CN103296439B - 一种超材料 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超材料，由至少一个超材料片层叠加形成，每一个超材料片层包括基板、空板及设置在基板与空板之间的呈周期排布的多个人造微结构，所述空板开设有周期排布的多个微孔。根据本发明的超材料，空板通过开设多个微孔来降低自身的介电常数与介电损耗，可以通过控制微孔的形状、排布来控制空板的孔隙率，从而得到想要的介电常数的基板，从而控制超材料片层的介电常数，以此得到介电常数较小且介电损耗较小的超材料片层。

Description

一种超材料

技术领域

本发明属于人工复合材料领域，尤其涉及一种超材料。

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，从而或得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。超材料通常包括基板及周期排布在基板上的多个人造微结构，每一人造微结构与其附着的那部分基板可以看做是一个超材料单元。超材料的性质和功能由基板的特性及周期排布在基板上的人造微结构的特性共同决定。对应于特定频率的电磁波，每一超材料单元表现出一个等效介电常数与磁导率，而这两个物理参数分别对应了材料的电场响应与磁场响应。

目前超材料结构的实现主要还是以在PCB板(例如FR-4、F4b)上制作金属线完成，PCB所采用的基板含胶量一般在50％左右，密度1.6左右，因此用多层板压合得到的超材料重量较重，现在大部分电磁产品都有轻量化的要求，因此降低超材料的密度具有很高的实际意义。

同时目前市售的PCB基板因里面含有大量的增强纤维，介电损耗较大。并且FR-4、F4b等此类材料制成的基板介电常数一般在2以上。以此为基板的超材料通常介电常数较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种介电常数较小且介电损耗较小的超材料。

本发明为解决上述的技术问题所采用的技术方案是：一种超材料，由至少一个超材料片层叠加形成，每一个超材料片层包括基板、空板及设置在基板与空板之间的呈周期排布的多个人造微结构，所述空板开设有周期排布的多个微孔。

进一步地，所述空板由热塑性树脂或其改性材料制得，所述热塑性树脂材料为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚酯、特氟龙或热塑性有机硅。

进一步地，所述空板由热固性树脂或其改性材料制得，所述热固性树脂材料为环氧树脂、酚醛树脂聚氨酯、酚醛或热固性有机硅。

进一步地，所述微孔为圆孔、方孔或三角形孔。

进一步地，所述空板孔隙率为10-90％。

进一步地，所述基板由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。

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条或多条金属线组成，所述金属线为铜线或银线。

进一步地，所述人造微结构为平面雪花状的金属微结构，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，所述第一金属线两端连接在两个第一金属分支的中点上，所述第二金属线两端连接有相同长度的两个第二金属分支，所述第二金属线两端连接在两个第二金属分支的中点上，所述第一金属分支与第二金属分支的长度相等。

进一步地，所述基板上的多个金属微结构通过如下方法得到：

S1、利用热熔胶在基板表面粘贴预定厚度的金属薄层；

S2、通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法得到多个金属微结构。

进一步地，所述金属薄层的厚度为0.005-0.1mm，热熔胶的厚度为0.01-0.2mm，所述基板的厚度为0.1-5mm，所述空板的厚度为0.1-5mm。

根据本发明的超材料，空板通过开设多个微孔来降低自身的介电常数与介电损耗，可以通过控制微孔的形状、排布来控制空板的孔隙率，从而得到想要的介电常数的基板，从而控制超材料片层的介电常数，以此得到介电常数较小且介电损耗较小的超材料片层。并且在磁导率不变的情况下，相当于降低了空板及超材料片层的折射率。

附图说明

图1为本发明的超材料片层的结构示意图；

图2为本发明的超材料片层去掉空板以后的结构示意图；

图3是本发明的平面雪花状的金属微结构的示意图；

图4是图3所示的平面雪花状的金属微结构的一种衍生结构；

图5是图3所示的平面雪花状的金属微结构的一种变形结构；

图6为本发明的超材料片层中金属薄层、热熔胶及基板三者的叠加示意图；

图7为本发明的多个超材料片层叠加形成超材料的示意图；

图8为本发明第一种形式的空板；

图9为本发明第一种形式的空板其CST仿真图；

图10为本发明第二种形式的空板；

图11为本发明第二种形式的空板其CST仿真图；

图12为本发明第三种形式的空板；

图13为本发明第三种形式的空板其CST仿真图；

图14为本发明第四种形式的空板；

图15为本发明第四种形式的空板其CST仿真图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的超材料，由至少一个如图1所示的超材料片层10叠加形成，如图1及图2所示，每一个超材料片层10包括基板11、空板13及设置在基板11与空板13之间的呈周期排布的多个人造微结构12，所述空板13开设有周期排布的多个微孔，优选地，所述微孔为圆孔、方孔或三角形孔，圆孔、方孔及三角形孔等加工比较简单，当然有需要，微孔也可以有其它形状，例如圆锥孔、圆台孔，或其它不规则形状。图7为本发明的多个超材料片层叠加形成超材料的示意图，图中超材料具有三个超材料片层10，如图7所示，所述多个超材料片层10通过热熔胶RJ连接成为一体，热熔胶的厚度为0.01-0.2mm，例如0.08mm。

热熔胶是指在常温下为固态，加热后能熔融且在熔融状态下具有粘性的一类高分子树脂材料，例如聚酰胺、聚胺酯、聚乙烯等。

当然，超材料片层10的数量根据不同的需要可以灵活设置。

本发明中，所述空板可以由热塑性树脂或其改性材料制得，热塑性树脂材料为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚酯、特氟龙或热塑性有机硅等。

本发明中，所述空板也可以由热固性树脂或其改性材料制得，所述热固性树脂材料为环氧树脂、酚醛树脂聚氨酯、酚醛或热固性有机硅等。

本发明中，所述基板由陶瓷材料、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。

本发明中，优选地，所述空板孔隙率为10-90％。不同的孔隙率可以通过微孔的形状及其排布方式获得。

本发明中，所述空板可以通过以下步骤得到：

S1、将有机树脂溶液及固化剂混合均匀，得到混合溶液；

S2、固化，得到有机树脂板，例如PS板(聚苯乙烯板)；

S3、在有机树脂板上机械加工出多个微孔，即得到本发明的空板。

本发明中，所述人造微结构优选为金属微结构，所述金属微结构由一条或多条金属线组成，所述金属线优选为铜线或银线。

本发明中，所述人造微结构可以是如图3所示的平面雪花状的金属微结构，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J1及第二金属线J2，所述第一金属线J1与第二金属线J2的长度相同，所述第一金属线J1两端连接有相同长度的两个第一金属分支F1，所述第一金属线J1两端连接在两个第一金属分支F1的中点上，所述第二金属线J2两端连接有相同长度的两个第二金属分支F2，所述第二金属线J2两端连接在两个第二金属分支F2的中点上，所述第一金属分支F1与第二金属分支F2的长度相等。

图4是图3所示的平面雪花状的金属微结构的一种衍生结构。其在每个第一金属分支F1及每个第二金属分支F2的两端均连接有完全相同的第三金属分支F3，并且相应的第三金属分支F3的中点分别与第一金属分支F1及第二金属分支F2的端点相连。依此类推，本发明还可以衍生出其它形式的金属微结构。

图5是图3所示的平面雪花状的金属微结构的一种变形结构，此种结构的金属微结构，第一金属线J1与第二金属线J2不是直线，而是弯折线，第一金属线J1与第二金属线J2均设置有两个弯折部WZ，但是第一金属线J1与第二金属线J2仍然是垂直平分，通过设置弯折部的朝向与弯折部在第一金属线与第二金属线上的相对位置，使得图5所示的金属微结构绕垂直于第一金属线与第二金属线交点的轴线向任意方向旋转90度的图形都与原图重合。另外，还可以有其它变形，例如，第一金属线J1与第二金属线J2均设置多个弯折部WZ。

本发明中，所述基板上的多个金属微结构通过如下方法得到：

S1、利用热熔胶在基板表面粘贴预定厚度的金属薄层；所述金属薄层的厚度为0.005-0.1mm(金属薄层的厚度即金属微结构的厚度)，例如0.018mm，热熔胶的厚度为0.01-0.2mm，例如0.08mm，基板的厚度为0.1-5mm，例如0.4mm。图6为本发明的超材料片层中金属薄层、热熔胶及基板三者的叠加示意图，金属薄层JS、热熔胶RJ及基板11三者依次叠加。

S2、通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法得到多个金属微结构。优选为蚀刻。将要蚀刻区域(金属微结构以外的区域)的保护膜去除，在蚀刻时接触化学溶液，达到溶解腐蚀的作用，最终剩下的即为我们需要的在基板上周期排布的金属微结构。

将空板13覆盖在蚀刻好的金属微结构上，即形成了如图1所示的一个超材料片层10，空板与金属微结构之间也用热熔胶连接。其中，空板的作用为调节超材料片层的介电常数，使其能够得到较小的介电常数，从而使得整个超材料片层的介电常数降低。空板的厚度为0.1-5mm，例如1.7mm。

图8所示为本发明第一种形式的空板KB1，所述空板KB1为PS板，PS材料本身的介电常数为2.48，所述空板KB1呈圆盘状，空板的尺寸为直径13.44mm(即图中圆周Q1的直径为13.44mm)，厚度1.7mm，所述空板KB 1上开设有周期排布的多个圆形的微孔WK1，优选地，所有微孔WK1体积相同(即孔径相同)，微孔WK1的孔径为0.2mm，孔间距为0.1mm(此处孔间距指的是孔与孔之间的间隔)，所有微孔WK1所占据的范围的直径为12mm(即图中圆周Q2的直径为12mm)，通过计算得到其孔隙率为37.9％。

图9为图8所示的空板在CST中的仿真图，可以看出，随着频率的增大，其折射率缓慢增大，其在7GHZ频率下的折射率为1.4686。

图10所示为本发明第二种形式的空板KB2，所述空板KB2为PS板，PS材料本身的介电常数为2.48，所述空板KB2呈圆盘状，空板的尺寸为直径13.44mm(即图中圆周Q1的直径为13.44mm)，厚度1.7mm，所述空板KB2上开设有周期排布的多个方形的微孔WK2，优选地，所有微孔WK2体积相同(即孔径相同)，微孔WK2的孔径为0.2mm，孔间距为0.1mm(此处孔间距指的是孔与孔之间的间隔)，所有微孔WK2所占据的范围的直径为12mm(即图中圆周Q2的直径为12mm)，通过计算得到其孔隙率为43.4％。

图11为图10所示的空板在CST中的仿真图，可以看出，随着频率的增大，其折射率缓慢增大，其在8GHZ频率下的折射率为1.4506。

图12所示为本发明第三种形式的空板KB3，所述空板KB3为PS板，PS材料本身的介电常数为2.48，所述空板KB3呈圆盘状，空板的尺寸为直径13.44mm(即图中圆周Q1的直径为13.44mm)，厚度1.7mm，所述空板KB3上开设有周期排布的多个圆形的微孔WK3，优选地，所有微孔WK3体积相同(即孔径相同)，微孔WK3的孔径为0.5mm，孔间距为0.1mm(此处孔间距指的是孔与孔之间的间隔)，所有微孔WK3所占据的范围的直径为12mm(即图中圆周Q2的直径为12mm)，通过计算得到其孔隙率为50.86％。

图13为图12所示的空板在CST中的仿真图，可以看出，随着频率的增大，其折射率缓慢增大，其在8GHZ频率下的折射率为1.2952。

图14所示为本发明第四种形式的空板KB4，所述空板KB4为PS板，PS材料本身的介电常数为2.48，所述空板KB4呈圆盘状，空板的尺寸为直径13.44mm(即图中圆周Q1的直径为13.44mm)，厚度1.7mm，所述空板KB4上开设有周期排布的多个方形的微孔WK4，优选地，所有微孔WK4体积相同(即孔径相同)，微孔WK4的孔径为1mm，孔间距为0.1mm(此处孔间距指的是孔与孔之间的间隔)，所有微孔WK4所占据的范围的直径为12mm(即图中圆周Q2的直径为12mm)，通过计算得到其孔隙率为84.8％。

图15为图14所示的空板在CST中的仿真图，可以看出，随着频率的增大，其折射率缓慢增大，其在8GHZ频率下的折射率为1.2294。

从以上四种形式的空板的仿真结果，我们可以看出，孔隙率越大，折射率越低，四种形式的空板其磁导率实际上是相差不大(基本上等于1)。

已知折射率其中μ为相对磁导率，ε为相对介电常数。从上述公式可以看出，折射率越大的，介电常数也越大。即我们可以得到孔隙率越大，介电常数越低。这是因为空气的相对介电常数为1，因此孔隙率越大代表空气在空板中所占据的体积越大，则空板的介电常数越接近于1；同理，孔隙率越小代表空气在空板中所占据的体积越小，则空板的介电常数越接近于空板的原材料(例如介电常数为2.4的PS)，因此，可以通过控制空板的孔隙率来得到想要的介电常数的空板，例如，当空板采用介电常数为2.4的PS为原材料时，其介电常数可以在1至2.4之间变化。

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，由至少一个超材料片层叠加形成，其特征在于，每一个超材料片层包括基板、空板及设置在基板与空板之间的呈周期排布的多个人造微结构，所述空板开设有周期排布的多个微孔；所述人造微结构为由一条或多条金属线组成的平面雪花状的金属微结构，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，所述第一金属线与所述第二金属线的长度相同，所述第一金属线两端连接有相同长度的两个第一金属分支，所述第一金属线两端连接在两个第一金属分支的中点上，所述第二金属线两端连接有相同长度的两个第二金属分支，所述第二金属线两端连接在两个第二金属分支的中点上，所述第一金属分支与第二金属分支的长度相等；所述第一金属分支和所述第二金属分支的两端均连接有长度相同的第三金属分支。

2.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述空板由热塑性树脂或其改性材料制得，所述热塑性树脂材料为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚酯、特氟龙或热塑性有机硅。

3.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述空板由热固性树脂或其改性材料制得，所述热固性树脂材料为环氧树脂、酚醛树脂聚氨酯、酚醛或热固性有机硅。

4.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述微孔为圆孔、方孔或三角形孔。

5.根据权利要求4所述的超材料，其特征在于，所述空板孔隙率为10-90％。

6.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述基板由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。

7.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述金属线为铜线或银线。

8.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述基板上的多个金属微结构通过如下方法得到：

S1、利用热熔胶在基板表面粘贴预定厚度的金属薄层；

S2、通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法得到多个金属微结构。

9.根据权利要求8所述的超材料，其特征在于，所述金属薄层的厚度为0.005-0.1mm，热熔胶的厚度为0.01-0.2mm，所述基板的厚度为0.1-5mm，所述空板的厚度为0.1-5mm。