺，包括以下步骤：制作一丝网印版，所述丝网印版绷紧于一网框上，所述丝网印版的经丝、纬丝与网框边的夹角小于90°，通过照相制版法在所述丝网印版上形成多个人工微结构图案；将所述丝网印版覆盖于所述基材，在所述丝网印版上涂覆导电油墨，并利用压力使导电油墨通过所述丝网印版的多个图案部分而转移到所述基材上，从而制得超材料。通过该制备工艺可选择多种材料作为超材料的基材，以满足不同超材料电磁特性的需求；不会像蚀刻工艺那样产生大量废液，是一种更环保、更高效的工艺；可以实现大批量生产，且废品率比较低，也能使超材料的总体生产成本大大降低；其工艺简单，易于操作和控制。

Description

超材料的制备工艺

技术领域

本发明涉及超材料领域，更具体地说，涉及一种超材料的制备工艺。

背景技术

超材料是一种新型人工合成材料，具有特殊的电磁响应特性，因而可广泛应用在电磁通信等领域。超材料包括至少一材料片层，每一材料片层包括一平板形的基材和附着在基材上的人造金属微结构，所述基材主要是玻璃纤维环氧树脂固化片，所述人造金属微结构通常为具有一定几何图案如“工”字形、雪花形、开口谐振环等形状的金属丝。

然而，由于现有超材料的制备工艺是借鉴PCB的加工工艺，即先在基材片层表面沉积一层金属箔层，通过曝光制版、显影后，将要蚀刻区域的保护膜去除，在蚀刻时该区域的金属接触化学溶液，被溶解腐蚀，余下的为具有一定几何形状图案的金属线。因此大部分基材的材质只能是主要成分为玻璃纤维的材质，不能使用脆性的基材，如陶瓷等，因而极大地降低了超材料基材的选择性。此外，以玻璃纤维为基材的超材料，其较高的介电常数(ε)和介电损耗正切(Tanδ)会导致电磁波穿过以该基材制造的超材料时发生信号衰减。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种工艺简单、易于操作和控制的超材料的制备工艺。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种超材料的制备工艺，用于在基材上形成多个人工微结构，该方法包括以下步骤：

a.制作一丝网印版，所述丝网印版绷紧于一网框上，所述丝网印版的经丝、纬丝与网框边的夹角小于90°，通过照相制版法在所述丝网印版上形成多个与所述多个人工微结构相同的图案；

b.将所述丝网印版覆盖于所述基材，在所述丝网印版上涂覆导电油墨，并利用压力使导电油墨通过所述丝网印版的多个图案部分而转移到所述基材上，即由导电油墨制成所述多个人工微结构，从而制得超材料。

优选地，所述步骤a包括以下子步骤：

a11.在所述丝网印版上涂布感光胶并经干燥而形成一层感光胶膜；

a12.对所述具有感光胶膜的丝网印版进行曝光、显影，从而在所述丝网印版上形成所述多个与所述多个人工微结构相同的图案。

优选地，所述感光胶的涂布和干燥在黄光环境中进行，干燥温度为35℃-45℃，干燥时间为30分钟以上。

优选地，让装有感光胶的刮斗倾斜地压制于以大角度倾斜放置的丝网印版上来涂布感光胶。

优选地，所述丝网印版的经丝、纬丝与网框边的夹角为15°。

优选地，涂布导电油墨时利用软质刮板来挤压导电油墨。

优选地，所述导电油墨的成分还包括黏合剂，所述黏合剂为选自环氧树脂、醇酸树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、三聚氰胺甲醛树脂、酚醛树脂、氯乙烯-醋酸乙烯共聚树脂中的至少一种。

优选地，所述导电油墨的成分还包括选自溶剂、分散剂、滑爽剂、偶联剂中的至少一种。

优选地，在所述步骤b中，所述多个人工微结构经烘干而固着于所述基材上。

本发明的超材料的制备工艺具有以下有益效果：通过该制备工艺可选择多种材料作为超材料的基材，以满足不同超材料电磁特性的需求；不会像蚀刻工艺那样产生大量废液，是一种更环保、更高效的工艺；可以实现大批量生产，且废品率比较低，也能使超材料的总体生产成本大大降低；其工艺简单，易于操作和控制。

附图说明

下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1是本发明的超材料的制备工艺所要制作的超材料的平面示意图；

图2是本发明的超材料的制备工艺的流程图；

图3是利用本发明的超材料的制备工艺制得的丝网印版的平面示意图；

图4是图3中的一个图案的示意图；

图5是利用本发明的超材料制备工艺来制造超材料时的作业示意图。

图中各标号对应的名称为：

10超材料、12基材、14人工微结构、16超材料单元、20丝网印版、26图案。

具体实施方式

如图1所示，本发明的超材料的制备工艺用于在一基材12上形成多个人工微结构14，以制得超材料10。所述基材12由陶瓷或高分子聚合物等材料制成，而每个人工微结构14为由金属线如铜线或者银线构成的具有一定几何形状的平面或立体结构。若将每个人工微结构14及其所在的基材12部分人为定义为一个超材料单元16，则所述超材料10可看作是由这些超材料单元16阵列排布而成，而这些人工微结构14为周期性地排布于所述基材12上。也即，所述超材料10包括所述基材12和周期性地排列于所述基材12上的多个人工微结构14。一般，每个超材料单元16的几何尺寸与所需响应的电磁波波长有关，如其几何尺寸是电磁波波长的十分之一。

如图2至图5所示，为本发明的超材料的制备工艺的一具体实施方式，该实施方式包括以下步骤：

a.制作一丝网印版20，通过照相制版法在所述丝网印版20上形成多个与所述多个人工微结构14相同的图案26。

b.将所述丝网印版20覆盖于所述基材12，在所述丝网印版20上涂覆导电油墨，并利用压力使导电油墨通过所述丝网印版20的多个图案26部分而转移到所述基材12上，即由导电油墨制成所述多个人工微结构14，从而制得所述超材料10。

具体地，在所述步骤a中，根据所述多个人工微结构14的精度以及制造成本等方面选取用于制作所述丝网印版20的丝网的种类、结构、目数、开度、开孔率等，目前，普遍使用尼龙丝网。所述丝网印版20绷紧于一网框而被拉开，并利用粘网胶将其牢固地黏结在网框上。一般使用的网框有木框、塑料框、金属框等，如由硬质合金铝型材制成的网框。而绷网的方法有手动、机械和气动三种。手动绷网时，应先经后纬，也即先在经线方向拉紧，后在纬线方向拉紧，使丝网达到所需张力。由于所述人工微结构14的几何尺寸较小，所述丝网印版的经丝、纬丝与网框边的夹角为15°时可有效地防止产生龟纹。目前为了提高效率和加工精确，常用气动的方式来绷网。绷好网后，对其进行清洗和脱脂处理，以除去灰尘和油脂等物，有时还要对丝网进行粗化处理，用尼龙毛刷和着磨网胶在丝网的两面反复摩擦，可利于感光胶的涂布。清洗完后，将丝网放入烘箱内并在小于40℃左右的温度下烘干或室温凉干，即可用于涂布感光胶。

在用照相制版法在所述丝网印版20上形成多个与所述多个人工微结构14相同的图案26时：

a11.在所述丝网印版20上涂布感光胶并经干燥而形成一层感光胶膜；

a12.对所述具有感光胶膜的丝网印版20进行曝光、显影，从而在所述丝网印版20上形成所述多个与所述多个人工微结构14相同的图案26。

在所述子步骤a11中，感光胶的涂布可用刮斗法和旋转法。以刮斗(即上胶器)涂布为例，涂布时将所述丝网印版20以80～90度的倾角放置，将配制好的感光胶倒入刮斗中，把刮斗的前端倾斜地压制于所述丝网印版20上并由下而上涂布。当涂布到距网框边1～2cm时，让刮斗接近水平继续涂布，直至感光胶全部涂完，再把网框上下颠倒过来重新涂布一次，然后在低温下干燥，如可在恒温低温带鼓风的烘箱内干燥。为了形成所需厚度的感光胶膜，要在所述丝网印版20上往返涂布多次感光胶，而刮斗在所述丝网印版20每往返涂布一次后均要进行干燥处理，直到出现光泽。第一次干燥应充分，若用热风干燥时应掌握好温度，干燥温度最好为35℃-45℃，干燥时间为30分钟以上，因为温度过高会产生热灰翳。

另外，由于感光胶对光相当敏感，因此，上述涂布和干燥过程均应在光线较暗的环境中进行，有些感光胶甚至需要在无光的环境中进行。本实施例中，是在黄光环境中进行。

在所述子步骤a12中，利用设计输出的具有所述多个人工微结构14的图像的底片对所述丝网印版20进行曝光，让所述感光胶膜上未对应所述底片的图像的部分发生反应而固化、而对应所述底片的图像的部分不发生化学反应。具体的曝光时间等参数可通过事先对由感光胶制成的感光胶膜进行曝光实验而获得，如曝光时间可借助曝光计算尺来测得。曝光完成后，即可对所述丝网印版20进行显影。

具体地，用无压力的水(水温大约为20～30℃)淋湿所述丝网印版20的两面，并持续大约1分钟左右，之后再用高压水冲洗所述丝网印版20，以冲掉所述丝网印版20上未发生反应的感光胶膜部分，从而在所述丝网印版20上形成所述多个与所述多个人工微结构14相同的图案26。用吸水布吸干所述丝网印版20上的水分，将所述丝网印版20放进烘箱(温度为30～40℃)中烘干即可使用。

每个图案26所在的区域有一定的范围，与对应所述图案26的人工微结构14所在的超材料单元16的几何尺寸有关，一般，两者相等。

在所述步骤b中，可将所述基材12事先放置于一工作台面如印刷台上，而将所述丝网印版20覆盖于所述基材12。

一般，对导电油墨要求的特性有导电性、附着力、印刷适性和耐溶剂性等，其成分包括导电性填料、黏合剂和添加剂。导电性填料可为具有良好导电性的金粉、银粉、铜粉或镍粉等，或者为它们的混合物，有时也可用石墨粉、炭黑如导电炭黑粉或碳素纤维等，或者为它们的混合物。黏合剂包括由环氧树脂、醇酸树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、三聚氰胺甲醛树脂、酚醛树脂或氯乙烯-醋酸乙烯共聚树脂制成的胶液，或者为它们的混合物。添加剂包括分散剂、滑爽剂或偶联剂等。此外，导电油墨还可根据需要加入某些溶剂。其中银粉有良好的化学稳定性，导电性能高，而铜粉、镍粉等易氧化，导电性不稳定，需要将它们放入1，2，3-苄基三氮杂茂的溶液中浸渍后才能使用或配合有机磷使用，以提高其导电的稳定性。

涂布导电油墨时，可利用软质刮板来挤压导电油墨。由于所述丝网印版20具有回弹性，在刮板移动的过程中始终与所述丝网印版20和基材12保持线接触，所述丝网印版20的其余部分与所述基材12处于分离状态，这样，导电油墨通过所述丝网印版20的多个图案26部分而转移到所述基材12上，当刮板刮过所述丝网印版20的整个版面后抬起时，所述丝网印版20也离开所述基材12，转移到所述基材12上的导电油墨便与所述丝网印版20发生断裂，在所述基材12上由导电油墨形成所述多个人工微结构14。这时，即可去除所述丝网印版20，从而制得所述超材料10。

对于要形成不同厚度的所述多个人工微结构14来说，由于通过所述丝网印版20的导电油墨的量取决于刮板的硬度、作用力和移动速度以及刮板与所述丝网印版20之间的夹角。一般，刮板与所述丝网印版20的夹角越小，刮板的移动速度越慢，通过的油墨量越大，因此，我们可通过这些参数来控制所述多个人工微结构14的厚度。

另外，所述多个人工微结构14经烘干而固着于所述基材12上。烘干时可用烘箱等烘干设备。

由上可知，相比现有的超材料的制备工艺，本发明的超材料的制备工艺在制造所述人工微结构14的工艺简单、易于操作和控制，而且所述丝网印版20比较柔软并具有回弹力，可应用在由各种软、硬材质和易碎材质制成的基材12上印刷，亦可在具有平面、曲面或球面等各种形状表面的基材12上印刷，因此具有很大的灵活性和广泛的适用性。

所述基材12可由高分子聚合物材料、陶瓷材料、聚四氟乙烯材料、铁电材料、铁氧材料、铁磁材料或玻璃纤维环氧树脂材料制成。在本实施例中，所述基材12由玻璃纤维环氧树脂以外的材料如聚四氟乙烯材料制成，因而可获得较低的介电常数(ε)和介电损耗正切(Tanδ)，从而不会导致电磁波穿过以该介电衬底制造的超材料时发生信号衰减的问题。

综上所述，通过该制备工艺可选择多种材料作为超材料的基材12，以满足不同超材料电磁特性的需求；不会像蚀刻工艺那样产生大量废液，是一种更环保、更高效的工艺；可以实现大批量生产，且废品率比较低，也能使超材料的总体生产成本大大降低；其工艺简单，易于操作和控制。

以上所述仅是本发明的若干具体实施方式和/或实施例，不应当构成对本发明的限制。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明基本思想的前提下，还可以做出若干改进和润饰，如制作所述丝网印版20的方法还有有漆膜雕刻法、碳素纸曝光法等手工制版法，而这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种超材料的制备工艺，用于在基材上形成多个人工微结构，其特征在于，该制备工艺包括以下步骤：

a.制作一丝网印版，所述丝网印版绷紧于一网框上，所述丝网印版的经丝、纬丝与网框边的夹角为15°，通过照相制版法在所述丝网印版上形成多个与所述多个人工微结构相同的图案；

b.将所述丝网印版覆盖于所述基材，在所述丝网印版上涂覆导电油墨，并利用压力使导电油墨通过所述丝网印版的多个图案部分而转移到所述基材上，即由导电油墨制成所述多个人工微结构，从而制得超材料；

其中，所述基材由高分子聚合物材料、陶瓷材料、聚四氟乙烯材料、铁电材料、铁氧材料、铁磁材料或玻璃纤维环氧树脂材料制成。

2.根据权利要求1所述的超材料的制备工艺，其特征在于，所述步骤a包括以下子步骤：

a11.在所述丝网印版上涂布感光胶并经干燥而形成一层感光胶膜；

a12.对所述具有感光胶膜的丝网印版进行曝光、显影，从而在所述丝网印版上形成所述多个与所述多个人工微结构相同的图案。

3.根据权利要求2所述的超材料的制备工艺，其特征在于，所述感光胶的涂布和干燥在黄光环境中进行，干燥温度为35℃-45℃，干燥时间为30分钟以上。

4.根据权利要求2所述的超材料的制备工艺，其特征在于，让装有感光胶的刮斗倾斜地压制于倾斜放置的丝网印版上来涂布感光胶。

5.根据权利要求1或2所述的超材料的制备工艺，其特征在于，涂布导电油墨时利用软质刮板来挤压导电油墨。

6.根据权利要求1或2所述的超材料的制备工艺，其特征在于，所述导电油墨的成分包括导电性填料，所述导电性填料为选自金粉、银粉、铜粉、镍粉、石墨、炭黑、碳素纤维中的至少一种。

7.根据权利要求6所述的超材料的制备工艺，其特征在于，所述导电油墨的成分还包括黏合剂，所述黏合剂为选自环氧树脂、醇酸树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、三聚氰胺甲醛树脂、酚醛树脂、氯乙烯-醋酸乙烯共聚树脂中的至少一种。

8.根据权利要求7所述的超材料的制备工艺，其特征在于，所述导电油墨的成分还包括溶剂、分散剂、滑爽剂、偶联剂中的至少一种。

9.根据权利要求1或2所述的超材料的制备工艺，其特征在于，在所述步骤b中，所述多个人工微结构经烘干而固着于所述基材上。