CN102891365B - 一种超材料 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超材料，所述超材料包括基材以及附着在所述基材上的人造微结构，所述人造微结构及其附着的所述基材部分组成结构单元，其特征在于，所述基材包括第一曲面。根据本发明的超材料由于在基材曲率较大之处附着有较小的人造微结构而在基材曲率较小之处附着有较大的人造微结构而更有利于制备完成该超材料；并且通过改变占空比，来使得该超材料具有相同的电磁响应，也即具有相同的介电常数或磁导率，以便满足具体应用的需求。

Description

一种超材料

【技术领域】

本发明涉及一种超材料，尤其涉及一种具有高介电常数的复合型超材料。

【背景技术】

“超材料"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"性质由构成材料的本征性质及其中的人造微结构共同决定。

超材料通常有基材及附着在基材上的人造微结构组成，在现有技术的超材料中，基材通常制备成片状且表面平坦光滑，然而，这种形状的超材料在应用中要求较大的空间来将其容纳，并且在某些应用中，应用环境所能提供的空间并不适于片状且平坦的基材，该空余空间可能是弯曲的，且某些应用环境中只能提供有限的空余空间来安置超材料。而现有技术中的超材料并不能安装在这些特殊的应用环境中。

【发明内容】

为了使得超材料能够在更多的应用环境中应用，并且为了更加有利于加工制备超材料，本发明将提供一种超材料，超材料包括基材以及附着在所述基材上的人造微结构，所述人造微结构及其附着的所述基材部分组成结构单元，所述基材包括至少一个第一曲面。

在本发明的优选方式中，所述基材包括第二平面。

在本发明的优选方式中，所述第一曲面上的结构单元的尺寸不同，所述第一曲面上曲率大之处的结构单元的尺寸比曲率小之处的结构单元的尺寸小。

在本发明的优选方式中，调整不同结构单元中人造微结构的尺寸及几何形状，使得所述不同结构单元的电磁响应相同。

在本发明的优选方式中，调整不同结构单元中人造微结构的尺寸及几何形状，使得所述不同结构单元的介电常数相同。

在本发明的优选方式中，调整不同结构单元中人造微结构的尺寸及几何形状，使得每个结构单元中人造微结构所占的面积与未被人造微结构所占的面积的比率相同。

在本发明的优选方式中，调整不同结构单元中人造微结构的尺寸及几何形状，使得每个结构单元中人造微结构所占的面积与未被人造微结构所占的面积的比率不相同。

在本发明的优选方式中，所述人造微结构包括第一金属丝以及设置该第一金属丝两端的第二金属丝。

在本发明的优选方式中，所述人造微结构包括任意曲线以及由所述任意曲线的两端形成的开口。

在本发明的优选方式中，所述人造微结构为金属微结构。

在本发明的优选方式中，所述基材为高分子聚合物。

根据本发明的超材料由于在基材曲率较大之处附着有较小的人造微结构而在基材曲率较小之处附着有较大的人造微结构而更有利于制备完成该超材料；并且通过改变占空比，来使得超材料具有相同的电磁响应，也即具有相同的介电常数或磁导率，以便满足具体应用的需求。

【附图说明】

图1示出了现有技术中已知的超材料100的一种结构；

图2示出了根据本发明的超材料200的一种结构；

图3示出了根据本发明的超材料300的另一种结构。

图4示出了根据本发明的超材料400的又一种结构；

图5示出了图2及图3所示的实施例中超材料的人造微结构的一种结构；

图6示出了图4所示的实施例中超材料的人造微结构的一种结构；

图7a至图7d示出了本发明的超材料的人造微结构可采用的其他结构；

图8a至图8c示出了本发明的超材料的人造微结构可采用的另几种结构。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

图1示出了现有技术中已知的超材料100，该超材料包括基材110，附着在该基材110上的人造微结构130以及由人造微结构130及其附着的基材的部分组成的结构单元120。在现有技术中，该基材110为片状平面结构，且基材110表面平坦光滑。将该基材110的表面均匀地划分成多个单元，每个单元的大小尺寸相同，同时将尺寸相同的人造微结构130设置在多个单元内，人造微结构130与该单元内的基材部分构成结构单元120。

由超材料的现有技术可知，人造微结构的尺寸、几何形状及其在基材上的分布影响了超材料上各处的电磁特性，也即，人造微结构的尺寸、几何形状及其在基材上的分布影响了超材料上各处的介电常数及磁导率。在图1所示的超材料中，由于尺寸及几何形状相同的人造微结构130均匀地分布在基材110上，因而使得该超材料上不同结构单元120的等效介电常数及等效磁导率相同。然而整个超材料可以看做介电常数及磁导率分布均匀的超材料。

然而，图1中所示的超材料在应用中要求较大的空间来将其容纳，并且在某些应用中，应用环境所能提供的空间并不适于片状且平坦的基材，该空余空间可能是弯曲的，且某些应用环境中只能提供有限的空余空间来安置超材料。而现有技术中的超材料并不能安装在这些特殊的应用环境中。因而本发明提供了一种新的超材料200，如图2所示。该超材料200包括基材210，附着在该基材210上的人造微结构230以及由人造微结构230及其附着的基材的部分组成的结构单元220。该人造微结构230的具体结构如图5所示，其包括第一金属丝230a以及设置该第一金属丝230a两端的第二金属丝230b。

与图1中所示的超材料所不同的是，图2中的基材210包括第一曲面211，在该第一曲面211上，不均匀地划分成大小不相同的多个结构单元，每个结构单元的大小尺寸不相同，但是每个单元均为正方形，而该结构单元内的人造微结构230的尺寸也不相同。具体而言，在该第一曲面211的曲率较大之处，如图中所示的S_大处，结构单元220的尺寸较小，而其中附着的人造微结构230的尺寸较小。而在该第一曲面211的曲率较小之处，如图中所示的S_小处，结构单元220的尺寸较大，其中所附着的人造微结构230的尺寸也较大。这样使得根据本发明的超材料更有利于加工。

由超材料领域的现有技术可知，在本发明的超材料中，通过改变人造微结构230的尺寸、几何形状，可以改变该超材料上不同位置处的电磁响应，也即可以调节不同位置处介电常数。在本发明的一种实施方式中，改变人造微结构230的尺寸、几何形状，使得每个结构单元220中，人造微结构230所占的面积与未被人造微结构230所占的面积的比率相同。当然在本发明的其他实施方式中，每个结构单元220中人造微结构230所占的面积与未被人造微结构230所占的面积的比率(也即占空比)也可以不相同。通常，在人造微结构230所占的面积与未被人造微结构230所占的面积的比率较大的结构单元220内，也即占空比较大之处，其中的介电常数较大；而在人造微结构230所占的面积与未被人造微结构230所占的面积的比率较小的结构单元220内，也即占空比较小之处，其中的介电常数较小。根据具体需求，可以调整人造微结构230的尺寸、几何形状，也即调整占空比，实现相同的电磁响应，也即实现相同的介电常数。在此需要说明的是，在图5中示出的是该人造微结构230的平面投影图。然而由图2可见，该人造微结构230是附着在该第一曲面211上的，因而该人造微结构230的第一金属丝230a及第二金属丝230b并不在一个平面内。

此外，在上述实施方式中，该基材210只包括一个第一曲面211，在本发明的其他实施方式中，基材可以包括多个曲面。

在本发明另一种实施方式中，根据本发明的超材料300包括基材310，附着在该基材310上的人造微结构330以及由人造微结构330及其附着的基材的部分组成的结构单元320。与图2中所示的超材料所不同的是，图3中的基材310包括第一曲面311以及第二平面312，在该第一曲面311上，不均匀地划分成多个结构单元320，每个结构单元320的大小尺寸不相同，但是均为正方形，而该结构单元内的人造微结构330构成的尺寸也不相同。具体而言，在该第一曲面311的曲率较大之处，如图中所示的S_大处，结构单元320的尺寸较小，而其中附着的人造微结构的尺寸较小。而在该第一曲面311的曲率较小之处，如图中所示的S_小处，结构单元320的尺寸较大，其中所附着的人造微结构330的尺寸也较大。这样根据本发明的超材料有利于简化加工工艺。而在该第二平面312上，每个结构单元320的大小尺寸相同，而该结构单元320内的人造微结构单元330的尺寸也相同。

由超材料领域的现有技术可知，在本发明的超材料中，通过改变人造微结构330的尺寸、几何形状，可以改变该超材料上不同位置处电磁响应，也即可以改变不同位置处的介电常数。在本实施方式中，改变人造微结构330的尺寸、几何形状，也即调整占空比，使得每个结构单元320中，人造微结构330所占的面积与未被人造微结构330所占的面积的比率相同。在其他实施方式中，可以调整每个结构单元320中人造微结构330所占的面积与未被人造微结构330所占的面积的比率(也即占空比)，使得占空比不相同。通常，在人造微结构330所占的面积与未被人造微结构330所占的面积的比率较大的结构单元320内，也即占空比较大之处，其中的介电常数较大；而在人造微结构330所占的面积与未被人造微结构330所占的面积的比率较小的结构单元320内，也即占空比较小之处，其中的介电常数较小。根据具体需求，可以调整人造微结构330的尺寸、几何形状以调整占空比，从而满足不同的需求。在本实施方式中，超材料300仅包括一个曲面部分及一个平面部分。然而，在本发明的其他实施方式中，超材料也可以包括多个曲面部分及多个平面部分，其设计方法及调整人造微结构的方法与上述原理相同，在此不再赘述。

由上述说明可见，根据本发明的超材料由于在基材曲率较大之处附着有较小的人造微结构而在基材曲率较小之处附着有较大的人造微结构而更有利于制备完成该超材料；并且通过改变占空比，来调整超材料上各处的介电常数的分布，以便满足具体应用的需求。

在本发明的再一个实施方式中，如图4所示，超材料400与图2中所述的超材料基本相同，包括基材410，附着在该基材410上的人造微结构430以及由人造微结构430及其附着的基材的部分组成的结构单元420。并且该基材410包括第一曲面411。与图2中所示的超材料200所不同的是，在该实施方式中，该人造微结构430如图6所示包括开口“口”字型的金属丝。该人造微结构430由该金属线430a的两端形成的开口430b。而调整该人造微结构430的尺寸及形状，改变每个结构单元420中人造微结构430所占的面积与未被人造微结构430所占的面积的比率(也即占空比)，可以改变超材料上每个单元结构420中的磁导率。具体而言，通常占空比较大的结构单元420具有较大的磁导率，反之，占空比较小的结构单元420具有较小的磁导率。

在本发明的其他实施方式中人造微结构具体形式也可以采用如7a至图7d及图8a至图8c中所示的结构。其作用原理与上述说明相同。其中不同之处在于，7a至图7d中所示的结构会对电场产生响应，也即采用7a至图7d中所示的人造微结构时，如果改变人造微结构的尺寸及几何形状来改变占空比，可以改变超材料上介电常数的大小；图8a至图8c所示的结构会对磁场产生响应，也即采用图8a至图8c中所示的人造微结构时，如果改变人造微结构的尺寸及几何形状来改变占空比，可以改变超材料上磁导率的大小。

通过上述说明可见，一方面根据本发明的超材料可以根据应用环境的不同，该基材可以具有不同的几何结构，这样有利于超材料在更多的环境中应用；另一方面，通过在不同曲率之处设计大小不相同的人造微结构而使得更容易加工制备根据本发明的超材料；最后，可以通过调整占空比来调整获得所需要的电磁响应，也即获得所需的介电常数或磁导率。

在上述实施例中，仅对本发明进行了示范性描述，但是本领域技术人员在阅读本专利申请后可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改。

Claims (9)

1.一种超材料，所述超材料包括基材以及附着在所述基材上的人造微结构，所述人造微结构及其附着的所述基材部分组成结构单元，其特征在于，所述基材包括至少一个第一曲面以及与所述第一曲面平滑过渡连接的第二平面，所述第一曲面为三维曲面，每个所述结构单元的大小尺寸根据所述第一曲面的形状不均匀地划分成大小不相同的正方形，所述第一曲面上曲率大之处的结构单元的尺寸比曲率小之处的结构单元的尺寸小，且所述第一曲面上曲率大之处的所述人造微结构的尺寸比曲率小之处的所述人造微结构的尺寸小；在所述第二平面上，每个所述结构单元大小相同且各所述结构单元内的所述人造微结构尺寸相同；所述人造微结构为金属微结构；改变所述人造微结构的尺寸和几何形状，由此改变每个所述结构单元中所述人造微结构所占的面积与未被所述人造微结构所占的面积的比率，改变电磁响应。

2.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，调整不同结构单元中人造微结构的尺寸及几何形状，使得所述不同结构单元的电磁响应相同。

3.根据权利要求2所述的超材料，其特征在于，调整不同结构单元中人造微结构的尺寸及几何形状，使得所述不同结构单元的介电常数相同。

4.根据权利要求2所述的超材料，其特征在于，调整不同结构单元中人造微结构的尺寸及几何形状，使得每个结构单元中人造微结构所占的面积与未被人造微结构所占的面积的比率相同。

5.根据权利要求2所述的超材料，其特征在于，调整不同结构单元中人造微结构的尺寸及几何形状，使得每个结构单元中人造微结构所占的面积与未被人造微结构所占的面积的比率不相同。

6.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述人造微结构包括第一金属丝以及设置该第一金属丝两端的第二金属丝。

7.根据权利要求6所述的超材料，其特征在于，所述第一曲面内的所述人造微结构的上述第一金属丝及所述第二金属丝不在同一平面内，所述第二平面内的所述第一金属丝和所述第二金属丝在同一平面内。

8.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述人造微结构包括任意曲线以及由所述任意曲线的两端形成的开口。

9.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述基材为高分子聚合物。