CN102810762B - 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，其包括：制作多块具有金属微结构的超材料板材；在每一超材料板材的表面上涂覆胶黏剂而形成多个间隔的胶条；利用胶条将所述多块超材料板材黏结在一起，且任两相邻超材料板材之间的胶条位于该两超材料板材与各自相邻的超材料板材之间的对应两胶条之间的位置；将所述粘合在一起的多块超材料板材沿垂直于胶条的纵向延长方向切分为多个超材料夹芯条；拉伸每个超材料夹芯条而形成多孔超材料夹芯；在多孔超材料夹芯的两表面涂覆胶黏剂并黏结于两超材料板材之间，即形成三维立体夹芯超材料，不仅工艺简单，且制得的夹芯超材料的透波性能和机械性能较好。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超材料和三维立体超材料天线罩。
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.制作多块超材料板材，每一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.在每一超材料板材的表面上涂覆胶黏剂而形成多个间隔的胶条；
c.利用胶条将所述多块超材料板材黏结在一起，且任两相邻超材料板材之间的胶条位于该两超材料板材与各自相邻的超材料板材之间的对应两胶条之间的位置；
d.将所述粘合在一起的多块超材料板材沿垂直于胶条的纵向延长方向切分为多个超材料夹芯条；
e.拉伸每个超材料夹芯条，从而展开成为多孔超材料夹芯，让所述金属微结构形成于所述小孔的孔壁上；
f.在多孔超材料夹芯的两表面涂覆胶黏剂并黏结于两超材料板材之间，从而制得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板材表面的金属箔形成。
优选地，在所述步骤b中，胶条涂于每一超材料板材的一个表面。
优选地，在所述步骤b中，胶条涂于每一超材料板材的两个表面，且任一表面的胶条位于另一表面的对应两胶条之间的位置。
优选地，在所述步骤b中，涂覆胶黏剂之前在每一超材料板材的表面形成压痕，胶条分别形成于两相邻压痕之间，且每两相邻胶条之间留有两压痕。
优选地，在所述步骤d中，金属微结构为阵列排布于超材料板材的表面，所述粘合在一起的多块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，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f中，黏结于所述两超材料板材之间的多个多孔超材料夹芯呈连续分布。
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，每一超材料板材上排布有多个金属微结构，所述多孔超材料夹芯的孔壁上排布有多个金属微结构且孔壁大致垂直于所述两超材料板材。
一种夹芯超材料天线罩的制造方法，包括以下步骤：
S1.制作多块超材料板材，每一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.在每一超材料板材的表面上涂覆胶黏剂而形成多个间隔的胶条；
S3.利用胶条将所述多块超材料板材黏结在一起，且任两相邻超材料板材之间的胶条位于该两超材料板材与各自相邻的超材料板材之间的对应两胶条之间的位置；
S4.将所述粘合在一起的多块超材料板材沿垂直于胶条的纵向延长方向切分为多个超材料夹芯条；
S5.拉伸每个超材料夹芯条，从而展开成为多孔超材料夹芯，让所述金属微结构形成于所述小孔的孔壁上；
S6.在多孔超材料夹芯的两表面涂覆胶黏剂并黏结于两超材料板材之间，从而制得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中的方法制得的黏结在一起的多块超材料板材的剖视图；
图4是本发明三维立体夹芯超材料的制造方法中所用的多块超材料板材上排布的胶条的第一截面示意图；
图5是本发明三维立体夹芯超材料的制造方法中所用的多块超材料板材上排布的胶条的第二截面示意图；
图6是本发明三维立体夹芯超材料的制造方法中所用的超材料板材上排布的压痕及胶条的平面示意图；
图7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8是图7中的立体图；
图9是利用图1中的方法制得的夹芯超材料的立体示意图；
图10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、32超材料板材、12金属微结构、14超材料单元、16胶条、18压痕、19中分线、20多孔超材料夹芯、30三维立体夹芯超材料
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，亦可包括柔软的薄膜，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：制作多块超材料板材，每一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：在每一超材料板材的表面上涂覆胶黏剂而形成多个间隔的胶条。
步骤c：利用胶条将所述多块超材料板材黏结在一起，且任两相邻超材料板材之间的胶条位于该两超材料板材与各自相邻的超材料板材之间的对应两胶条之间的位置。
步骤d：将所述粘合在一起的多块超材料板材沿垂直于胶条的纵向延长方向切分为多个超材料夹芯条。
步骤e：拉伸每个超材料夹芯条，从而展开成为多孔超材料夹芯，让所述金属微结构形成于所述小孔的孔壁上。
步骤f：在多孔超材料夹芯的两表面涂覆胶黏剂并黏结于两超材料板材之间，从而制得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工艺步骤简单、制造成本低，且制得的三维立体超材料由于具有夹芯结构，重量较轻，结构致密，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制得的一个超材料板材10。所述超材料板材10由表面附有金属箔的介质基板经由蚀刻其表面的金属箔而制成，从而在介质基板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12的一个示例，不构成对本发明的限制。一般，所述介质基板由低介电常数、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 DensityPolyethylene，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12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12形成于介质基板的两表面。
通常，将每个金属微结构12及其所在的介质基板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。
如图3所示，为由所述步骤b和步骤c制得的粘合在一起的多块超材料板材10。其有两种具体方法为：一、在每一超材料板材10的一个表面涂覆胶黏剂而所述多个间隔的胶条16。让所述多块超材料板材10的涂有胶条16的表面同向放置，且任一超材料板材10的胶条16位于与其相邻的两超材料板材10的对应两胶条16之间的位置，如图4所示，即可将所述多块超材料板材10压合在一起，当胶黏剂固化时便形成所述黏结在一起的多块超材料板材10。二、在每一超材料板材10的两个表面均涂覆胶黏剂而所述多个间隔的胶条16，且任一表面的胶条16位于另一表面的对应两胶条16之间的位置，如图5所示，将它们放在一起时也可形成所述黏结在一起的多块超材料板材10。
如图6所示，涂覆胶黏剂之前，可预先在每一超材料板材10的表面形成压痕18，胶条16形成于两相邻压痕18之间，且每两相邻胶条16之间留有两压痕18。
在所述步骤d中，利用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(如图2所示)切分所述粘合在一起的多块超材料板材10，而两相邻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7和图8所示，为由所述步骤e制得的多孔超材料夹芯20的一个示例。由于所述多个超材料夹芯条上均形成有压痕18，拉伸时每一超材料夹芯条的表面沿这些压痕18展开成为具有金属微结构12的孔壁，从而形成所述多孔超材料夹芯20，不仅可减少拉伸力，而且可避免拉伸力过大将所述超材料夹芯条撕破，并可形成规则的孔分布。所述多孔超材料夹芯20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d中切分所述粘合在一起的多块超材料板材10时确定。所述多孔超材料夹芯20中的孔可呈六边形、四边形及其他形状。
如图9所示，为由所述步骤f制得的三维立体夹芯超材料30，包括两超材料板材32和黏结于所述两超材料板材32之间的呈连续分布的多个多孔超材料夹芯20，所述多孔超材料夹芯20的小孔可呈任意形状；所述多孔超材料夹芯20的孔壁上排布有多个金属微结构12且其孔壁大致垂直于所述两超材料板材32。每一超材料板材32上亦排布有多个金属微结构，既可以与所述超材料板材10相同，也可以与所述超材料板材10不同。此外，所述两超材料板材32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30。
请参考图10，为本发明三维立体夹芯超材料天线罩的制造方法和利用该方法制成的夹芯超材料天线罩40，该方法包括以下步骤：
步骤S1：制作多块超材料板材，每一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：在每一超材料板材的表面上涂覆胶黏剂而形成多个间隔的胶条。
步骤S3：利用胶条将所述多块超材料板材黏结在一起，且任两相邻超材料板材之间的胶条位于该两超材料板材与各自相邻的超材料板材之间的对应两胶条之间的位置。
步骤S4：将所述粘合在一起的多块超材料板材沿垂直于胶条的纵向延长方向切分为多个超材料夹芯条。
步骤S5：拉伸每个超材料夹芯条，从而展开成为多孔超材料夹芯，让所述金属微结构形成于所述小孔的孔壁上。
步骤S6：在多孔超材料夹芯的两表面涂覆胶黏剂并黏结于两超材料板材之间，从而制得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步骤简单、制造成本低，而且由于制得的超材料天线罩具有夹芯结构，使重量减少，还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 (9)
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.制作多块超材料板材，每一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.在每一超材料板材的表面上涂覆胶黏剂而形成多个间隔的胶条；
c.利用胶条将所述多块超材料板材黏结在一起，且任两相邻超材料板材之间的胶条位于该两超材料板材与各自相邻的超材料板材之间的对应两胶条之间的位置；
d.将粘合在一起的多块超材料板材沿垂直于胶条的纵向延长方向切分为多个超材料夹芯条；
e.拉伸每个超材料夹芯条，从而展开成为多孔超材料夹芯，让所述金属微结构形成于小孔的孔壁上；
f.在多孔超材料夹芯的两表面涂覆胶黏剂并黏结于两超材料板材之间，从而制得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，所述夹芯层的孔壁垂直于所述超材料板材；
在所述步骤b中，涂覆胶黏剂之前在每一超材料板材的表面形成压痕，胶条分别形成于两相邻压痕之间，且每两相邻胶条之间留有两压痕。
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板材表面的金属箔形成。
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，胶条涂于每一超材料板材的一个表面。
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，胶条涂于每一超材料板材的两个表面，且任一表面的胶条位于另一表面的对应两胶条之间的位置。
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d中，金属微结构阵列排布于超材料板材的表面，所述粘合在一起的多块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，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。
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f中，黏结于所述两超材料板材之间的多个多孔超材料夹芯呈连续分布。
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，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。
8.一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由权利要求1～7任一项所述的三维立体夹芯超材料的制造方法制得，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，每一超材料板材上排布有多个金属微结构，所述多孔超材料夹芯的孔壁上排布有多个金属微结构且孔壁垂直于所述两超材料板材。
9.一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.制作多块超材料板材，每一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.在每一超材料板材的表面上涂覆胶黏剂而形成多个间隔的胶条；
S3.利用胶条将所述多块超材料板材黏结在一起，且任两相邻超材料板材之间的胶条位于该两超材料板材与各自相邻的超材料板材之间的对应两胶条之间的位置；
S4.将粘合在一起的多块超材料板材沿垂直于胶条的纵向延长方向切分为多个超材料夹芯条；
S5.拉伸每个超材料夹芯条，从而展开成为多孔超材料夹芯，让所述金属微结构形成于小孔的孔壁上；
S6.在多孔超材料夹芯的两表面涂覆胶黏剂并黏结于两超材料板材之间，从而制得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，所述夹芯层的孔壁垂直于所述超材料板材；
在所述步骤S2中，涂覆胶黏剂之前在每一超材料板材的表面形成压痕，胶条分别形成于两相邻压痕之间，且每两相邻胶条之间留有两压痕。
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