CN103390799A - 一种超材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超材料及其制备方法。该方法主要包括：在热塑性基材表面设置粘接层；加热使所述热塑性基材表面的粘接层熔化；将金属薄片贴覆在热塑性基材表面的熔融粘接层上；冷却使金属薄片与热塑性基材之间的熔融粘接层固化。通过上述方式，得到的超材料具有介电常数和介电损耗低的优点，能够很好的满足超材料的应用。

Description

一种超材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种超材料及其制备方法。

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，因此为设计和合成超材料，人们进行了很多研究工作。2000年，加州大学的Smith等人指出周期性排列的金属线和开环共振器（SRR）的复合结构可以实现介电常数ε和磁导率μ同时为负的双负材料，也称左手材料。之后他们又通过在印刷电路板(PCB)上制作金属线和SRR复合结构实现了二维的双负材料。

目前超材料的实现是在刚性PCB板上制作金属微结构完成，其中，基板材料所使用的绝缘材料主要有环氧树脂、聚四氟乙烯（PTFE）、聚酰亚胺等。使用环氧树脂、聚酰亚胺为基材，其介电损耗较大，影响整个超材料性能；而使用PTFE则成本高。

此外，热塑性树脂如聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯等的介电损耗小于0.001，而且成本低，是制备超材料的理想材料。

但由于热塑性树脂材料的表面极性较小，导致其表面粘结性较差，因此在覆铜后其与铜的结合差，无法满足要求。目前使用电镀的方式对聚苯乙烯（PS）表面进行覆铜，但电镀方式的成本高，废水废液多，污染严重。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种超材料及其制备方法，该制备方法能够解决基材与金属结合差的问题，同时制备得到的超材料介电常数和介电损耗低。

为解决上述技术问题，本发明采用的一种技术方案如下：提供一种超材料的制备方法，包括：在热塑性基材表面设置粘接层；加热使所述热塑性基材表面的粘接层熔化；将金属薄片贴覆在热塑性基材表面的熔融粘接层上；冷却使金属薄片与热塑性基材之间的熔融粘接层固化。

其中，在所述冷却的步骤之后包括：采用光刻或蚀刻的方式在金属薄片上形成金属微结构层。

其中，所述热塑性基材为聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）中的任意一种或两种以上的混合物。

其中，所述粘接层的材料为可热固化的树脂材料（包括环氧树脂、聚酰胺酸、氰酸酯等）或者热塑性聚氨酯弹性体橡胶（TPU）、聚氨基甲酸酯（PU）、乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）中的任意一种或两种以上的混合。

其中，所述加热过程的温度为100-250℃。

其中，所述热塑性基材的厚度为0.1~12mm，更进一步地，所述热塑性基材的厚度为0.5~4mm。

其中，所述粘接层的厚度为10~2000um，更进一步地，所述粘接层的厚度为20~200um。

其中，所述金属薄片的厚度为12~210um，更进一步地，所述金属薄片的厚度为12~70um。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一种技术方案如下：提供一种超材料的制备方法，包括：在热塑性基材表面设置粘接层；将金属薄片放置于热塑性基材表面的粘接层上；加热使所述金属薄片与热塑性基材之间的粘接层熔化；冷却使金属薄片与热塑性基材之间的熔融粘接层固化。

为解决上述技术问题，本发明采用的又一种技术方案如下：提供一种超材料，包括依序叠置的热塑性基材、可热固化的粘接层以及熔接于粘接层的金属微结构层。

其中，所述热塑性基材为聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、ABS中的任意一种或两种以上的混合物。

其中，所述粘接层的材料为可热固化的TPU热熔胶、PU热熔胶、EVA热熔胶中的任意一种或两种以上的混合。

其中，所述热塑性基材的厚度为0.1~12mm，更进一步地，所述热塑性基材的厚度为0.5~4mm。

其中，所述粘接层的厚度为10~2000um，更进一步地，所述粘接层的厚度为20~200um。

本发明的有益效果是：通过选用热塑性树脂作为基材，其介电损耗小，并且成本低，能够降低超材料的制备成本；并且通过在基材表面设置与金属薄片熔接的粘接层的方式，能够解决基材与金属结合差的问题，制备工艺简单，污染小，同时制备得到的超材料具有介电常数和介电损耗低的优点，能够很好的满足超材料的应用。

附图说明

图1是本发明的超材料的结构图；

图2是本发明超材料的制备方法的一种流程图；

图3是本发明超材料的制备方法的另一种流程图。

具体实施方式

光，作为电磁波的一种，其在穿过玻璃的时候，因为光线的波长远大于原子的尺寸，因此可以用玻璃的整体参数，例如折射率，而不是组成玻璃的原子的细节参数来描述玻璃对光线的响应。相应的，在研究材料对其他电磁波响应的时候，材料中任何尺度远小于电磁波波长的结构对电磁波的响应也可以用材料的整体参数表示，例如用介电常数ε和磁导率μ来描述。通过设计材料每点的结构使得材料各点的介电常数和磁导率都相同或者不同从而使得材料整体的介电常数和磁导率呈一定规律排布，规律排布的磁导率和介电常数即可使得材料对电磁波具有宏观上的响应，例如汇聚电磁波、发散电磁波、吸收电磁波等。该类具有规律排布的磁导率和介电常数的材料称之为超材料。

以上对涉及本发明的超材料进行简单介绍，以下则通过具体实施例对本发明作进一步的阐述。

本发明实施例超材料的结构如图1所示，超材料包括热塑性基材1、粘接层2以及金属微结构层3。粘接层2和金属微结构层3的数量均为2，热塑性基材1两侧均依次设有粘接层2和金属微结构层3。

在实际的的应用过程中，热塑性基材1可以是聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、ABS中的任意一种或两种以上的混合物，热塑性基材1的厚度以0.1~12mm为宜，进一步优选0.5~4mm，比如3mm。粘接层2主要是用于粘附热塑性基材1与金属微结构层3，在实际中，粘接层2的材料主要是一些可热固化的热熔胶或树脂，比如TPU、PU或EVA热熔胶等，但并不局限于此。粘接层2的厚度以10~2000um为宜，更优选20~200um，比如100um，过厚或过薄都不利于基材与超材料的粘附。金属微结构层3主要是通过光刻或蚀刻的方式在金属薄片上形成金属微结构阵列而得到，其中金属薄片可以是任何能够用于制造超材料的金属片，比如但不限于铜箔、铝箔、金箔或银箔等，其厚度以12~210um为宜，更优选12~70um，比如40um。

以上可以了解，本发明选用热塑性树脂作为基材，其介电损耗小，成本低，并且通过在基材表面设置粘接层，有效的解决了热塑性材料表面粘结性差、与金属结合难的问题；并且该制备方法工艺简单，污染小。本发明超材料实施例工作在10Hz时，介电常数小于3，介电损耗小于0.01，能够很好的满足超材料的性能要求。

在更多的应用中，超材料中热塑性基材1、粘接层2以及金属微结构层3的层数不限于以上数量，可以根据实际情况匹配设计。比如，仅在热塑性基材1一侧依次设置粘接层2和金属微结构层3。

下面，对超材料的制备进行详细说明：

实施例1

请参见图2，本实施例超材料的制备方法如下：

S101:在热塑性基材表面设置粘接层；

本发明实施例从众多的材料中挑选热塑性基材，其介电损耗小，成本低，是制备超材料的理想材料；同时，对基材的厚度也有一定的要求。经过不断的实验，本发明实施例的热塑性基材厚度选择以0.1~12mm为宜。粘接层的材料主要是一些可热固化的热熔胶或树脂，比如但不限于TPU、PU、EVA热熔胶等。粘接层的厚度以10~2000um为宜，过厚或过薄都不利于基材与超材料的粘附，在本实施例中热塑性基材选用0.1mm厚的聚苯乙烯基材，粘接层材料选用TPU，即在0.1mm厚的聚苯乙烯基材表面设置10um的粘接层；

S102:加热使热塑性基材表面的粘接层熔化；

在实际应用中步骤S102和S103先后顺序可以调换，加热温度直接影响粘接层的熔化程度进而影响粘结效果，实验得出加热的温度以100-250℃为宜，在本实施例中加热温度控制为100℃，使聚苯乙烯基材表面的TPU熔化，；

S103:将金属薄片贴覆在热塑性基材表面的熔融粘接层上；

在实际中，所述的金属薄片可以是任何能够用于制造超材料的金属薄片，金属薄片的厚度以12~210um为宜，本实施例中选用12um厚的铜箔，具体操作即：将12um厚的铜箔贴覆在聚苯乙烯基材表面的熔融TPU上；

S104:冷却使金属薄片与热塑性基材之间的熔融粘接层固化，即冷却使铜箔与聚苯乙烯基材之间的熔融TPU固化，固化是为了使铜箔更好的固定在粘接层上。

实施例2

请参见图3，本实施例超材料的制备方法如下：

S201:在热塑性基材表面设置粘接层；

本实施例中热塑性材料选用12mm厚ABS基材，粘接层选用EVA热熔胶，即在12mm厚的ABS基材表面设置2000um的EVA热熔胶；

S202:加热使热塑性基材表面的粘接层熔化；

在实际操作中步骤S202和S203先后顺序可以调换，本实施例的加热温度控制在150℃，使ABS基材表面的EVA热熔胶熔化；

S203:将金属薄片贴覆在热塑性基材表面的熔融粘接层上；

在本实施例中，金属包薄片选用210um厚的铝箔，即将210um厚的铝箔放置于ABS基材表面的熔融EVA上；

S204:冷却使金属薄片与热塑性基材之间的熔融粘接层固化；

即冷却使铝箔与ABS基材之间的熔融EVA固化;

S205:在金属薄片上形成金属微结构层；

即可以采用蚀刻或光刻的方式在铝箔上形成金属微结构层。

实施例3

请再参见图3，本实施例超材料的制备方法如下：

S201:在热塑性基材表面设置粘接层；

本实施例中热塑性材料选用0.5mm厚的耐冲击性聚苯乙烯（HIPS）基材，粘接层选用EVA热熔胶，即在0.5mm厚的HIPS基材表面设置20um的EVA热熔胶；

S202:加热使热塑性基材表面的粘接层熔化；

在实际操作中步骤S202和S203先后顺序可以调换，本实施例的加热温度控制在200℃，使HIPS基材表面的EVA热熔胶熔化；

S203:将金属薄片贴覆在热塑性基材表面的熔融粘接层上；

在本实施例中，金属薄片选用12um厚的银箔，即将12um厚的银箔放置于HIPS基材表面的熔融EVA上；

S204:冷却使金属薄片与热塑性基材之间的熔融粘接层固化；

即冷却使银箔与HIPS基材之间的熔融EVA固化;

S205:在金属薄片上形成金属微结构层；

即可以采用蚀刻或光刻的方式在银箔上形成金属微结构层。

实施例4

请再参见图3，本实施例超材料的制备方法如下：

S201:在热塑性基材表面设置粘接层；

本实施例中热塑性材料选用4mm厚的聚乙烯基材，粘接层选用PU热熔胶，即在4mm厚的聚乙烯基材表面设置200um的PU热熔胶；

S202:加热使热塑性基材表面的粘接层熔化；

在实际操作中步骤S202和S203先后顺序可以调换，本实施例的加热温度控制在250℃，使聚乙烯基材表面的PU热熔胶熔化；

S203:将金属薄片贴覆在热塑性基材表面的熔融粘接层上；

在本实施例中，金属薄片选用70um厚的铜箔，即将70um厚的铜箔放置于聚乙烯基材表面的熔融PU上；

S204:冷却使金属薄片与热塑性基材之间的熔融粘接层固化；

即冷却使铜箔与聚乙烯基材之间的熔融PU固化;

S205:在金属薄片上形成金属微结构层；

即可以采用蚀刻或光刻的方式在铜箔上形成金属微结构层。

实施例5

请再参见图3，本实施例超材料的制备方法如下：

S201:在热塑性基材表面设置粘接层；

本实施例中热塑性材料选用3mm厚的聚丙烯基材，粘接层选用PU与EVA热熔胶的混合物，即在3mm厚的聚丙烯基材表面设置100um的PU与EVA热熔胶的混合物；

S202:加热使热塑性基材表面的粘接层熔化；

在实际操作中步骤S202和S203先后顺序可以调换，本实施例的加热温度控制在250℃，使聚丙烯基材表面的PU与EVA热熔胶的混合物熔化；

S203:将金属薄片贴覆在热塑性基材表面的熔融粘接层上；

在本实施例中，金属薄片选用40um厚的金箔，即将40um厚的金箔放置于聚乙烯基材表面的熔融PU与EVA热熔胶的混合物上；

S204:冷却使金属薄片与热塑性基材之间的熔融粘接层固化；

即冷却使金箔与聚丙烯基材之间的熔融PU与EVA热熔胶的混合物固化;

S205:在金属薄片上形成金属微结构层；

即可以采用蚀刻或光刻的方式在金箔上形成金属微结构层。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种超材料的制备方法，其特征在于，包括：

在热塑性基材表面设置粘接层；

加热使所述热塑性基材表面的所述粘接层熔化；

将金属薄片贴覆在热塑性基材表面的熔融粘接层上；

冷却使所述金属薄片与热塑性基材之间的熔融粘接层固化。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述冷却的步骤之后包括：

采用光刻或蚀刻的方式在所述金属薄片上形成金属微结构层。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热塑性基材为聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物中的任意一种或两种以上的混合物。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述粘接层的材料为可热固化的树脂材料或者热塑性聚氨酯弹性体橡胶、聚氨基甲酸酯、乙烯-醋酸乙烯共聚物中的任意一种或两种以上的混合，其中所述树脂材料包括环氧树脂、聚酰胺酸或氰酸酯。

5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述加热的温度为100-250℃。

6.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述粘接层的厚度为10~2000um。

7.一种超材料的制备方法，其特征在于，包括：

在热塑性基材表面设置粘接层；

将金属薄片放置于所述热塑性基材表面的粘接层上；

加热使所述金属薄片与热塑性基材之间的粘接层熔化；

冷却使所述金属薄片与热塑性基材之间的熔融粘接层固化。

8.一种超材料，其特征在于，包括依序叠置的热塑性基材、可热固化的粘接层以及熔接于粘接层的金属微结构层。

9.根据权利要求8所述的超材料，其特征在于，所述热塑性基材为聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物中的任意一种或两种以上的混合物。

10.根据权利要求8所述的超材料，其特征在于，所述热塑性基材的厚度为0.1~12mm。

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