CN106033837A - 曲面基体超材料及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种曲面基体超材料的制造方法，其便于在曲面罩体内表面设置微结构或设置微结构保护外壳。该方法提供一曲面外罩；提供一多孔芯具，该芯具的外表面与曲面外罩的内表面形状相同，内部有一空腔，该空腔与一压力系统相接；在芯具外表面覆上一层弹性无缝膜；在弹性无缝膜外表面覆盖一层可以被燃烧挥发掉的隔离层；在隔离层上覆盖一层柔性外罩内贴层，微结构形成于曲面外罩内表面和内贴层外表面中的一方；将曲面外罩覆盖到外罩内贴层上；将压力透过多孔芯具作用在弹性无缝膜上，并由弹性无缝膜传递至隔离层和外罩内贴层，以使外罩内贴层无缝贴合于曲面外罩内表面；卸下多孔芯具和弹性无缝膜；还将曲面外罩和曲面内贴层结合在一起形成曲面基体超材料。

Description

曲面基体超材料及其制造方法

技术领域

本发明涉及超材料及其制造方法，更具体地说，涉及一种曲面基体超材料及其制造方法。

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。

用于通信的天线罩可以是陶瓷罩，也可以是有机复合材料罩，其形状为轴对阵的回转体，如球面、锥面等等。还有对于导弹天线罩，内高度远大于直径，这样造成直接在锥体内表面形成微结构层极为困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种曲面基体超材料的制造方法，其便于在曲面罩体内表面设置微结构或设置微结构保护外壳。

为实现所述目的的曲面基体超材料的制造方法，其特点是包括以下步骤：

提供一曲面外罩；

提供一多孔芯具，该多孔芯具的外表面与曲面外罩的内表面形状相同，内部有一空腔，该空腔与一压力系统相接；

在所述多孔芯具外表面覆上一层弹性无缝膜；

在所述弹性无缝膜外表面覆盖一层可以被燃烧挥发掉的隔离层；

在所述隔离层上覆盖一层柔性外罩内贴层，微结构形成于曲面外罩内表面和外罩内贴层外表面中的一方；

将所述曲面外罩覆盖到所述外罩内贴层上；

将所述压力系统提供的压力透过多孔芯具作用在所述弹性无缝膜上，并由所述弹性无缝膜传递至所述隔离层和所述外罩内贴层，以使所述外罩内贴层无缝贴合于所述曲面外罩内表面；

卸除所述压力系统的压力，卸下所述多孔芯具和所述弹性无缝膜；

将所述曲面外罩和所述曲面内贴层结合在一起形成曲面基体超材料。

所述的曲面基体超材料的制造方法，其进一步的特点是所述弹性无缝膜为橡皮套或袋。

所述的曲面基体超材料的制造方法，其进一步的特点是所述隔离层为用无丝或合成纤维制成的纸做成的纸壳。

所述的曲面基体超材料的制造方法，其进一步的特点是所述曲面外罩为陶瓷外壳或塑料外壳或有机复合材料。

所述的曲面基体超材料的制造方法，其进一步的特点是所述曲面内贴层为陶瓷材料或有机复合材料或塑料。

所述的曲面基体超材料的制造方法，其进一步的特点是所述曲面外罩为陶瓷材料，所述外罩内贴层为带有所述微结构的流延生坯片，所述结合是将所述曲面外罩和所述外罩内贴层压合、排胶和烧结。

所述的曲面基体超材料的制造方法，其进一步的特点是所述曲面外罩为有机树脂基复合材料，所述外罩内贴层为携带所述微结构的柔性塑料膜，所述结构是将所述曲面外罩和所述外罩内贴层压合后再烤箱中固化。

所述的曲面基体超材料的制造方法，其进一步的特点是所述压合是冷等静压、热压合或温等静压。

所述的曲面基体超材料的制造方法，其进一步的特点是所述压合是冷等静压、热压合或温等静压。

所述的曲面基体超材料的制造方法，其进一步的特点是所述微结构形成于所述曲面外罩内表面，所述外罩内贴层为有机复合材料，其作为内壳以保护所述微结构层。

所述的曲面基体超材料的制造方法，其进一步的特点是所述微结构为金属微结构。

所述的曲面基体超材料的制造方法，其进一步的特点是所述金属为Ag、Pt或Cu。

所述的曲面基体超材料的制造方法，其进一步的特点是曲面外罩的内表面经过粘性物涂覆处理。

所述的曲面基体超材料的制造方法，其进一步的特点是所述外罩内贴包括一层携带所述微结构的膜或片，或者超过一层夹持所述微结构的膜或片。

本发明还提供一种曲面基体超材料，其特点是根据前述的方法制造。

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显。

附图说明

图1为本发明一实施例中曲面基体超材料的制造方法用工装模具的示意图。

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。

需要注意的是，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。

结合图1，本发明的制造方法的一实施例中，首先提供一个多孔芯具1，多孔芯具1的内部具有空腔11，多孔芯具1的壁体上设置有呈规律分布的孔，多孔芯具1的底部具有连接压力系统(图中未示出)的通道5，压力系统可以是气压、液压系统，压力系统提供的压力在多孔芯具1的空腔11中通过其壁体上的孔均匀向外传递。多孔芯具1的外表面与曲面罩体4的内表面形状呈几何意义上的相似，如后所述，由于间隙34微小，从工程设计角度来看，二者实质上形状相同。多孔芯具1为精密器件，如后所述由于弹性无缝膜2覆盖于多孔芯具1的外表面、外罩内贴层3实质上覆盖于弹性无缝膜2的外表面，覆盖即贴合之意，外罩内贴层3的形状精度由多孔芯具1来控制。多孔芯具1的加工方式可以是精密铸造或数控机床加工。

然后在多孔芯具1的外表面套上或覆盖上弹性无缝膜2，弹性无缝膜2可以是橡皮套、袋或其他弹性的无缝膜，在较佳的实施例中，选用橡皮是考虑到其有好的弹力或伸缩作用。这样，弹性无缝膜2贴合于多孔芯具1的外表面。

然后，在弹性无缝膜2外表面覆盖一层可以被燃烧挥发掉的隔离层，图中没有示出，隔离层可以是用无丝或合成纤维制成的纸做成一个形状和尺寸适当的纸壳。隔离层是用于防止外罩内贴层3粘附于弹性无缝膜2，以便于外罩内贴层3和弹性无缝膜2之间的分离，另外，如后所述，一旦压力作用在隔离层上，隔离层就会粘附于外罩内贴层3上，相当于是外罩内贴层3的一部分，不过在后继的结合步骤中，由于处于高温环境中会被燃烧挥发掉。

然后，在隔离层的外表面贴附外罩内贴层3，外罩内贴层3可以是柔性塑料膜或柔性陶瓷流延生坯片，在其表面上形成微结构(图中未示出)，外罩内贴层3可以包括两层以上层状物夹持一层或多层微结构，或者是一层成状物携带一层微结构。微结构的形成方法包括但不限于是丝网印刷，也可以是蚀刻、光刻。另外外罩内贴层3还可以是有机复合材料，其不携带微结构，微结构可以形成在曲面外罩4的内表面，有机复合材料对微结构起到机械、耐热、耐腐蚀等方面的保护，使得微结构不易受热，受破损或者老化。微结构是由导体丝构成的具有一定几何形状的平面或者立体的导电几何结构，如工字型、雪花型等，该导电几何结构适合于增强超材料的透波性能。本发明的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。

外罩内贴层3为柔性陶瓷流延生坯片的实施例中，在制作外罩内贴层3时，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。然后，形成流延片，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，将柔软的流延生坯片覆盖在隔离层上后，由于多孔芯具1的支撑作用，外罩内贴层3就形成图1所示的曲面形状。微结构可以通过丝网印刷步骤印制在流延生坯片上，其一般步骤是首先制备导电浆料，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微结构相同的图案，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，固化后即形成微结构。

曲面外罩4可以是陶瓷外壳、塑料外壳或有机复合材料。曲面外罩和外罩内贴层3之间的夹持微结构的组合可以但不限于是：陶瓷外壳/微结构层/陶瓷内壳；陶瓷外壳/微结构层/有机复合材料内壳；塑料外壳/微结构层/塑料内壳。

然后，将曲面外罩4用精确空间定位的方法，套上外罩内贴层3上，较佳地，该曲面外罩4的内表面经过粘性物的表面涂覆处理。空间定位的方法可以是以设置多孔芯具1的平台7为基准，在前述步骤之前首先进行预定位，然后将曲面外罩4垂直上升至一个高度，在进行前述步骤，之后再垂直下降以套在外罩内贴层3上，此时曲面外罩4和外罩内贴层3之间还存在微小的间隙34，间隙34在图中是以夸张的方式进行了放大，实际上二者肉眼难以观察到，基本上呈贴合状态，间隙34非常小，外罩内贴层3的变形量很少，即便将外罩内贴层3粘附在曲面外罩4内表面，外罩内贴层3也不会产生褶皱或者导致其上的微结构的线条断开或产生裂纹。将曲面外罩4套上外罩内贴层3之后，用固定架6将曲面外罩4固定，在曲面外罩4的底部形成密封。

然后，将如图所示的整个系统放在环境温度下，压力系统通过气体或液体传递压力到多孔芯具1，再由多孔芯具1等压力传递到弹性无缝膜2上，该压力使得弹性无缝膜2膨胀或者有膨胀的趋势，实际上的膨胀率非常微小，将隔离层粘合在外罩内贴层3的内表面，在进一步将外罩内贴层3粘合在曲面外罩4的内表面。

然后，释放压力系统的压力，使弹性无缝膜2与隔离层分离，进而与外罩内贴层3分离，这样就可以除去或卸下多孔芯具1和弹性无缝膜2，在曲面外罩4的内表面上设置外罩内贴层3。

接下来，就可以根据曲面外罩4和外罩内贴层3的材料来选择合适的结合工艺。

如果曲面外罩4和外罩内贴层3之间的压合需要施加很高的压力的话，如大于2MPa，则可以将图1中的整个系统放在冷等静压的腔体中做等静压压合。在其它实施例中，图中的整个系统也可以放在加热后的或热气中烤箱中，做热压合或做温等静压。

曲面外罩4如果是陶瓷材料，而外罩内贴层3是柔性膜(例如陶瓷流延生坯片)，则压合后的结构可以在高温炉中排胶和烧结，使金属(如Ag，Pt等)微结构可以通过流延片固定在陶瓷罩的内表面。

曲面外罩4如果是有机树脂基复合材料，而外罩内贴层3是用柔性塑料膜携带金属(如铜)微结构，压合后的结构可以在烤箱中固化。

在本发明的其它实施例中，外罩内贴层3也携带微结构也是可以的，微结构设置在曲面外罩4上，而外罩内贴层3为有机复合材料，其作为内壳保护所述微结构层。

在前述实施例中，有机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。

在前述实施例中，曲面外罩4为陶瓷外壳的情况下，陶瓷外壳利用浆料浇注成型、凝胶浇注成型或冷等静压成型制得。优选的实施例中，陶瓷外壳也可以是由熔融石英陶瓷浆料浇注、烧结成型。

本发明的实施例的优点可以体现在：

对于曲面体，尤其是对称曲面体，其外表面的可接触性和可手工操作性则大为增加并较为方便，因此，在一辅助工具的外表面粘附微结构，之后将微结构层转移到曲面外罩的内表面，微结构层位于曲面外罩的内表面，将得到罩体壁的机械、耐热、耐腐蚀等方面的保护，使得微结构不易受热，受破损或者老化。

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 (15)

1.一种曲面基体超材料的制造方法，其特征在于包括以下步骤：

提供一曲面外罩；

提供一多孔芯具，该多孔芯具的外表面与曲面外罩的内表面形状相同，内部有一空腔，该空腔与一压力系统相接；

在所述多孔芯具外表面覆上一层弹性无缝膜；

在所述弹性无缝膜外表面覆盖一层可以被燃烧挥发掉的隔离层；

在所述隔离层上覆盖一层柔性外罩内贴层，微结构形成于曲面外罩内表面和外罩内贴层外表面中的一方；

将所述曲面外罩覆盖到所述外罩内贴层上；

将所述压力系统提供的压力透过多孔芯具作用在所述弹性无缝膜上，并由所述弹性无缝膜传递至所述隔离层和所述外罩内贴层，以使所述外罩内贴层无缝贴合于所述曲面外罩内表面；

卸除所述压力系统的压力，卸下所述多孔芯具和所述弹性无缝膜；

将所述曲面外罩和所述曲面内贴层结合在一起形成曲面基体超材料。

2.如权利要求1所述的曲面基体超材料的制造方法，其特征在于所述弹性无缝膜为橡皮套或袋。

3.如权利要求1所述的曲面基体超材料的制造方法，其特征在于所述隔离层为用无丝或合成纤维制成的纸做成的纸壳。

4.如权利要求1所述的曲面基体超材料的制造方法，其特征在于所述曲面外罩为陶瓷外壳或塑料外壳或有机复合材料。

5.如权利要求1所述的曲面基体超材料的制造方法，其特征在于所述曲面内贴层为陶瓷材料或有机复合材料或塑料。

6.如权利要求1所述的曲面基体超材料的制造方法，其特征在于所述曲面外罩为陶瓷材料，所述外罩内贴层为带有所述微结构的流延生坯片，所述结合是将所述曲面外罩和所述外罩内贴层压合、排胶和烧结。

7.如权利要求1所述的曲面基体超材料的制造方法，其特征在于所述曲面外罩为有机树脂基复合材料，所述外罩内贴层为携带所述微结构的柔性塑料膜，所述结构是将所述曲面外罩和所述外罩内贴层压合后再烤箱中固化。

8.如权利要求6所述的曲面基体超材料的制造方法，其特征在于所述压合是冷等静压、热压合或温等静压。

9.如权利要求7所述的曲面基体超材料的制造方法，其特征在于所述压合是冷等静压、热压合或温等静压。

10.如权利要求1所述的曲面基体超材料的制造方法，其特征在于所述微结构形成于所述曲面外罩内表面，所述外罩内贴层为有机复合材料，其作为内壳以保护所述微结构层。

11.如权利要求1所述的曲面基体超材料的制造方法，其特征在于所述微结构为金属微结构。

12.如权利要求14所述的曲面基体超材料的制造方法，其特征在于所述金属为Ag、Pt或Cu。

13.如权利要求1所述的曲面基体超材料的制造方法，其特征在于曲面外罩的内表面经过粘性物涂覆处理。

14.如权利要求1所述的曲面基体超材料的制造方法，其特征在于所述外罩内贴包括一层携带所述微结构的膜或片，或者超过一层夹持所述微结构的膜或片。

15.一种曲面基体超材料，其特征在于根据权利要求1至14的方法制造。