CN103361640A - 一种超材料的加工方法及超材料 - Google Patents

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栾琳
郭洁
杨学龙
郭文鹏
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Abstract

本发明提供一种超材料的加工方法，包括以下步骤：a.设计人造微结构，得到具有预定排列规律的人造微结构阵列，b.将人造微结构阵列转换为工程图样，将工程图样输入激光熔覆设备的数控系统中，c.将金属粉末置于激光熔覆设备的送粉器内，在激光熔覆设备的工作区通入惰性气体，按照工程图样，将金属粉末在超材料基板上熔覆成人造微结构，冷却后得到超材料。本发明超材料的加工方法程序简单、对环境无污染，超材料人造微结构误差较小、金属导电层结构致密，人造微结构导电层厚度可以自由控制。

Description

一种超材料的加工方法及超材料
技术领域
本发明涉及超材料领域，具体地涉及一种超材料的加工方法及超材料。
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。超材料的性质和功能主要来自于其内部的结构而非构成它们的材料。超材料由基板和附着在基板上的人造微结构组成，人造微结构通常为金属线排布成的具有一定几何图形的结构，每个人造微结构的尺寸远小于电磁波波长，其形状和尺寸直接影响到超材料整体的负折射率值和呈现负折射率的频段范围。如何将设计好的人造微结构在基板上实现出来，是超材料制造工艺中的一个关键问题。
现有使用陶瓷基板的超材料加工方法主要有以下两种：1.先在陶瓷基板上覆金属层，再通过曝光、显影、蚀刻等复杂工艺流程制备出导电微结构，但这种方法有以下缺点，a.在陶瓷基板上覆铜较难实现，且大多数经覆铜工艺得到的陶瓷基板铜与陶瓷基材附着力较低、铜层较薄；b.覆铜后再进行曝光、显影、蚀刻等工艺较复杂，大部分金属被蚀刻掉造成浪费，蚀刻过程中使用的耗材和化学药品会污染环境。2.直接在陶瓷基板上丝网印刷导电浆料，形成人造微结构，此工艺也有一些缺点，a.导电浆料配制较难，成本较高；b.导电浆料形成的导电层的电导率较低；c.印刷前需先制作丝网模具，费时费力；d.由于工艺条件限制，制成的人造微结构尺寸误差较大。
综上所述，亟需发明一种制造陶瓷基板超材料的方法，这种方法能够简单、无污染的得到需要的人造微结构，制成超材料的人造微结构应误差较小、金属层与陶瓷基材结合强度高、结构致密。
激光熔覆亦称激光包覆或激光熔敷，是20世纪70年代随着大功率激光器的发展而兴起的一种新的表面改性技术。是在激光束作用下将合金粉末或陶瓷粉末与基体表面迅速加热并熔化，光束移开后自激冷却形成稀释率极低，与基体材料呈冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体表面耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性等的一种表面强化方法。激光熔覆技术涉及光、机、电、计算机控制器(数控系统)、材料、物理、化学等多门学科的跨学科高新技术。一套激光熔覆设备主要有以下几个分系统组成：激光器及其光路系统，数控系统，工作头系统，监控系统等，将预先设计好的CAD图纸导入激光熔覆设备的控制系统，熔覆激光头和送粉喷头按照图纸运作就可实现熔覆涂层的图形化。一般金属的熔点大都比陶瓷的熔点低，通过激光熔覆技术可以将金属粉末熔覆到陶瓷表面形成金属导电涂层。在激光高热效应的作用下金属与陶瓷在界面处形成一层紧密的冶金结合层。如果按照预先设计的图形将金属粉熔覆到陶瓷基底上，就可在介质陶瓷基底上实现图形化的金属导电涂层。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种超材料的加工方法及超材料，使用该加工方法程序简单、对环境无污染，制成的超材料人造微结构误差较小、金属层与陶瓷基材结合强度高、金属导电层结构致密，人造微结构的导电层厚度可以自由控制，具有良好的发展前景。
本发明实现发明目的采用的技术方案是，提供一种超材料的加工方法，包括以下步骤：
a.设计人造微结构，得到具有预定排列规律的人造微结构阵列；
b.将人造微结构阵列转换为工程图样，将工程图样输入激光熔覆设备的数控系统中；
c.将金属粉末置于所述激光熔覆设备的送粉器内，在所述激光熔覆设备的工作区通入惰性气体，按照所述工程图样，将所述金属粉末在超材料基板上熔覆成所述人造微结构，冷却后得到超材料。
优选地，步骤c中，将所述超材料基板抛光，依次使用酸、碱、无水乙醇溶液对所述超材料基板进行超声波清洗。
优选地，步骤c中，将所述超材料置于真空退火炉中进行回火处理。
优选地，所述金属粉末的粒径为2-8μm。
优选地，所述惰性气体为氩气、氖气、氦气。
优选地，所述熔覆过程的金属粉末喷射速率V1＝1-3g/s。
优选地，所述熔覆过程的工作头移动速率V2＝5-9m/S。
优选地，所述熔覆过程的惰性气体喷射速率V3＝1-3L/s。
优选地，所述熔覆过程的激光能量为E＝500-900W/cm2。
优选地，所述回火处理的升温速率V4＝5-15℃/S。
优选地，所述回火处理的回火温度t＝500-1000℃，保温时间T＝30-60min。
本发明的有益效果是：1.该超材料的加工方法采用激光熔覆工艺，在其数控单元输入事先设计的工程图样，就可以直接得到所需的人造微结构，人造微结构尺寸误差较小，在此过程中基本没有对环境造成污染，2.经激光熔覆工艺形成超材料的人造微结构与陶瓷基板间是冶金结合，冶金结合的结合强度较高，且得到的人造微结构比较致密，其导电性能与相同材质的纯金属块材性能一致，3.通过调节激光熔覆设备的送粉速率，可以调节人造微结构的熔覆层厚度，便于对人造微结构厚度的控制。
附图说明
图1，本发明优选实施例超材料加工方法流程图；
图2，本发明优选实施例激光熔覆设备结构示意图；
图3，磁性人造微结构示意图；
图4，又一磁性人造微结构示意图；
图5，另一磁性人造微结构示意图；
图6，磁性超材料结构示意图；
图7，磁性超材料仿真效果示意图；
图8，高介电常数超材料人造微结构示意图；
图9，高介电常数超材料结构示意图；
图10，又一高介电常数超材料人造微结构示意图；
图11，另一高介电常数超材料人造微结构示意图；
图中，10激光器，11数控系统，12反射镜，13同轴工作头，14位置监控仪，15测温仪，16熔池，17送粉器，18四路分粉器，101激光束，102粉末流，1实施例1人造微结构，2实施例1基板，3实施例2人造微结构，4实施例2基板。
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为本发明优选实施例超材料的加工方法流程图，根据图1可知，本发明超材料的加工方法包括以下步骤：
a.设计人造微结构，得到具有预定排列规律的人造微结构阵列。
b.将人造微结构阵列转换为工程图样，将工程图样输入激光熔覆设备的数控系统中。
c.将金属粉末置于激光熔覆设备的送粉器17内，在激光熔覆设备的工作区通入惰性气体，按照工程图样，将金属粉末在超材料基板上熔覆成人造微结构，冷却后得到超材料。
应当理解，惰性气体为氩气、氖气、氦气中的一种或上述气体的混合气体。
应当理解，金属粉末粒径为2-9μm。
应当理解，步骤c中，将超材料基板进行抛光，依次使用酸、碱、无水乙醇溶液对其进行超声波清洗。
应当理解，熔覆过程的金属粉末喷射速率V1＝1-3g/s，熔覆过程的工作头移动速率V2＝5-9m/S，熔覆过程的惰性气体喷射速率V3＝1-3L/s，熔覆过程的激光能量为E＝500-900W/cm2。
应当理解，步骤c中，对超材料进行回火处理能去除应力，使金属的晶粒长大，电阻减小，从而让金属附着陶瓷基板更紧密，回火处理的升温速率V4＝5-15℃/S，回火处理的回火温度t＝500-1000℃，保温时间T＝30-60min。
图2为激光熔覆设备的结构示意图，图中10为激光器，发出激光束101，11为数控系统，控制激光熔覆设备按照输入的CAD图样进行熔覆过程，12反射镜，用于反射激光器10发出的激光束101进入同轴工作头13，同轴工作头13内激光束101将金属粉末熔融形成粉末流102，粉末流12在数控系统11的控制下进入置有陶瓷基板的熔池16，15为测温仪，用于测量熔覆过程中粉末流102的温度，17为送粉器，将金属粉末置于送粉器17中，经由四路分粉器18将金属粉末置于同轴工作头13中，14为位置监控仪，监控同轴工作头13是否在数控系统11的精确控制下工作。应当理解，四路分粉器18的作用为对送粉量实现更精确的控制。
实施例1
经过特殊设计的超材料能对磁信号产生响应，其表现为超材料的磁导率为负值，这种超材料一般称为磁性超材料，磁性超材料的加工方法，包括以下步骤：
a.设计磁性超材料人造微结构，得到具有预定排列规律的人造微结构阵列，如图3所示，磁性人造微结构能实现磁性超材料磁导率为负的特性，应当理解，经仿真发现，图4、图5中的磁性人造微结构均能实现磁性超材料磁导率为负的特性。
b.将磁性人造微结构1的阵列转换为工程图样，将工程图样输入激光熔覆设备的数控系统11中。
c.将氮化铝陶瓷基板抛光，并依次使用酸、碱、无水乙醇溶液对氮化铝陶瓷基板进行超声波清洗。将粒径为4μm的铜粉末置于激光熔覆设备的送粉器17内，在工作区通入氦气，设置熔覆参数：铜粉末喷射速率V1＝2g/s，熔覆过程的工作头移动速率V2＝7m/S，熔覆过程的氦气喷射速率V3＝1L/s，熔覆过程的激光能量为E＝600W/cm2，开始熔覆过程，冷却后得到超材料。
将超材料用无水乙醇溶液清洗后，置于真空退火炉中进行回火处理，回火处理的升温速率V4＝10℃/S，回火处理的回火温度t＝600℃，保温时间T＝30min，冷却后得到上述磁性超材料，磁性超材料如图6所示，多个人造微结构1周期性阵列排布在氮化铝陶瓷基板2上。
如图7所示，用CST Studio Suite2010对得到的磁性超材料进行仿真，仿真发现经过上述超材料的加工方法制成的磁性超材料能实现磁导率为负，对磁信号能够产生响应。
实施例2
一些经过特殊设计的超材料能对电信号产生响应，表现为超材料具有超高的介电常数，高介电常数超材料的加工方法，包括以下步骤：
a.设计高介电常数超材料人造微结构，得到具有预定排列规律的人造微结构阵列，如图8所示，高介电常数人造微结构能实现超材料具有超高的介电常数，应当理解，经仿真发现，图10、图11中的人造微结构均能实现超材料具有超高的介电常数。
b.将如图8所示的高介电常数人造微结构工程图样，将工程图样输入激光熔覆设备的数控系统11中。
c.将氧化铝陶瓷基板4抛光，并依次使用酸、碱、无水乙醇溶液对工作面进行超声波清洗。将粒径为5μm的铜粉末置于激光熔覆设备的送粉器17内，在工作区通入氦气，设置熔覆参数：铜粉末喷射速率V1＝2g/s，熔覆过程的工作头移动速率V2＝8m/S，熔覆过程的氦气喷射速率V3＝1.5L/s，熔覆过程的激光能量为E＝600W/cm2，开始熔覆过程，冷却后得到超材料。
将超材料用无水乙醇溶液清洗后，置于真空退火炉中进行回火处理，回火处理的升温速率V4＝12℃/S，回火处理的回火温度t＝700℃，保温时间T＝60min，冷却后得到上述高介电常数超材料，高介电常数超材料的结构如图9所示，多个人造微结构3周期性阵列排布在氧化铝陶瓷基板4上。
本发明超材料的加工方法采用激光熔覆工艺，在其数控单元输入事先设计的CAD图，就可以直接得到所需的人造微结构，人造微结构尺寸误差较小，在此过程中基本没有对环境造成污染，同时，经激光熔覆工艺形成的人造微结构与陶瓷基板间是冶金结合，冶金结合的结合强度较高，且得到人造微结构比较致密，其导电性能与相同材质的纯金属块材性能一致，通过调节激光熔覆设备的送粉速率，可以调节人造微结构的熔覆层厚度，具有良好的开发与应用前景。
本发明中的上述实施例仅作了示范性描述，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 (11)

1.一种超材料的加工方法，其特征在于，所述超材料的加工方法包括以下步骤，
a.设计人造微结构，得到具有预定排列规律的人造微结构阵列；
b.将所述人造微结构阵列转换为工程图样，将所述工程图样输入激光熔覆设备的数控系统中；
c.将金属粉末置于所述激光熔覆设备的送粉器内，在所述激光熔覆设备的工作区通入惰性气体，按照所述工程图样，将所述金属粉末在超材料基板上熔覆成所述人造微结构，冷却后得到超材料。
2.根据权利要求1所述超材料的加工方法，其特征在于，步骤c中，将所述超材料基板抛光，依次使用酸、碱、无水乙醇溶液对所述超材料基板进行超声波清洗。
3.根据权利要求1所述超材料的加工方法，其特征在于，步骤c中，将所述超材料置于真空退火炉中进行回火处理。
4.根据权利要求1所述超材料的加工方法，其特征在于，所述金属粉末的粒径为2-8μm。
5.根据权利要求1所述超材料的加工方法，其特征在于，所述惰性气体为氩气、氖气、氦气。
6.根据权利要求1所述超材料的加工方法，其特征在于，所述熔覆过程的金属粉末喷射速率V1＝1-3g/s。
7.根据权利要求1所述超材料的加工方法，其特征在于，所述熔覆过程的工作头移动速率V2＝5-9m/s。
8.根据权利要求1所述超材料的加工方法，其特征在于，所述熔覆过程的惰性气体喷射速率V3＝1-3L/s。
9.根据权利要求1所述超材料的加工方法，其特征在于，所述熔覆过程的激 光能量为E＝500-900W/cm2。
10.根据权利要求3所述超材料的加工方法，其特征在于，所述回火处理的升温速率V4＝5-15℃/s。
11.根据权利要求3所述超材料的加工方法，其特征在于，所述回火处理的回火温度t＝500-1000℃，保温时间T＝30-60min。 
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