CN102891368A - 高强度超材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高强度超材料，包括基材和附着在所述基材上的人造微结构，所述基材的横截面成栅格形。本发明还涉及一种制造所述高强度超材料的制备方法，包括以下步骤：S1、制成平板形基材片层；S2、在所述基材片层上附着人造微结构，得到超材料片层；S3、将所述超材料片层弯折成锯齿形；S4、将多个锯齿形超材料片层叠加起来，并结合成一体，使得多个基材片层组成的基材其横截面为栅格形。这样制得的高强度超材料其强度高，抗变形能力强，且质量轻，可应用于各种可能受冲击的场合。

Description

高强度超材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及超材料领域，更具体地说，涉及一种高强度超材料及其制备方法。

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。

超材料包括基材和附着在基材上的人造微结构，通常人造微结构为具有一定几何图案如“工”字形、开口谐振环等形状的金属丝，基材为平板形，通常选用陶瓷等介电常数和磁导率接近于空气的材料，也就是说基材对电磁响应的影响比较小。

超材料通常包括多个基材平板，通常将各个基材相互平行地堆叠到一起，然后通过封装工艺将它们组成一个整体。这种平板叠加的结构具有定位简单、封装简易的好处，但是缺点是强度不够大、厚重、基材材料耗用大。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种高强度超材料及其制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种高强度超材料，包括基材和附着在所述基材上的人造微结构，所述基材的横截面成栅格形。

在本发明所述的高强度超材料中，所述栅格的各个格单元为矩形或者菱形或圆形。

本发明还提供一种高强度超材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、制成平板形基材片层；

S2、在所述基材片层上附着人造微结构，得到超材料片层；

S3、将所述超材料片层弯折成锯齿形；

S4、将多个锯齿形超材料片层叠加起来，并结合成一体。

在本发明所述的制备方法中，所述步骤S2通过蚀刻或印刷工艺附着人造微结构。

在本发明所述的制备方法中，所述步骤S3通过热压成型工艺制成。

在本发明所述的制备方法中，所述锯齿的每个齿牙为矩形或三角形或半圆形。

在本发明所述的制备方法中，所述步骤S4包括以下步骤：

S41、将多个锯齿形超材料片层自下而上堆叠放置；

S42、对所述多个锯齿形超材料片层加热，且加热温度低于所述基材片层的熔点；

S43、挤压所述多个锯齿形超材料片层，使相邻两锯齿形超材料片层的接触点融合到一起，从而将二者连接结合。

在本发明所述的制备方法中，所述步骤S4是通过点焊工艺将任意相邻两锯齿形超材料片层连接而实现的。

在本发明所述的制备方法中，所述步骤S4通过超材料片层上的螺纹孔和螺栓配合，实现各锯齿形超材料片层的连接结合。

在本发明所述的制备方法中，所述基材的材料为聚四氟乙烯或环氧树脂。

采用本发明的高强度超材料及其制备方法，具有以下有益效果：采用本发明方法，可以一次将多个超材料片层粘合而直接制得高强度超材料，操作简单，无需特别设备，制造成本低，且制得的超材料，其基材具有栅格形横截面，抗冲击强度高、质量轻便。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明的高强度超材料的制备方法的流程图；

图2是图1所示步骤S4的具体流程图；

图3是经过步骤S1得到的基材片层的侧视图；

图4是图3所述基材片层经过步骤S2得到的超材料片层的侧视图；

图5是图4所示超材料片层的俯视图；

图6是图4、图5所示超材料片层经过步骤S3后的侧视图；

图7是图6所示锯齿形超材料片层的俯视图；

图8是多个图7所示锯齿形超材料片层堆叠的侧视图；

图9是图8所示多个锯齿形超材料片层结合到一起所构成的高强度超材料的侧视图；

图10是图9所示高强度超材料的立体结构图。

图11为本发明的高强度超材料另一实施例的横截面示意图；

图12是本发明的高强度超材料又一实施例的横截面示意图。

具体实施方式

本发明涉及一种高强度超材料，包括基材和附着在基材上的人造微结构。

现有的基材通常选用介电常数和磁导率接近于空气的材料，例如塑料、陶瓷等。本发明优选热塑性塑料材料，并利用其受热可变形的能力，来形成具有特殊横截面结构的基材。

如图9所示，本发明的基材以一直线为轴线，垂直于该轴线的一切面截得的基材切面为横截面，本发明的基材其横截面为栅格形。栅格形，为由一封闭曲线以一规律阵列且相邻的两封闭曲线相接触而组成的图形，每个封闭曲线即为一个栅格单元。如图8、图9所示的高强度超材料，其栅格单元为矩形，可以看作是由“凵”形和一条直线“一”构成的。又如图11所示的基材横截面，其栅格单元为菱形，可以看作是以菱形对角线为对称轴的两个三角形构成的。又如图12基材横截面，其栅格单元为圆环，可以看作是由两个半圆相接而成。当然，本发明的栅格单元并不必然为规则的几何图形，也可以是其它任意封闭曲线，且所组成的栅格形横截面并不必然其每个栅格单元都完全相同，允许存在一定的变形，或者有局部为实心填充。

采用本发明的栅格形结构的基材，使超材料的主体为空心结构，大大减小了超材料的重量，而这种栅格形结构，类似于蜂窝，各个栅格单元之间相互支撑，一旦受到冲击或挤压，又会相互牵制，阻止变形，因此，采用这样的结构能大大提高抗冲击能力，不易变形。

人造微结构2分布在基材表面上，通常为具有一定几何形状的金属丝，例如“工”字形、雪花形、开口谐振环等。因为人造微结构2的存在，使得基材和人造微结构2构成的超材料能够对电场和磁场产生响应，从而改变电磁波的传播方向，引起电磁波汇聚、发散、偏折等效果。

而由于人造微结构2是附着在基材上的，如果采用传统的注塑、浇注等工艺一次成型得到栅格形基材的话，人造微结构2很难再一一制造到基材上，因为每个栅格都沿轴线方向有一定的纵深，很难保证在纵深内部附着人造微结构的同时可以不破坏到旁边的基材。而且现在传统的附着人造微结构的工艺是电镀、沉淀、蚀刻等，在已经成型的栅格形基材上很难划分需要附着人造微结构的区域和空白区域。

因此，对于本发明这样的栅格形超材料，需要设计一种新的制备方法，如图1所示。本发明的高强度超材料的制备工艺依次包括如下步骤：

S1、制成平板形基材片层1；

S2、在所述基材片层1上附着人造微结构，得到超材料片层3；

S3、将所述超材料片层3弯折成锯齿形；

S4、将多个锯齿形超材料片层3叠加起来，并结合成一体。

步骤S1中，基板片层选用热塑性塑料材料，包括环氧树脂、聚四氟乙烯等。利用普通的塑料成型工艺例如注塑成型来实现，制得的基材片层1如图3所示。

步骤S2中，在基材片层1上附着人造微结构可以通过电镀、沉积、蚀刻、印刷等工艺实现。例如，步骤S2采用蚀刻工艺实现。这里的蚀刻工艺，通常是指光化学蚀刻(photochemical etching)，类似于PCB的制作，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，即为人造微结构，得到的超材料片层3如图4、图5所示。

步骤S2也可采用印刷工艺印制到基材片层上。类似于传统的打印机，将一定粒度范围的金属粉末颗粒放置于一打印机器中，在需要设置人造微结构的区域，将金属颗粒推到基材片层的该区域上并加热融化，使金属颗粒融化成一体形成一条金属丝线，形成“打印”人造微结构2的效果。

采用印刷工艺制作人造微结构的具体工艺，还可以参考专利“Fabricationof electronic components in plastic”(申请号EP20060752653，发明人DavidVictor Thiel和Neeli Madhusudanrao)，其采用压花机(embossing machine)在塑料基材片层1上印制具有一定几何图案的导电人造微结构。这个发明专利说明本发明的步骤S2是可行的。

依次制得各个人造微结构，则基板片层及其上的人造微结构共同构成一个超材料片层3。

步骤S3中，锯齿形是指具有一定形状的齿牙沿一直线方向重复循环地延伸而形成的曲线，齿牙不为直线且不封闭。如图5所示的锯齿形超材料片层3中，每个齿牙为一个“凵”形线的末端接有一个“一”形直线组成的形状，为开口的近似矩形，其对应的锯齿形为这样的齿牙沿平行于“一”形直线的方向循环延伸得到的曲线。

图10所示的超材料，其栅格形横截面可以看成由两条锯齿形曲线依次交替地沿垂直于其齿牙延伸方向堆叠而形成的，且这两条锯齿形曲线对称设置，每个锯齿形的齿牙为开口的近似的三角形，即“∧”形。每两个对称的“∧”形即构成一个栅格单元的菱形。

又如图11所示的超材料，其横截面为圆形栅格，也可以看作是由两条对称的半圆形锯齿形曲线依次交替堆叠而成，每个锯齿形曲线的齿牙为半圆形。

要将平板形的超材料片层3弯折成上述锯齿形，对于热塑性塑料基材片层，通常采用热压成型工艺。为了更好的成型，在成型机的凹模侧可设置抽负压，以使各拐角处充分成型，得到的锯齿形超材料片层3如图6、图7所示。

步骤S4中，将多个锯齿形超材料片层3结合成一体，有多种实现方式，可以用机械连接，也可采用物理化学粘接。

例如，本发明可采用点焊工艺将相邻两个超材料片层3焊接到一起，然后多个依次焊接，这样操作比较复杂，且只能点焊超材料片层3最外侧的位置，稳固性不佳。另外，也可采用在相邻两超材料片层3上打螺纹孔然后用螺栓连接的方式，同样存在操作复杂的问题。

因此，本发明提出一种优选的连接方式，如图2所示，包括以下步骤：

S41、将多个锯齿形超材料片层3自下而上堆叠放置，如图8所示；

S42、对所述多个锯齿形超材料片层3加热，且加热温度低于所述基材片层的熔点；

S43、挤压所述多个锯齿形超材料片层3，使相邻两锯齿形超材料片层3的接触点融合到一起，如图9所示，从而将二者连接结合。

采用这种方法，可以一次将多个超材料片层3粘合，制得的高强度超材料如图10所示。这样制得的超材料，其基材是由多个锯齿形基材片层构成的，具有栅格形横截面，因而具有抗冲击强度高、质量轻的特点。通过设计平板形基材片层1上的人造微结构，可以设计出具有不同电磁响应特性的超材料从而实现各种功能，例如透镜、光束压缩器、光束移动器等。

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之内。

Claims (10)

1.一种高强度超材料，包括基材和附着在所述基材上的人造微结构，其特征在于，所述基材的横截面成栅格形。

2.根据权利要求1所述的高强度超材料，其特征在于，所述栅格的各个格单元为矩形或者菱形或圆形。

3.一种制造权利要求1所述的高强度超材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、制成平板形基材片层；

S2、在所述基材片层上附着人造微结构，得到超材料片层；

S3、将所述超材料片层弯折成锯齿形；

S4、将多个锯齿形超材料片层叠加起来，并结合成一体，使得多个基材片层组成的基材其横截面为栅格形。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2通过蚀刻或印刷工艺附着人造微结构。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3通过热压成型工艺制成。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述锯齿的每个齿牙为矩形或三角形或半圆形。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S4包括以下步骤：

S41、将多个锯齿形超材料片层自下而上堆叠放置；

S42、对所述多个锯齿形超材料片层加热，且加热温度低于所述基材片层的熔点；

S43、挤压所述多个锯齿形超材料片层，使相邻两锯齿形超材料片层的接触点融合到一起，从而将二者连接结合。

8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S4是通过点焊工艺将任意相邻两锯齿形超材料片层连接而实现的。

9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S4通过超材料片层上的螺纹孔和螺栓配合，实现各锯齿形超材料片层的连接结合。

10.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述基材的材料为聚四氟乙烯或环氧树脂。

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