CN104282998A - 超材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超材料及其制备方法。所述制备方法包括制作具有空间几何形状的介质壳体和陶瓷壳体，分别将所述介质壳体和陶瓷壳体成型；制作具有至少一个导电几何结构的介质贴片；将至少一个所述介质贴片与所述介质壳体粘结；将粘结有介质贴片的介质壳体与所述陶瓷壳体结合成一体。本发明通过将粘结有介质贴片的介质壳体与所述陶瓷壳体结合成一体，避免导电几何结构的气化。

Description

超材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及超材料领域，尤其涉及一种超材料及其制备方法。

背景技术

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，因此我们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，例如介电常数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、发散电磁波等。该类具有规律排布的磁导率和介电常数的材料我们称之为超材料。

超材料的基本单元包括导电几何结构以及该导电几何结构附着的基材。导电几何结构优选为金属微结构，金属微结构具有能对入射电磁波电场和/或磁场产生响应的平面或立体拓扑结构，改变每个超材料基本单元上的金属微结构的图案和/或尺寸即可改变每个超材料基本单元对入射电磁波的响应。多个超材料基本单元按一定规律排列即可使得超材料对电磁波具有宏观的响应。

目前的超材料都是在平面介质基板上覆上导电几何结构。介质基板的材料可为陶瓷。为了使导电几何结构能够结合到陶瓷基片上，常规的方法是进行烧结。然而烧结的高温会使导电几何结构熔化甚至气化，导致导电几何结构被破坏。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的超材料及其制备方法，该超材料为陶瓷超材料。

为实现所述目的，提供了一种超材料的制备方法，所述制备方法包括：

制作具有空间几何形状的介质壳体和陶瓷壳体，分别将所述介质壳体和陶瓷壳体成型；制作具有至少一个导电几何结构的介质贴片；将至少一个所述介质贴片与所述介质壳体粘结；将粘结有介质贴片的介质壳体与所述陶瓷壳体结合成一体。

所述的制备方法，其中所述介质壳体为陶瓷壳体；所述介质壳体成型具体包括通过浆料浇注成型、凝胶浇注成型或冷等静压成型。

所述的制备方法，其中，所述介质贴片的基底是陶瓷，所述介质贴片的制备方法包括：配制陶瓷浆料；用陶瓷浆料形成第一陶瓷层；在所述第一陶瓷层上形成包含至少一个导电几何结构的导电结构层；在所述导电结构层上形成第二陶瓷层。

所述的制备方法，其中所述用陶瓷浆料形成第一陶瓷层之前，还包括在所述陶瓷浆料中加入增强材料，所述增强材料为纤维、织物、或者粒子中的至少一种。

所述的制备方法，其中所述第一陶瓷层与第二陶瓷层为采用流延法形成的陶瓷坯料层。

所述的制备方法，其中在所述第一陶瓷层上形成导电结构层包括：制备导电浆料；在所述第一陶瓷层上覆盖丝网印版，所述丝网印版形成与所述导电几何结构相同的图案；在所述丝网印版上涂覆导电浆料，所述导电浆料经由所述丝网印版的图案内的网眼而附着于所述第一陶瓷层，形成所述导电几何结构层。

所述的制备方法，其中将粘结有介质贴片的介质壳体与所述陶瓷壳体结合成一体，具体包括：通过熔融的浆料将粘结有介质贴片的介质壳体与所述陶瓷壳体粘接；或者通过紧固件将粘结有介质贴片的介质壳体与所述陶瓷壳体连接；或者将粘结有介质贴片的介质壳体与所述陶瓷壳体卡接。

所述的制备方法，其中所述介质壳体为复合材料，所述介质壳体成型具体包括：将所述介质壳体固化成型。

所述的制备方法，其中所述复合材料为热固或者热塑性材料。

所述的制备方法，其中所述复合材料为包含纤维、泡沫和/或蜂窝的一层或者多层结构。

所述的制备方法，其中所述介质贴片的基材为复合材料，该复合材料为热固或者热塑性材料。

所述的制备方法，其中所述复合材料含有增强材料，所述增强材料为纤维、织物、或者粒子中的至少一种。

所述的制备方法，其中所述介质贴片上的导电几何结构通过蚀刻、钻刻、雕刻、电子刻或离子刻成型在所述复合材料上。

所述的制备方法，其中所述将至少一个所述介质贴片与所述介质壳体粘结，具体包括：将所述介质贴片粘贴在所述介质壳体表面的局部或者全部，形成至少一层具有介质贴片的介质壳体。

所述的制备方法，其中所述将至少一个所述介质贴片与所述介质壳体粘结之后，进一步包括：在具有介质贴片的介质壳体表面形成复合材料层；其中，所述复合材料层具有导电几何结构。

所述的制备方法，其中将粘结有介质贴片的介质壳体与所述陶瓷壳体结合成一体，具体包括：通过复合材料将粘结有介质贴片的介质壳体与所述陶瓷壳体粘接，该复合材料包含热固或者热塑性材料；或者通过紧固件将粘结有介质贴片的介质壳体与所述陶瓷壳体连接；或者将粘结有介质贴片的介质壳体与所述陶瓷壳体卡接。

所述的制备方法，其中所述空间几何形状为空间曲面。

本发明的超材料，根据前述的制备方法制备，在制备的过程中，对于制作的介质壳体和陶瓷壳体进行了成型步骤，使得在将粘结有介质贴片的介质壳体与所述陶瓷壳体结合成一体时，避免导电几何结构的气化。

附图说明

图1是本发明实施例中超材料制备方法的方框图。

图2是本发明实施例中具有导电几何结构的陶瓷贴片的制备方法的方框图。

图3是本发明实施例中超材料的纵向剖面图。

图4是本发明实施例中超材料的横向剖面图。

图5是本发明实施例中导电几何结构的示意图。

图6是本发明另一实施例中导电几何结构的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

第一实施例

如图1所示，超材料制备方法包括步骤一，提供介质壳体11和陶瓷壳体12。如图3所示，介质壳体（外壳体）11和陶瓷壳体（内壳体）12成空间曲面形状。需要注意的是，在图3至图6所示的结构中，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。介质壳体11可以是陶瓷壳体，其成形方法可以是烧结成型。在本发明的其他实施例中介质壳体11为复合材料，介质壳体11的成型具体包括将介质壳体固化成型，复合材料为热固或者热塑性材料，如聚酰亚胺、聚酯、聚四氟乙烯、聚氨酯、聚芳酯、PET、PE、或者PVC，这些复合材料还可以包含增强材料，该增强材料为纤维、织物、或者粒子中的至少一种。例如，增强材料为纤维，如玻璃纤维、石英纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维、碳纤维或聚酯纤维。此外，这些复合材料还可以为包含纤维、泡沫和/或蜂窝的一层或者多层结构。优选的实施例中，陶瓷壳体12利用浆料浇注成型、凝胶浇注成型或冷等静压成型制得。优选的实施例中，陶瓷壳体12也可以是由熔融石英陶瓷浆料浇注、烧结成型。

继续参照图1，超材料制备方法还包括步骤二，提供介质贴片，其包含导电几何结构，导电几何结构是由金属丝构成的具有一定几何形状的平面或者立体结构，如工字型、雪花型等。介质贴片132在如图5所示的实施例中，横向粗线1323和纵向粗线1321为金属结构，而方框部分1322为介质基片。图5所示的导电几何结构适合于增强超材料的透波性能。本实施例的导电几何结构不限于此，还可以是对电磁波作出其他相应的导电几何结构，例如是增强吸波性能。

介质贴片的制备方法可以参照图2，在具体的实施过程中，其可以包括制作增强材料的步骤，如制作石英纤维布的步骤。根据优选的实施例，首先选用熔融石英纤维布，其表面为平纹或斜纹，浸润硅油，二氧化硅含量99.95％，耐温1200℃，厚度0.12mm至0.70mm之间。然后，配浆料，以乙醇和丁酮作为混合溶剂，混入球磨过的熔融石英粉，添加混合分散剂聚丙烯酸和三油酸甘油酯，再加入粘结剂，如prB和增塑剂丙三醇，经搅拌制成流动性好的浓浆料。前述石英纤维可以替换为其他增强材料，如玻璃纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维、碳纤维或聚酯纤维。

继续参照图2，介质贴片的制备方法还包括形成流延片，在前述步骤的基础上，对浆料真空除泡后，在流延机上，在石英纤维布上做流延，形成强度高，柔软度高的石英纤维增强石英粉流延带（陶瓷层），即可以形成如图5所示的介质基片或陶瓷层133。

继续参照图2，介质贴片的制备方法还包括形成导电几何结构，在该步骤中，首先制备导电浆料，然后在前述流延带上覆盖丝网印版，利用丝网印版形成多个与导电几何结构相同的图案，接着在丝网印版上涂覆所述导电浆料，所述导电浆料经由丝网印版的多个图案内的网眼而附着于前述流延带，固化后即形成导电几何结构层，导电几何结构层可以是如图5所示的横向粗线1323和纵向粗线1321组成的导电几何结构。

在本发明的其他实施例中介质贴片的基材也可以为复合材料，复合材料为热固或者热塑性材料，如聚酰亚胺、聚酯、聚四氟乙烯、聚氨酯、聚芳酯、PET、PE或PVC，该复合材料可以是包含纤维、泡沫和/或蜂窝的一层或者多层结构。另外，复合材料可以含有增强材料，所述增强材料为纤维、织物、或者粒子中的至少一种，例如，增强材料为纤维，如玻璃纤维、石英纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维、碳纤维或聚酯纤维。

除了前述丝印方法外，导电几何结构还可以通过蚀刻、钻刻、雕刻、电子刻或离子刻成型在所述复合材料上。加工导电几何机构所采用的金属可为银、铂、钼、钨、或银钯合金等。

继续参照图3和图4，在本发明的一实施例中，在介质壳体11的一侧面布置有多层介质贴片13。介质贴片13粘贴在介质壳体11表面的局部或者全部，形成至少一层具有介质贴片13的介质壳体11。

结合图1和图2，将前述含导电几何结构的介质贴片与介质壳体11结合，然后再与陶瓷壳体结成一体，结合成一体的方法包括但不限于：

通过熔融的浆料（如玻璃陶瓷浆料）将粘结有介质贴片13的介质壳体11与陶瓷壳体12粘接；

或者通过紧固件将粘结有介质贴片13的介质壳体11与陶瓷壳体12连接；

或者将粘结有介质贴片13的介质壳体11与陶瓷壳体12卡接。

在高温压力粘接步骤中，为了固化介质贴片坯体（含导电几何结构），和提高粘结剂的结合强度，低温烧结工艺温度小于导电几何结构的熔点，例如961℃。

在前述实施例中，如图3和图4所示，介质壳体11和陶瓷壳体12的相应侧的介质贴片层由多个流延片13拼接成的，共同组成相似于或相应于介质壳体和陶瓷壳体的形状的空间几何结构，该空间几何结构例如为空间曲面，即介质贴片的形状与第一或陶瓷壳体的相应一侧表面的形状相适应，以使所述介质贴片层整体与第一或陶瓷壳体的所述一侧表面无间隙配合。

第二实施例

本实施例沿用前述实施例的元件标号与部分内容，其中采用相同的标号来表示相同或近似的元件，并且选择性地省略了相同技术内容的说明。关于省略部分的说明可参照前述实施例，本实施例不再重复赘述。与第一实施例相似的部分可以参照图1、图2、图3、图4。

参照图1，超材料制备方法包括步骤一，提供介质壳体11和陶瓷壳体12。如图3所示，介质壳体11成空间曲面形状。介质壳体11可以是陶瓷壳体，其成形方法可以是烧结成型。在本发明的其他实施例中介质壳体11为复合材料，介质壳体11成型具体包括将介质壳体固化成型，复合材料为热固或者热塑性材料，如聚酰亚胺、聚酯、聚四氟乙烯、聚氨酯、聚芳酯、PET、PE、或者PVC，这些复合材料还可以包含增强材料，该增强材料为纤维、织物、或者粒子中的至少一种，例如，增强材料为纤维，如玻璃纤维、石英纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维、碳纤维或聚酯纤维。此外，这些复合材料还可以为包含纤维、泡沫和/或蜂窝的一层或者多层结构。陶瓷壳体12利用浆料浇注成型、凝胶浇注成型或冷等静压成型制得。优选的实施例中，陶瓷壳体12是由熔融石英陶瓷浆料浇注、烧结成型。

继续参照图1，超材料制备方法还包括步骤二，提供介质贴片，其包含导电几何结构，导电几何结构是由金属丝构成的具有一定几何形状的平面或者立体结构，如工字型、雪花型等。介质贴片132在如图6所示的实施例中，图中，导电几何结构层132的横向粗线和纵向粗线为金属结构，而方框部分为介质基片。图6所示的导电几何结构适合于增强超材料的透波性能。本实施例的导电几何结构不限于此，还可以是对电磁波作出其他相应的导电几何结构，例如是增强吸波性能。

介质贴片的制备方法可以参照图2，在具体的实施过程中，其可以包括制作增强材料的步骤，如制作石英纤维布的步骤。根据优选的实施例，首先选用熔融石英纤维布，其表面为平纹或斜纹，浸润硅油，二氧化硅含量99.9％，耐温1300℃，厚度0.15mm至0.80mm之间。然后，配浆料，以乙醇和丁酮作为混合溶剂，混入球磨过的熔融石英粉，添加混合分散剂聚丙烯酸和三油酸甘油酯，再加入粘结剂，如prB和增塑剂丙三醇，经搅拌制成流动性好的浓浆料。其中，石英纤维可以替换为其他增强材料，如玻璃纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维、碳纤维或聚酯纤维。

继续参照图2，未含导电几何结构的介质贴片的制备方法还包括形成流延片，在前述步骤的基础上，对浆料真空除泡后，在流延机上，在石英纤维布上做流延，形成强度高，柔软度高的石英纤维增强石英粉流延带（陶瓷层），即可以形成如图6所示的介质基片或陶瓷层133。前述石英纤维可以替换为玻璃纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维、碳纤维或聚酯纤维。

继续参照图2，含导电几何结构的介质贴片的制备方法还包括形成导电几何结构，在该步骤中，首先制备导电浆料，然后在流延带上覆盖丝网印版，利用丝网印版形成多个与导电几何结构相同的图案，接着在丝网印版上涂覆所述导电浆料，所述导电浆料经由丝网印版的多个图案内的网眼而附着于前述流延带，固化后即形成导电几何结构层，金属结构层可以是如图6所示的导电几何结构层132。

在本发明的其他实施例中介质贴片的基材也可以为复合材料，复合材料为热固或者热塑性材料，如聚酰亚胺、聚酯、聚四氟乙烯、聚氨酯、聚芳酯、PET、PE或PVC，该复合材料可以是包含纤维、泡沫和/或蜂窝的一层或者多层结构。另外，复合材料可以含有增强材料，所述增强材料为纤维、织物、或者粒子中的至少一种，例如，增强材料为纤维，如玻璃纤维、石英纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维、碳纤维或聚酯纤维。

除了前述丝印方法外，导电几何结构还可以通过蚀刻、钻刻、雕刻、电子刻或离子刻成型在所述复合材料上。加工导电几何机构所采用的金属为银、铂、钼、钨、或银钯合金等。

如图3和图4所示，在本发明的一实施例中介质贴片13包括两陶瓷层133、131，在两陶瓷层133、131之间形成导电几何结构层132。两陶瓷层133、131的外形尺寸W1可以为2.5mm*2.5mm，导电几何结构层132的外形尺寸W2可以为2.7mm*2.7mm，而其中导电几何结构的宽度H1可以为0.2mm，这些具体的尺寸可以根据不同目的的设计进行改变，本发明的实施不限于前述具体的尺寸。

继续参照图3和图4，在本发明的一实施例中，在介质壳体11的一侧面布置有多层介质贴片13。介质贴片13粘贴在介质壳体11表面的局部或者全部，形成至少一层具有介质贴片13的介质壳体11。

结合图1、图2、图3、图4和图6，将前述含导电几何结构的流延带（陶瓷层）、未含导电几何结构层的介质壳体11与陶瓷壳体结合，然后与陶瓷壳体结成一体，结合成一体的方法包括但不限于：

通过熔融的浆料（如玻璃陶瓷浆料）将粘结有介质贴片13的介质壳体11与陶瓷壳体12粘接；

或者通过紧固件将粘结有介质贴片13的介质壳体11与陶瓷壳体12连接；

或者将粘结有介质贴片13的介质壳体11与陶瓷壳体12卡接。

如图3和图4所示，整个超材料包括12层介电材料，在图4中，由上到下依次为介质壳体11、粘结剂层14，未含导电几何结构的介质贴片层133，导电几何结构层132，未含介质贴片层的陶瓷层131，粘结剂层14，未含导电几何结构的介质贴片层133，导电几何结构层132，未含导电几何结构的介质贴片层131，粘结剂层14，未含导电几何结构的介质贴片层133，导电几何结构层132，未含导电几何结构的介质贴片层，粘结剂层14，以及陶瓷壳体12。

为了固化介质贴片坯体（含导电几何结构），和提高粘结剂的结合强度，前述高温压力粘结的温度小于导电几何结构的熔点，例如961℃。

在前述实施例中，如图3和图4所示，陶瓷壳体11的相应侧的介质贴片层由多个介质贴片13拼接成的，共同组成相似于或相应于介质壳体和/或陶瓷壳体的形状的空间几何结构，该空间几何结构例如为空间曲面，即介质贴片的形状与第一或陶瓷壳体的相应一侧表面的形状相适应，以使所述介质贴片层整体与第一或陶瓷壳体的所述一侧表面无间隙配合。

前述各实施例在制备的过程中，对于制作的介质壳体和陶瓷壳体进行了成型步骤，使得在将粘结有介质贴片的介质壳体与所述陶瓷壳体结合成一体时，避免导电几何结构的气化。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (19)

1.一种超材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括： 

制作具有空间几何形状的介质壳体和陶瓷壳体，分别将所述介质壳体和所述陶瓷壳体成型； 

制作具有至少一个导电几何结构的介质贴片； 

将至少一个所述介质贴片与所述介质壳体粘结； 

将粘结有介质贴片的介质壳体与所述陶瓷壳体结合成一体。 

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述介质壳体为陶瓷壳体； 

所述介质壳体成型具体包括：通过浆料浇注成型、凝胶浇注成型或冷等静压成型。 

3.如权利要求1或者2所述的制备方法，其特征在于，所述介质贴片的基底是陶瓷，所述介质贴片的制备方法包括： 

配制陶瓷浆料； 

用陶瓷浆料形成第一陶瓷层； 

在所述第一陶瓷层上形成包含至少一个导电几何结构的导电结构层； 

在所述导电结构层上形成第二陶瓷层。 

4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述用陶瓷浆料形成第一陶瓷层之前，还包括： 

在所述陶瓷浆料中加入增强材料，所述增强材料为纤维、织物、或者粒子中的至少一种。 

5.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述第一陶瓷层与第二陶瓷层为采用流延法形成的陶瓷坯料层。 

6.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在所述第一陶瓷层上形成导电结构层包括： 

制备导电浆料； 

在所述第一陶瓷层上覆盖丝网印版，所述丝网印版形成与所述导电几何结构相同的图案； 

在所述丝网印版上涂覆导电浆料，所述导电浆料经由所述丝网印版的图案内的网眼而附着于所述第一陶瓷层，形成所述导电几何结构层。 

7.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，将粘结有介质贴片的介质壳 体与所述陶瓷壳体结合成一体，具体包括： 

通过浆料将粘结有介质贴片的介质壳体与所述陶瓷壳体粘接； 

或者通过紧固件将粘结有介质贴片的介质壳体与所述陶瓷壳体连接； 

或者将粘结有介质贴片的介质壳体与所述陶瓷壳体卡接。 

8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述介质壳体为复合材料，所述介质壳体成型具体包括： 

将所述介质壳体固化成型。 

9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述复合材料为热固或者热塑性材料。 

10.如权利要求8或者9所述的制备方法，其特征在于，所述复合材料为包含纤维、泡沫和/或蜂窝的一层或者多层结构。 

11.如权利要求1、8、或者9所述的制备方法，其特征在于，所述介质贴片的基材为复合材料，该复合材料为热固或者热塑性材料。 

12.如权利要求11所述的制备方法，其特征在于，所述复合材料含有增强材料，所述增强材料为纤维、织物、或者粒子中的至少一种。 

13.如权利要求11所述的制备方法，其特征在于，所述介质贴片上的导电几何结构通过蚀刻、钻刻、雕刻、电子刻或离子刻成型在所述复合材料上。 

14.如权利要求11所述的制备方法，其特征在于，所述将至少一个所述介质贴片与所述介质壳体粘结，具体包括： 

将所述介质贴片粘贴在所述介质壳体表面的局部或者全部，形成至少一层具有介质贴片的介质壳体。 

15.如权利要求14所述的制备方法，其特征在于，所述将至少一个所述介质贴片与所述介质壳体粘结之后，进一步包括： 

在具有介质贴片的介质壳体表面形成复合材料层。 

16.如权利要求14所述的制备方法，其特征在于，所述复合材料层具有导电几何结构。 

17.如权利要求11所述的制备方法，其特征在于，将粘结有介质贴片的介质壳体与所述陶瓷壳体结合成一体，具体包括： 

通过复合材料将粘结有介质贴片的介质壳体与所述陶瓷壳体粘接，该复合材料为热固或者热塑性材料； 

或者通过紧固件将粘结有介质贴片的介质壳体与所述陶瓷壳体连接； 

或者将粘结有介质贴片的介质壳体与所述陶瓷壳体卡接。 

18.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述空间几何形状为空间曲面。 

19.一种超材料，其特征在于，采用权利要求1至18中任一项所述的制备方法制备。