CN102969570B - 一种超材料板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超材料板，所述超材料板包括至少一个片层，所述片层由多个独立的超材料单元拼装形成，每一超材料单元包括一基材单元以及附着在基材单元上的人造微结构。本发明的超材料板，由多个独立的超材料单元拼装在一起形成，每个独立的超材料单元可以拆卸下来重复利用，有利于节省成本。另外，本发明还公开了一种超材料板的制备方法。

Description

一种超材料板及其制备方法

技术领域

本发明属于新材料领域，更具体地说，涉及一种超材料板及其制备方法。

背景技术

现有的超材料板制备主要是采用在基板(如FR4复合材料)上，像印刷电路板一样，在基板上印制多个金属微结构形成一个片层，再将多个片层层叠形成超材料板。

上述方法得到的超材料板一次成型一次使用，不能够更改或重复利用，且其大小受到印刷电路板机器最大工作平面的制约。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术中的缺陷，提供一种可以重复利用的超材料板。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种超材料板，所述超材料板包括至少一个片层，所述片层由多个独立的超材料单元拼装形成，每一超材料单元包括一基材单元以及附着在基材单元上的人造微结构。

进一步地，所述每一超材料单元上设置有用于识别其电磁参数的标签。

进一步地，所述人造微结构为金属微结构，所述金属微结构由一根或多根金属线构成。

进一步地，所述基材单元为一长方体，所有基材单元的尺寸相同，每一基材单元的长、宽及高的尺寸均不大于入射电磁波波长的五分之一。

进一步地，所述每一基材单元为一立方体，所述每一基材单元的边长为入射电磁波波长的十分之一。

根据本发明的本发明的超材料板，由多个独立的超材料单元拼装在一起形成，根据不同的功能要求，可以从超材料单元库中选择不同的超材料单元来拼装，灵活性好。在使用完成后，每个独立的超材料单元可以拆卸下来重新放入超材料单元库，以便下一次使用，有利于节省成本。特别是在超材料的研发测试阶段，此时往往不需要过高的精度，此时用这种形式的超材料板，其优势更加明显。

另外，本发明还提供了一种超材料板制备方法，所述方法包括如下步骤：

S1、制备至少一个超材料薄板；

S2、对超材料薄板进行裂片，得到多个独立的超材料单元；

S3、对每一超材料单元添加标签，建立超材料单元库；

S4、从超材料单元库中选择多个超材料单元紧密排布成至少一层；

S5、将所有的超材料单元拼装成一块超材料板。

进一步地，S1中的超材料薄板通过在介质基板上印刷多个金属微结构得到。

进一步地，同一超材料板薄板上印刷相同尺寸的金属微结构。

进一步地，S2中裂片的具体方法为，在介质基板上划出凹槽以将介质基板分成多个相同的基材单元，再用粘性柔软薄膜覆盖介质基板具有凹槽的表面，冲击介质基板另一面，得到多个独立的排布在粘性柔软薄膜上超材料单元。

进一步地，S4的具体方法是，依据超材料板的电磁参数分布，使用分选机实现超材料单元的空间排布。

根据本发明的超材料板制备方法，根据不同的功能要求，可以制备多个不同的超材料薄板，也就是说可以得到不同电磁参数的多个超材料单元，可以从超材料单元库中选择不同的超材料单元来拼装，灵活性好。在使用完成后，每个独立的超材料单元可以拆卸下来重新放入超材料单元库，以便下一次使用，有利于节省成本。特别是在超材料的研发测试阶段，此时往往不需要过高的精度，此时用这种形式的超材料板制备方法，其优势更加明显。

附图说明

图1是本发明的超材料板的结构示意图；

图2是本发明一种形式的超材料单元的结构示意图；

具体实施方式

如图1及图2所示，本发明提供了一种超材料板100，所述超材料板100包括至少一个片层10，所述片层10由多个独立的超材料单元D拼装形成，每一超材料单元D包括一基材单元V以及附着在基材单元上的人造微结构12。此处的拼装可以是胶水粘接，或是卡扣连接(即每一超材料单元预先设计好卡扣结构)，还可以是类似于积木形式的插接；在胶水粘接时，其粘接的强度要小于基材单元本身的强度，这样，才能将粘接一体的超材料板用外力分离开来，又不会损伤每一个超材料单元，有利于重复使用。这里的片层是一个人为的概念，即为了方便描述，人为地将整个超材料板划分为多个片层，每一片层的厚度方向上只有一个超材料单元。因此，不能机械地理解为每一片层是一个独立的部分，本发明中，超材料板100可以是，例如通过注塑形成的一个整体结构，也可以是多片独立的片层贴合在一起形成的结构。每一基材单元V可以是完全相同的方块，可以是立方体，也可是长方体，每一基材单元V的长、宽、高体积不大于入射电磁波波长的五分之一(通常为入射电磁波波长的十分之一)，以使得整个超材料板对电磁波具有连续的电场和/或磁场响应。优选情况下，所述基材单元V为边长是入射电磁波波长十分之一的立方体。

本发明的所述每一超材料单元D上设置有用于识别其电磁参数的标签，所述标签优选为电子标签。

本发明中，所述超材料板的基材单元V由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料等制得。高分子材料可选用的有聚四氟乙烯、环氧树脂、F4B复合材料、FR-4复合材料等。例如，聚四氟乙烯的电绝缘性非常好，因此不会对电磁波的电场产生干扰，并且具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性，使用寿命长。

本发明的人造微结构12优选为金属微结构，所述金属微结构由一条或多条金属线组成。金属线本身具有一定的宽度及厚度。本发明的金属微结构优选为具有各向同性的电磁参数的金属微结构，如图2所述的平面雪花状的金属微结构。

对于具有平面结构的人造微结构，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；对于具有三维结构的人造微结构，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。当人造微结构为90度旋转对称结构时，人造微结构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(交点为旋转中心)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。

图2所示的平面雪花状的金属微结构即为各向同性的人造微结构的一种形式，所述的雪花状的金属微结构具有相互垂直平分的第一金属线121及第二金属线122，所述第一金属线121两端连接有相同长度的两个第一金属分支1211，所述第一金属线121两端连接在两个第一金属分支1211的中点上，所述第二金属线122两端连接有相同长度的两个第二金属分支1221，所述第二金属线122两端连接在两个第二金属分支1221的中点上。

已知折射率其中μ为相对磁导率，ε为相对介电常数，μ与ε合称为电磁参数。实验证明，电磁波通过折射率非均匀的介质材料时，会向折射率大的方向偏折(向折射率大的超材料单元偏折)。因此，本发明的超材料板通过不同的电磁参数的超材料单元D的排布，可以实现对电磁波方向的精确控制，例如汇聚、发散等，即可以实现透镜的功能。在基材单元V的材料选定的情况下，可以通过设计人造微结构的形状、几何尺寸，通过计算机仿真获得每一超材料单元的电磁参数，再打上电子标签，即可方便构建超材料板时使用。

根据本发明的本发明的超材料板，由多个独立的超材料单元拼装在一起形成，根据不同的功能要求，可以从超材料单元库中选择不同的超材料单元来拼装，灵活性好。在使用完成后，每个独立的超材料单元可以拆卸下来重新放入超材料单元库，以便下一次使用，有利于节省成本。特别是在超材料的研发测试阶段，此时往往不需要过高的精度，此时用这种形式的超材料板，其优势更加明显。

另外，本发明还提供了一种超材料板制备方法，所述方法包括如下步骤：

S1、制备至少一个超材料薄板；

S2、对超材料薄板进行裂片，得到多个独立的超材料单元；

S3、对每一超材料单元添加标签，建立超材料单元库；

S4、从超材料单元库中选择多个超材料单元紧密排布成至少一层；

S5、将所有的超材料单元拼装成一块超材料板。

本发明中，步骤S1中，超材料薄板通过在介质基板上印刷多个金属微结构得到。另外，为了简化工艺，同一超材料板薄板上印刷相同尺寸的金属微结构。

本发明中，步骤S2中，裂片的具体方法为，在介质基板上划出凹槽以将介质基板分成多个相同的基材单元，再用粘性柔软薄膜覆盖介质基板具有凹槽的表面，冲击介质基板另一面，得到多个独立的排布在粘性柔软薄膜上超材料单元。

本发明中，S4的具体方法是，依据超材料板的电磁参数分布，使用分选机实现超材料单元的空间排布，分选机的结构形式及工作原理可参考LED分选机。分选机，读取电子标签的信息(电磁参数)，通过机械手将多个不同的超材料单元按需要排布成一层或多层。

排布好的超材料单元拼装在一起即得到了本发明的超材料板，此处的拼装可以是胶水粘接，或是卡扣连接(即每一超材料单元预先设计好卡扣结构)，还可是是类似于积木形式的插接；在胶水粘接时，其粘接的强度要小于基材单元本身的强度，这样，才能将粘接一体的超材料板用外力分离开来，又不会损伤每一个超材料单元，有利于重复使用。

根据本发明的超材料板制备方法，根据不同的功能要求，可以制备多个不同的超材料薄板，也就是说可以得到不同电磁参数的多个超材料单元，可以从超材料单元库中选择不同的超材料单元来拼装，灵活性好。在使用完成后，每个独立的超材料单元可以拆卸下来重新放入超材料单元库，以便下一次使用，有利于节省成本。特别是在超材料的研发测试阶段，此时往往不需要过高的精度，此时用这种形式的超材料板制备方法，其优势更加明显。

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 (8)

1.一种超材料板，其特征在于，所述超材料板包括至少一个片层，所述片层由多个独立的超材料单元拼装形成，每一超材料单元包括一基材单元以及附着在基材单元上的人造微结构，其中，每一基材单元的长、宽及高的尺寸均不大于入射电磁波波长的五分之一,其中,所述人造微结构为金属微结构，所述金属微结构具有相互垂直平分的第一金属线及第二金属线,所述第一金属线的两端连接有相同长度的两个第一金属分支,所述第一金属线的两端连接在所述两个第一金属分支的中点上,所述第二金属线的两端连接有相同长度的两个第二金属分支,所述第二金属线的两端连接在所述两个第二金属分支的中点上。

2.根据权利要求1所述的超材料板，其特征在于，所述每一超材料单元上设置有用于识别其电磁参数的标签。

3.根据权利要求1所述的超材料板，其特征在于，所述基材单元为一长方体，所有基材单元的尺寸相同。

4.根据权利要求3所述的超材料板，其特征在于，所述每一基材单元为一立方体，所述每一基材单元的边长为入射电磁波波长的十分之一。

5.一种超材料板制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1、制备至少一个超材料薄板；

S2、对超材料薄板进行裂片，得到多个独立的超材料单元；

S3、对每一超材料单元添加标签，建立超材料单元库；

S4、从超材料单元库中选择多个超材料单元紧密排布成至少一层；

S5、将所有的超材料单元拼装成一块超材料板；

其中，每一超材料单元包括一基材单元以及附着在基材单元上的人造微结构，每一基材单元的长、宽及高的尺寸均不大于入射电磁波波长的五分之一，S1中的超材料薄板通过在介质基板上印刷多个金属微结构得到,其中,所述金属微结构具有相互垂直平分的第一金属线及第二金属线,所述第一金属线的两端连接有相同长度的两个第一金属分支,所述第一金属线的两端连接在所述两个第一金属分支的中点上,所述第二金属线的两端连接有相同长度的两个第二金属分支,所述第二金属线的两端连接在所述两个第二金属分支的中点上。

6.根据权利要求5所述的超材料板制备方法，其特征在于，同一超材料板薄板上印刷相同尺寸的金属微结构。

7.根据权利要求5所述的超材料板制备方法，其特征在于，S2中裂片的具体方法为，在介质基板上划出凹槽以将介质基板分成多个相同的基材单元，再用粘性柔软薄膜覆盖介质基板具有凹槽的表面，冲击介质基板另一面，得到多个独立的排布在粘性柔软薄膜上超材料单元。

8.根据权利要求5所述的超材料板制备方法，其特征在于，S4的具体方法是，依据超材料板的电磁参数分布，使用分选机实现超材料单元的空间排布。