CN102694267A - 各向同性的超材料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种各向同性的超材料，其特征在于，所述超材料包括基材和附着在所述基材上的多个人造微结构，每一人造微结构与其附着的部分基材构成一单元格，每一人造微结构在其相应的单元格范围内叠加得到的图形为二维或三维的90度旋转对称图形。根据本发明的各向同性的超材料，能够实现现有的各向异性的超材料所不能达到的功能效果。

Description

各向同性的超材料

技术领域

本发明涉及超材料领域，尤其涉及一种各向同性的超材料。

背景技术

超材料是一种以人造微结构为基本单元并以特定方式进行空间排布的具有特殊电磁响应的新型材料，其对电磁响应的特征是由其人造微结构以及附着的基材的特征共同决定。其中人造微结构的电磁响应很大程度上取决于人造微结构的拓扑特征与单元格尺寸。在超材料中每个人造微结构所处的尺寸取决于人造结构需要响应的电磁波频率，通常人造微结构的尺寸为所需响应的电磁波波长的十分之一，否则空间中由人造微结构所组成的排列在空间中则不能被视为连续。

超材料包括人造微结构和附着基材，该基材对人造结构起到支撑作用，因此可为任何与人造微结构不同的材料，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，而这两个物理参数分别对应了材料的电场响应与磁场响应。因此超材料人造微结构的设计是超材料领域最关键的环节。

现有的超材料往往是各向异性的，因此其功能将有局限性。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，由于结构的不对称性特点，现有的超材料往往都是各向异性的，本发明通过对超材料每一单元格中的人造微结构的排列在二维或三维的上实现各向同性的性能。

本发明为解决其技术问题采用技术方案是：一种各向同性的超材料，所述超材料包括基材和附着在所述基材上的多个相同的人造微结构，每一人造微结构与其附着的部分基材构成一单元格，每一人造微结构在其相应的单元格范围内叠加得到的图形为二维或三维的90度旋转对称图形。

进一步地，所述基材由多个相互平行的片状基板堆叠而成。

进一步地，所述人造微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻、离子刻或激光三维加工工艺附着在所述基材上。

进一步地，所述基材由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料、铁磁材料制成。

进一步地，所述人造微结构由多个呈各向异性的微结构单元叠加得到。

进一步地，每个所述微结构单元本身为二维或三维的非90度旋转对称图形。

进一步地，所述人造微结构由四个呈各向异性的相同的微结构单元通过相互旋转90度布置叠加得到。

进一步地，每个所述微结构单元呈I字形结构、L字形结构、弯折线结构、开口谐振环结构或者电谐振环结构。

进一步地，每个所述微结构单元为开口谐振环的衍生结构，其由开口谐振环及T字形结构组成。

进一步地，所述每一人造微结构所具有的微结构单元附着在同一单元格的一个表面上，或者同一单元格的相对两个表面上。

进一步地，所述每一人造微结构所具有的微结构单元附着在相邻的两个单元格上的相邻的两个表面上。

实施本发明的各向同性的超材料，具有以下有益效果：本发明通过在基材上附着金属丝构成的人造微结构，在一定应用场合下可以实现常规材料所无法实现的特殊功能。

附图说明

图1是本发明所提供的各向同性的超材料的结构示意图；

图2是本发明第一实施例的单元格结构示意图；

图2a是本发明I形人造微结构示意图；

图2b是图2a所示的I形结构的第一个电磁响应曲线图；

图2c是图2a所示的I形结构的第二个电磁响应曲线图；

图2d是图2所示的单元格的电磁响应曲线图；

图3是本发明第二实施例的单元格结构示意图；

图4是本发明第三实施例的单元格结构示意图；

图5是四个弯折线微结构单元所组成的人造微结构的结构示意图；

图6是四个开口谐振环微结构单元所组成的人造微结构的结构示意图；

图7是四个电谐振环微结构单元所组成的人造微结构的结构示意图；

图8是四个开口谐振环的衍生结构微结构单元所组成的人造微结构的结构示意图；

图9是本发明第四实施例的单元格结构示意图。

具体实施方式

超材料是一种以人造微结构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和人造微结构所附着的基材，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人造微结构的图案所具有的拓扑特征和单元格尺寸。通常人造微结构采用金属微结构，而基材则采用非金属制成。

这里的单元格是指超材料中的基本结构单元，其包括一个人造微结构及其所占据的部分基材。单元格尺寸取决于人造微结构需要响应的电磁波频率，通常人造微结构的尺寸为所需响应的电磁波波长的十分之一，否则空间中由人造微结构所组成的排列在空间中不能被视为连续。

本发明中，运用以上超材料的基本原理，通过人造微结构与基材的组合设计出一种超材料，特别是一种各向同性的超材料。

如图1所示，本发明的超材料包括基材1和附着在基材1上的多个相同的人造微结构2，每一人造微结构2与其附着的部分基材B构成一单元格10(图中的每个小方块)，每一人造微结构2在其相应的单元格10范围内叠加得到的图形为二维或三维的90度旋转对称图形，从而得到各向同性的单元格。整个超材料可以看成是由多个这样的单元格10组成，从而得到整体成各向同性的超材料。本发明的所述人造微结构2由多个呈各向异性的微结构单元20叠加得到。每个所述微结构单元20本身为二维或三维的非90度旋转对称图形。

对于平面结构的人造微结构2，这里的各向同性，是指对于在该二维平面上以任一角度入射的任一电磁波，上述人造微结构2在该平面上的电场响应和磁场响应均相同，也即介电常数和磁导率相同；对于三维结构的人造微结构2，各向同性是指对于在三维空间的任一方向上入射的电磁波，每个上述人造微结构2在三维空间上的电场响应和磁场响应均相同。当人造微结构2为90度旋转对称结构时，人造微结构2即具有各向同性的特征。

对于二维平面结构，90度旋转对称是指其在该平面上绕一垂直于该平面且过其对称中心的旋转轴任意旋转90度后与原结构重合；对于三维结构，如果具有两两垂直且共交点的3条旋转轴，使得该结构绕任一旋转轴旋转90度后均与原结构重合或者与原结构以一分界面对称，则该结构为90度旋转对称结构。

相应地，如果人造微结构2不满足平面或三维的90度旋转对称(非90度旋转对称)，则其是各向异性(同样有二维的各向异性与三维的各向异性)。

其中，如图1所示，所述基材1由多个相互平行的片状基板11堆叠而成。作为基材1可以选用陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料、铁磁材料或者半导体制成。具体到高分子材料，可以是环氧树脂、聚四氟乙烯、FR-4复合材料或F4-b复合材料等。

在基材1上附着人造微结构的制造工艺有多种，如蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻、离子刻或激光三维加工等工艺，其中蚀刻的制造工艺在二维平面上制造微结构的步骤可以是在设计好合适的人造微结构2的平面图案后，先将一张金属箔片整体地附着在基材1上，然后通过蚀刻设备去除掉预设的人造微结构2图案以外的箔片部分，余下的即可得到阵列排布的人造微结构。三维加工工艺可以是三维激光加工。

实施例一

如图2所示，本实施例中(以I字形为例)，所述每一人造微结构2所具有的微结构单元20附着在同一单元格10的同一个表面S1上。所述人造微结构2通过两个正交的I字形微结构单元20共中心点组成。所述人造微结构2在上述的S1表面所在的平面内为旋转90度对称图形，从而在S1表面所在的平面内表现为各向同性。

如图2a所示为I字形图案的结构示意图，对应参数为w＝0.2mm，a＝2.3mm，b＝1.04mm，单个的I形结构在两个90度正交方向上的(介电常数与磁导率)电磁响应曲线分别如图2b和2c所示，其中“real”、“imag”分别代表介电常数与磁导率的实部和虚部。从图中可以看出，图2b和2c所示的电磁响应曲线不同，即单个I形结构从两个方向上的电磁响应曲线不同，即单个I形结构表现为各向异性。

本实施例中，每一单元格10中的人造微结构2通过两个正交的I字形微结构单元20共中心点组成。每一单元格10中的人造微结构2在二维平面内各个方向的电磁响应曲线都是如图2d所示的曲线，因此，整个人造微结构2表现出二维的各向同性。

实施例二

如图3所示，本实施例中(以I字形为例)，所述每一人造微结构2所具有的微结构单元20附着在同一单元格10的相对两个表面S1、S2上。其中，S1表面上的I形微结构单元为垂直方向设置，S2表面上的I形微结构单元为水平方向放置。S1表面上的I形微结构单元20在S2上的投影200与S2表面上的I形微结构单元20共中心点垂直正交，所形成的图形为在上述的S2表面所在的平面内为旋转90度对称图形，从而表现出二维的各向同性。

实施例三

如图4所示，本实施例中(以I字形为例)，所述每一人造微结构2所具有的微结构单元20附着在相邻的两个单元格10上的相邻的两个表面S1、S2上。其中，S1表面上的I形微结构单元为垂直方向设置，S2表面上的I形微结构单元为水平方向放置。S1表面上的I形微结构单元20在S2上的投影200与S2表面上的I形微结构单元20共中心点垂直正交，所形成的图形为在上述的S2表面所在的平面内为旋转90度对称图形，从而表现出二维的各向同性。

在上述的三个实施例中，每个所述微结构单元还可以是L字形结构、图5所示的弯折线结构、图6所示的开口谐振环结构或者图7所示的电谐振环结构。

另外，所述人造微结构还可以由四个呈各向异性的相同的微结构单元通过相互旋转90度布置叠加得到，叠加组成后得到的结构为二维的90度旋转对称图形。此处的微结构单元可以是I形结构，也可以是L字形结构、图5所示的弯折线结构、图6所示的开口谐振环结构或者图7所示的电谐振环结构。当然还可以是为图8所示的开口谐振环的衍生结构，其由开口谐振环结构及T字形结构组成，同样地，其通过四个相同的结构(微结构单元)叠加组成，组成后得到的结构为二维的90度旋转对称图形。

也就是说，在此种情况下，任意四个各向异性的微结构单元通过相互旋转90度布置叠加得到的人造微结构，其均表现为平面的各向同性。

实施例四

如图9所示，本实施例中(以I字形为例)，所述每一人造微结构2所具有的微结构单元20设置在单元格10的中心位置。每一单元格具有三个同样的I形微结构单元20，其共中心点垂直正交设置，每个I形微结构单元分别位于空间中三个相互垂直的面上。其形成的图形为三维的90度旋转对称图形，从而表现出三维空间的各向同性。

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范围。

Claims (11)

1.一种各向同性的超材料，其特征在于，所述超材料包括基材和附着在所述基材上的多个相同的人造微结构，每一人造微结构与其附着的部分基材构成一单元格，每一人造微结构在其相应的单元格范围内叠加得到的图形为二维或三维的90度旋转对称图形。

2.根据权利要求1所述的各向同性的超材料，其特征在于，所述基材由多个相互平行的片状基板堆叠而成。

3.根据权利要求1所述的各向同性超材料，其特征在于，所述人造微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻、离子刻或激光三维加工工艺附着在所述基材上。

4.根据权利要求1所述的各向同性的超材料，其特征在于，所述基材由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料、铁磁材料制成。

5.根据权利要求1所述的各向同性超材料，其特征在于，所述人造微结构由多个呈各向异性的微结构单元叠加得到。

6.根据权利要求5所述的各向同性的超材料，其特征在于，每个所述微结构单元本身为二维或三维的非90度旋转对称图形。

7.根据权利要求6所述的各向同性的超材料，其特征在于，所述人造微结构由四个呈各向异性的相同的微结构单元通过相互旋转90度布置叠加得到。

8.根据权利要求6所述的各向同性的超材料，其特征在于，每个所述微结构单元呈I字形结构、L字形结构、弯折线结构、开口谐振环结构或者电谐振环结构。

9.根据权利要求6所述的各向同性的超材料，其特征在于，每个所述微结构单元为开口谐振环的衍生结构，其由开口谐振环及T字形结构组成。

10.根据权利要求8或9所述的各向同性超材料，其特征在于，所述每一人造微结构所具有的微结构单元附着在同一单元格的一个表面上，或者同一单元格的相对两个表面上。

11.根据权利要求8或9所述的各向同性超材料，其特征在于，所述每一人造微结构所具有的微结构单元附着在相邻的两个单元格上的相邻的两个表面上。

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