CN102810761A - 夹芯超材料及其制造方法和夹芯超材料天线罩的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种夹芯超材料的制造方法，包括以下步骤：制作具有金属微结构的超材料板材；将所述超材料板材切分为多个超材料条板；将所述多个超材料条板制成波纹板，每一波纹板包括交替设置的第一凸出部和第二凸出部以及位于所述第一凸出部和第二凸出部之间的连接部；将所述多个波纹板黏结在一起，且每两相邻波纹板中一波纹板的第一凸出部与另一波纹板的第二凸出部相结合、而其第二凸出部与另一波纹板的第一凸出部相对设置而形成多个小孔，形成超材料夹芯；将所述超材料夹芯黏结于两超材料板材之间，即制成金属微结构存在于夹芯层的孔壁及表面的超材料板材上的三维立体夹芯超材料。本发明还提供了一种夹芯超材料和夹芯超材料天线罩的制造方法。
Description
技术领域
本发明涉及超材料及其在天线罩上的应用，更具体地说，涉及一种夹芯超材料及其制造方法和夹芯超材料天线罩的制造方法。
背景技术
超材料是一种具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构。当前，人们通过在基板上排列由金属线段构成的具有一定几何形状的超材料金属微结构来形成超材料。由于可以利用金属微结构的几何形状和尺寸以及排布来改变超材料空间各点的介电常数和/或磁导率，使其产生预期的电磁响应，以控制电磁波的传播，故而，在多个领域具有广泛的应用前景，成为各国科研人员争相研究的热点之一。最新的研究发现，超材料是一种良好的透波材料，特别是用其制成的天线罩不仅可显著提高天线罩的透波性能，而且使天线罩具有耐热、耐腐蚀、抗压及其他机械性能。
尽管目前，由超材料制成的天线罩较用如玻璃钢等传统材料制成的天线罩的重量减轻很多，但还是无法满足业界对轻质天线罩的实际需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种夹芯超材料及其制造方法和夹芯超材料天线罩的制造方法，以获得轻质的三维立体夹芯超材料和三维立体夹芯超材料天线罩。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种三维立体夹芯超材料的制造方法，包括以下步骤：
a.制作超材料板材，所述超材料板材包括介质基板和阵列排布于所述介质基板上的金属微结构；
b.将所述超材料板材切分为多个超材料条板；
c.将所述多个超材料条板制成波纹板，每一波纹板包括交替设置的第一凸出部和第二凸出部以及位于所述第一凸出部和第二凸出部之间的连接部；
d.将所述多个波纹板黏结在一起，且每两相邻波纹板中一波纹板的第一凸出部与另一波纹板的第二凸出部相结合、而其第二凸出部与另一波纹板的第一凸出部相对设置而形成多个孔壁上具有金属微结构的小孔，从而制得多孔超材料夹芯；
e.在所述多孔超材料夹芯的两表面涂覆胶黏剂并黏结于两表面具有金属微结构的超材料板材之间，即制成金属微结构存在于夹芯层的孔壁及表面的超材料板材上的三维立体夹芯超材料。
优选地，在所述步骤a中，所述金属微结构是通过曝光显影蚀刻介质基板表面的金属箔形成。
优选地，在所述步骤b中，所述超材料板材沿相邻的两排呈直线排布的金属微结构之间的中分线切分为所述多个超材料条板，两相邻切分线之间的距离为两相邻金属微结构的中心之间的距离的整数倍。
优选地，在所述步骤b中，所述超材料板材通过切割机切分为所述多个超材料条板。
优选地，在所述步骤c中，所述多个波纹板通过模具模压成型。
优选地，在所述步骤d中，所述多个波纹板的第一凸出部和第二凸出部上涂覆胶黏剂而结合。
优选地，在所述步骤d中，所述多孔超材料夹芯的小孔呈六边形。
优选地，所述步骤a还包括利用电脑仿真软件设计出金属微结构的几何形状、尺寸及排布。
一种三维立体夹芯超材料，其包括两超材料板材和夹置于所述两超材料板材之间的多孔超材料夹芯，所述超材料板材的表面和多孔超材料夹芯的孔壁上均排布有多个金属微结构。
一种夹芯超材料天线罩的制造方法，包括以下步骤：
S1.制作超材料板材，所述超材料板材包括介质基板和阵列排布于所述介质基板上的金属微结构；
S2.将所述超材料板材切分为多个超材料条板；
S3.将所述多个超材料条板制成波纹板，每一波纹板包括交替设置的第一凸出部和第二凸出部以及位于所述第一凸出部和第二凸出部之间的连接部；
S4.将所述多个波纹板黏结在一起，且每两相邻波纹板中一波纹板的第一凸出部与另一波纹板的第二凸出部相结合、而其第二凸出部与另一波纹板的第一凸出部相对设置而形成多个孔壁上具有金属微结构的小孔，从而获得多孔超材料夹芯；
S5.在所述多孔超材料夹芯的两表面涂覆胶黏剂并黏结于两表面具有金属微结构的超材料板材之间，即制成金属微结构存在于夹芯层的孔壁及表面的超材料板材上的三维立体夹芯超材料天线罩。
本发明三维立体夹芯超材料及其制造方法和三维立体夹芯超材料天线罩的制造方法具有以下有益效果：工艺步骤简单、制造成本低，且制得的三维立体超材料和三维立体超材料天线罩由于具有夹芯结构，重量较轻，还具有良好的透波性能和机械强度。
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是本发明三维立体夹芯超材料的制造方法的较佳实施方式的流程图；
图2是利用图1中的方法制得的超材料板材的平面示意图；
图3是利用图1中的方法制得的波纹板的截面示意图；
图4是用于制造图3中的波纹板的模具的截面示意图；
图5是图3中的多个波纹板黏结在一起时的排布示意图；
图6是利用图1中的方法制得的多孔超材料夹芯的平面示意图；
图7是图7中的立体图；
图8是利用图1中的方法制得的夹芯超材料的立体示意图；
图9是本发明三维立体夹芯超材料天线罩的制造方法的较佳实施方式的流程图。
图中各标号对应的名称为：
10、52超材料板材、11介质基板、12金属微结构、14超材料单元、19中分线、20波纹板、22第一凸出部、24第二凸出部、26连接部、30模具、40多孔超材料夹芯、50三维立体夹芯超材料
具体实施方式
本发明中的“板材”既指平面、曲面、锥面、球面、异形面等任意形状的薄层材料，亦包括柔软的薄膜，根据应用需求而不同。为简明起见，本实施方式中的“板材”均以平面示意。
如图1所示，为本发明三维立体夹芯超材料的制造方法的较佳实施方式，该较佳实施方式包括以下步骤：
步骤a：制作超材料板材，所述超材料板材包括介质基板和阵列排布于所述介质基板上的金属微结构。
步骤b：将所述超材料板材切分为多个超材料条板。
步骤c：将所述多个超材料条板制成波纹板，每一波纹板包括交替设置的第一凸出部和第二凸出部以及位于所述第一凸出部和第二凸出部之间的连接部。
步骤d：将所述多个波纹板黏结在一起，且每两相邻波纹板中一波纹板的第一凸出部与另一波纹板的第二凸出部相结合、而其第二凸出部与另一波纹板的第一凸出部相对设置而形成多个孔壁上具有金属微结构的小孔，从而制得多孔超材料夹芯。
步骤e：在所述多孔超材料夹芯的两表面涂覆胶黏剂并黏结于两表面具有金属微结构的超材料板材之间，即制成金属微结构存在于夹芯层的孔壁及表面的超材料板材上的三维立体夹芯超材料。
本发明三维立体夹芯超材料的制造方法步骤简单、制造成本低，且制得的超材料由于具有夹芯结构，重量轻，结构致密，从而具有良好的透波性能和机械强度。
以下对所述较佳实施方式进行详细说明：如图2所示，为由所述步骤a制得的超材料板材的一个示例。所述超材料板材10由表面附有金属箔的介质基板11经由蚀刻其表面的金属箔而制成，从而在介质基板11的表面上形成多个呈阵列排布的金属微结构12，如图中位于由虚线形成的网格内的图案，所述图案仅为金属微结构的一个示例，不构成对本发明的限制。一般，所述介质基板11由低介电常数、低损耗的材料制成，如聚合物材料、陶瓷材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料等，具体如环氧树脂玻璃纤维布(即FR4)、聚四氟乙烯(英文名为Polytetrafluoroethene，简称F4B)、高密度聚乙烯(英文名为High Density Polyethylene，简称HDPE)或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(英文名为Acrylonitrile Butadiene Styrene，简称ABS)。实际中所述介质基板11可为软质基板，从而制得软质的超材料板材10。金属箔既可附着于介质基板的任一表面，也可附着于介质基板的两相对表面。故蚀刻时，当介质基板的一表面覆有金属箔时，金属微结构只形成于介质基板的该表面；当介质基板的两表面覆有金属箔时，金属微结构形成于介质基板的两表面。本实施方式中，所述介质基板11由热塑性材料制成。
通常，将每个金属微结构12及其所在的介质基板11部分称为一个超材料单元14，如图中由四条垂直相交的虚线段分隔形成的区域，每个超材料单元14的几何尺寸与所需响应的电磁波的波长有关。金属微结构12可利用光刻、电镀、钻刻、电子刻或者离子刻等方式来蚀刻形成，本实施例中，蚀刻方法为曝光显影法。而在蚀刻之前，基于选定的介质基板的电磁参数，利用电脑仿真软件(如CST)通过优化算法来设计出金属微结构12的几何形状、尺寸及排布。实际中，我们只设计一个金属微结构12的几何形状和尺寸，进而以其为样本进行阵列复制形成多个金属微结构12，这样可节约设计时间和提高效率。若不为此目的，多个金属微结构12的几何形状和/或尺寸完全可以分别设计。
在所述步骤b中，可利用高速切割机沿相邻的两排呈直线排布的金属微结构12之间的中分线19切分所述超材料板材10，而相邻两切分线之间的距离为两相邻金属微结构12的中心之间的距离的整数倍。
如图3所示，为由所述步骤c制得的波纹板的一个示例。所述波纹板20包括交替设置的第一凸出部22和第二凸出部24以及位于所述第一凸出部22和第二凸出部24之间的连接部26。所述波纹板20可使用模具来成型。具体如图4所示，为用于制作所述波纹板20的模具的一个示例。所述模具30的型芯形状根据所要制作的多孔超材料夹芯的小孔形状而定，图中所示为多个间隔设置的梯形块，以制得呈六边形的小孔。
在所述步骤d中，用胶黏剂将所述多个波纹板黏结在一起。具体过程为：如图5所示，在最上面的波纹板20的第二凸出部24上涂覆胶黏剂、在中间的波纹板20的第一凸出部22上涂覆胶黏剂，并让其第一凸出部22与最上面的波纹板20的第二凸出部24对齐，这时压合所述第一凸出部22和第二凸出部24，而最上面的波纹板20的第一凸出部22与中间的波纹板20的第二凸出部24形成孔壁上具有金属微结构12的六边形小孔，如图6和图7所示。继而，在中间的波纹板20的第二凸出部24上涂覆胶黏剂、在最下面的波纹板20的第一凸出部22上涂覆胶黏剂，同样将它们对齐并压合在一起，以此方式将所述多个波纹板20黏结在一起，待胶黏剂固化后即形成多孔超材料夹芯40。所述多孔超材料夹芯40的高度等于两相邻金属微结构12的中心之间的距离的整数倍，根据实际需要在所述步骤b中切分所述超材料板材10时确定。
如图8所示，为由所述步骤d制得的三维立体夹芯超材料的一个示例。所述三维立体夹芯超材料50包括两超材料板材52和黏结于所述两超材料板材52之间的多孔超材料夹芯40。在所述步骤d中，所述两超材料板材52既可以与所述步骤a中的超材料板材相同，也可以不同。从而，让所述三维立体夹芯超材料52的夹芯层的孔壁及表面的超材料板材52表面上均具有金属微结构。一般，所述多孔超材料夹芯40的孔壁大致垂直于所述两超材料板材52的表面。此外，所述两超材料板材也可以由通常的用于制造蜂窝结构的表板代替，也可以制得所述三维立体夹芯超材料。
请参考图9，为本发明三维立体夹芯超材料天线罩的制造方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1：制作超材料板材，所述超材料板材包括介质基板和阵列排布于所述介质基板上的金属微结构。
步骤S2：将所述超材料板材切分为多个超材料条板。
步骤S3：将所述多个超材料条板制成波纹板，每一波纹板包括交替设置的第一凸出部和第二凸出部以及位于所述第一凸出部和第二凸出部之间的连接部。
步骤S4：将所述多个波纹板黏结在一起，且每两相邻波纹板中一波纹板的第一凸出部与另一波纹板的第二凸出部相结合、而其第二凸出部与另一波纹板的第一凸出部相对设置而形成多个孔壁上具有金属微结构的小孔，从而获得多孔超材料夹芯。
步骤S5：在所述多孔超材料夹芯的两表面涂覆胶黏剂并黏结于两表面具有金属微结构的超材料板材之间，即制成金属微结构存在于夹芯层的孔壁及表面的超材料板材上的三维立体夹芯超材料天线罩。
在所述步骤S1中，在制作超材料板材之前，基于板材的电磁参数、天线罩的工作频段及透波性能的要求等来设计出金属微结构的几何形状、尺寸和排布以及超材料单元的尺寸。其他内容与上述三维立体夹芯超材料的制造方法中的相关描述相同，不再赘述。
由此可见，本发明三维立体夹芯超材料天线罩的制造方法工艺简单、制造成本低，而且由于制得的超材料天线罩具有夹芯结构，使重量减轻，从而具有良好的透波性能和机械强度，更坚固耐用。
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，如多孔超材料夹芯也可焊接于超材料板材之间，而这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种三维立体夹芯超材料的制造方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
a.制作超材料板材，所述超材料板材包括介质基板和阵列排布于所述介质基板上的金属微结构；
b.将所述超材料板材切分为多个超材料条板；
c.将所述多个超材料条板制成波纹板，每一波纹板包括交替设置的第一凸出部和第二凸出部以及位于所述第一凸出部和第二凸出部之间的连接部；
d.将所述多个波纹板黏结在一起，且每两相邻波纹板中一波纹板的第一凸出部与另一波纹板的第二凸出部相结合、而其第二凸出部与另一波纹板的第一凸出部相对设置而形成多个孔壁上具有金属微结构的小孔，从而制得多孔超材料夹芯；
e.在所述多孔超材料夹芯的两表面涂覆胶黏剂并黏结于两表面具有金属微结构的超材料板材之间，即制成金属微结构存在于夹芯层的孔壁及表面的超材料板材上的三维立体夹芯超材料。
2.根据权利要求1所述的三维立体夹芯超材料的制造方法，其特征在于，在所述步骤a中，所述金属微结构是通过曝光显影蚀刻介质基板表面的金属箔形成。
3.根据权利要求1所述的三维立体夹芯超材料的制造方法，其特征在于，在所述步骤b中，所述超材料板材沿相邻的两排呈直线排布的金属微结构之间的中分线切分为所述多个超材料条板，两相邻切分线之间的距离为两相邻金属微结构的中心之间的距离的整数倍。
4.根据权利要求1所述的三维立体夹芯超材料的制造方法，其特征在于，在所述步骤b中，所述超材料板材通过切割机切分为所述多个超材料条板。
5.根据权利要求1所述的三维立体夹芯超材料的制造方法，其特征在于，在所述步骤c中，所述多个波纹板通过模具模压成型。
6.根据权利要求1所述的三维立体夹芯超材料的制造方法，其特征在于，在所述步骤d中，所述多个波纹板的第一凸出部和第二凸出部上涂覆胶黏剂而结合。
7.根据权利要求1所述的三维立体夹芯超材料的制造方法，其特征在于，在所述步骤d中，所述多孔超材料夹芯的小孔呈六边形。
8.根据权利要求1所述的三维立体夹芯超材料的制造方法，其特征在于，所述步骤a还包括利用电脑仿真软件设计出金属微结构的几何形状、尺寸及排布。
9.一种三维立体夹芯超材料，其特征在于，所述三维立体夹芯超材料是由权利要求1-8中任一项所述的三维立体夹芯超材料的制造方法制得的。
10.一种三维立体夹芯超材料天线罩的制造方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1.制作超材料板材，所述超材料板材包括介质基板和阵列排布于所述介质基板上的金属微结构；
S2.将所述超材料板材切分为多个超材料条板；
S3.将所述多个超材料条板制成波纹板，每一波纹板包括交替设置的第一凸出部和第二凸出部以及位于所述第一凸出部和第二凸出部之间的连接部；
S4.将所述多个波纹板黏结在一起，且每两相邻波纹板中一波纹板的第一凸出部与另一波纹板的第二凸出部相结合、而其第二凸出部与另一波纹板的第一凸出部相对设置而形成多个孔壁上具有金属微结构的小孔，从而制得多孔超材料夹芯；
S5.在所述多孔超材料夹芯的两表面涂覆胶黏剂并黏结于两表面具有金属微结构的超材料板材之间，即制成金属微结构存在于夹芯层的孔壁及表面的超材料板材上的三维立体夹芯超材料天线罩。
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