CN106033845B - 超材料及超材料的导电微结构制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超材料的导电微结构制作方法，包括以下步骤：编织一纤维网，该纤维网与要形成的导电微结构具有实质上相同的平面图案；在该纤维网上附着导电物质，以形成该导电微结构；以及将形成有该导电微结构的纤维网复合到超材料的基材上。本发明的超材料的导电微结构制作方法可以适用于各种基材的超材料。

Description

超材料及超材料的导电微结构制作方法

技术领域

本发明涉及超材料，尤其是涉及超材料及超材料的导电微结构制作方法。

背景技术

超材料(Metamaterial)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。超材料的奇特性质源于其精密的几何结构以及尺寸大小。超材料中的微结构，大小尺度小于它作用的波长，因此得以对波施加影响。迄今发展出的超材料包括左手材料、光子晶体、超磁性材料等。左手(LH)材料是一类在一定的频段下同时具有负的磁导率和负的介电常数的材料系统(对电磁波的传播形成负的折射率)。与之相对的是，大多数自然的材料是RH材料。超材料的奇异性质使它具有广泛的应用前景，从高接收率天线，雷达反射罩甚至是地震预警。

从结构上看，超材料是由非金属材料制成的基板和附着在基板表面上或嵌入在基板内部的多个导电微结构构成的。基板可以虚拟地划分为阵列排布的多个基板单元。每个基板单元上附着有导电微结构，从而形成一个超材料单元。整个超材料是由很多这样的超材料单元组成的，就像晶体是由无数的晶格按照一定的排布构成的。每个超材料单元上的导电微结构可以相同或者不完全相同。导电微结构是由导电材料组成的具有一定几何图形的平面或立体结构。

由于导电微结构的存在，每个超材料单元具有不同于基板本身的电磁特性，因此所有的超材料单元构成的超材料对电场和磁场呈现出特殊的响应特性。通过对导电微结构设计不同的具体结构和形状，可以改变整个超材料的响应特性。

目前超材料的基材可以是有机基或者陶瓷基。超材料的导电微结构制作方法主要有覆铜蚀刻法、激光活化电镀法和丝网印刷法。覆铜蚀刻法和激光活化电镀法适用于有机基超材料的导电微结构的制作。不过激光活化电镀法主要适用于含有特征激光感应的添加剂的有机复合基材。覆铜蚀刻法和激光活化电镀法都不适用于陶瓷基超材料的导电微结构的制作，因为陶瓷一般有孔隙，会受到电解液的污染。丝网印刷法适用于陶瓷基超材料的导电微结构的制作，但不适用于有机基超材料的丝网印铜。这是因为丝印技术的尺寸精度不好，且铜粉浆料比电镀或压延的铜的电阻率高。此外，直接丝印银线路不适合曲面的陶瓷板，同时由于回收困难，该方法有浪费银浆的缺陷。

因此，期望有一种能够适用于更多类型的超材料的导电微结构制作方法。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种超材料的导电微结构制作方法，其适用于不同基材的超材料。

本发明的另一个目的是提供一种超材料。

本发明所提出一种超材料的导电微结构制作方法，包括以下步骤：

编织一纤维网，该纤维网与要形成的导电微结构具有实质上相同的平面图案；

在该纤维网上附着导电物质，以形成该导电微结构；以及

将形成有该导电微结构的纤维网复合到超材料的基材上。

在本发明的一实施例中，超材料的导电微结构制作方法还包括：固定该纤维网的各个网线相交处的节点。

在本发明的一实施例中，固定该纤维网的各个网线相交处的节点的步骤包括：临时固定该纤维网的各个节点；将各节点被临时固定的纤维网浸泡在氧化硅溶胶中；烘干该纤维网；以及加热该纤维网。

在本发明的一实施例中，在该纤维网上附着导电物质的方法包括：化学镀、电子束蒸发、磁控溅射以及化学气相沉积。

在本发明的一实施例中，该纤维网的各个线条是由单根纤维线构成。

在本发明的一实施例中，该纤维线是实心的。

在本发明的一实施例中，该纤维线是空心的。

在本发明的一实施例中，该纤维网的各个线条是由多根纤维线组成的纤维束构成。

在本发明的一实施例中，该纤维网的材质为玻璃。

在本发明的一实施例中，该纤维网的材质为陶瓷。

在本发明的一实施例中，该超材料的基材为有机基材。

在本发明的一实施例中，该超材料的基材为陶瓷基材。

在本发明的一实施例中，该超材料的基材为平面。

在本发明的一实施例中，该超材料的基材为曲面。

本发明还提出一种超材料，包括一基材、一纤维网及一导电微结构，其中该导电微结构附着在该纤维网上，且该纤维网与该导电微结构具有实质上相同的平面图案，该纤维网复合在该基材上。

在本发明的一实施例中，该纤维网的各个线条是由单根纤维线构成。

在本发明的一实施例中，该纤维线是实心的。

在本发明的一实施例中，该纤维线是空心的。

在本发明的一实施例中，该纤维网的各个线条是由多根纤维线组成的纤维束构成。

在本发明的一实施例中，该纤维网的材质为玻璃。

在本发明的一实施例中，该纤维网的材质为陶瓷。

在本发明的一实施例中，该超材料的基材为有机基材。

在本发明的一实施例中，该超材料的基材为陶瓷基材。

在本发明的一实施例中，该超材料的基材为平面。

在本发明的一实施例中，该超材料的基材为曲面。

本发明由于采用以上技术方案，先形成一适于附着导电物质的纤维网，然后在纤维网上形成导电微结构，最后将形成有导电微结构的纤维网复合到基材上。本发明的方案既可以适用于陶瓷基超材料，而没有一般覆铜蚀刻法和激光活化电镀法存在的电解液污染问题，本发明的方案还可以适用于有机基超材料，由纤维网决定的导电微结构的图案和尺寸有足够的精度。因此本发明的方案比已知的导电微结构的制造方法有更广泛的适用范围。

附图说明

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：

图1示出本发明一实施例的超材料的导电微结构制作方法流程图。

图2示出根据本发明一实施例所编织的纤维网。

图3示出根据本发明另一实施例所编织的纤维网。

图4A、4B示出根据本发明一实施例的形成导电微结构的纤维网。

图5A、5B示出根据本发明一实施例所制得的含有导电微结构的超材料。

图6示出本发明另一实施例的超材料的导电微结构制作方法流程图。

图7示出根据本发明一实施例所编织的纤维网。

图8示出根据本发明一实施例的各节点被固定的纤维网。

图9A、9B示出根据本发明一实施例的形成导电微结构的纤维网。

图10A、10B示出根据本发明一实施例所制得的含有导电微结构的超材料。

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。

本发明的实施例将描述超材料的导电微结构制作方法。这一超材料可以是各种基材，例如有机基或陶瓷基。已知的形成导电微结构的方法，例如覆铜蚀刻法、激光活化电镀法和丝网印刷法无法同时适用于有机基和陶瓷基超材料。本发明的实施例将提供能够适用于有机基和陶瓷基超材料的导电微结构制作的方法。

图1示出本发明一实施例的超材料的导电微结构制作方法流程图。参照图1所示，制作方法的流程如下：

步骤101，编织一纤维网。此纤维网与要形成的导电微结构具有实质上相同的平面图案。

举例来说，如果要形成的导电微结构的平面图案是两条平行线，那么编织的纤维网是长度、走向和间距相同的两条平行线。此外，在误差允许的范围内，纤维网的平行线的宽度与导电微结构的宽度也基本相同。

可以理解，根据超材料类型和性能指标的不同，导电微结构可以有多种图案和尺寸。因此纤维网也相应具有各种不同图案和尺寸。举例来说，纤维网的线条宽度是50-1000μm，线条厚度是0.1-1mm，线条之间的间距是5-50mm。

图2示出根据本发明一实施例所编织的纤维网。这一纤维网20具有两条平行线。参考图2所示，本实施例的纤维网20的各个线条21可以是由纤维束构成。每一纤维束则是由多根纤维线组成。在图3所示的另一实施例的纤维网中，纤维网20’的各个线条21’是由单根纤维线构成。这些纤维线既可以是实心的，还可以是空心的。

如前所述，本实施例的方法可以用于有机基或陶瓷基超材料中导电微结构的制作。可以理解，考虑到陶瓷基超材料制作过程的共烧，纤维网的材质最好是耐高温的，例如玻璃、陶瓷。

在步骤102，在纤维网20上附着导电物质，以形成导电微结构30。

附着导电物质的方法可以从许多已知工艺中选择，例如化学镀、真空溅镀、等等。本领域技术人员可以根据具体场合来选择合适的工艺。

导电微结构30可以覆盖纤维网20的各线条的整个外表面，也可以只是覆盖纤维网20的各线条的部分外表面(例如上表面)。这取决于具体使用的工艺，例如使用化学镀时，导电微结构30可以覆盖纤维网20的各线条的整个外表面。

导电物质通常为金属或金属合金。对于有机基超材料，优选常见的导电金属或合金，例如铜，其导电率良好且成本低廉。对于陶瓷基超材料优选为贵金属或贵金属合金，例如银、铂、钼、钨、或银钯合金等。这些材料的化学性能稳定，不易被氧化，因而适合与陶瓷共烧。

图4A、4B示出根据本发明一实施例的形成导电微结构的纤维网，图4A为俯视图，图4B为侧视图。图4B示出导电微结构30覆盖纤维网20的各线条的上表面。形成导电微结构后，线条宽度基板上维持在50-1000μm之间，线条厚度是0.1-1mm。

在步骤103，将形成有导电微结构的纤维网复合到超材料的基材上。

图5A、5B示出根据本发明一实施例所制得的含有导电微结构的超材料。在本发明的实施例中，超材料500的基材40既可为有机基，也可为陶瓷基。并且超材料的基材既可为平面，也可为曲面。

图6示出本发明另一实施例的超材料的导电微结构制作方法流程图。参照图6所示，制作方法的流程如下：

步骤601，编织一纤维网。此纤维网与要形成的导电微结构具有实质上相同的平面图案。

举例来说，如果要形成的导电微结构的平面图案是两条平行线，那么编织的纤维网是长度、走向和间距相同的两条平行线。此外，在误差允许的范围内，纤维网的平行线的宽度与导电微结构的宽度也基本相同。

可以理解，根据超材料类型和性能指标的不同，导电微结构可以有多种图案和尺寸。因此纤维网也相应具有各种不同图案和尺寸。

图7示出根据本发明一实施例所编织的纤维网。这一纤维网70具有多个“#”字。参考图7所示，本实施例的纤维网70的各个线条71可以是由纤维束构成。每一纤维束则是由多根纤维线组成。然而可以理解，在图未示的另一实施例的纤维网中，纤维网的各个线条可以是由单根纤维线构成。这些纤维线既可以是实心的，还可以是空心的。

如前所述，本实施例的方法可以用于有机基或陶瓷基超材料中导电微结构的制作。可以理解，考虑到陶瓷基超材料制作过程的共烧，纤维网70的材质最好是耐高温的，例如玻璃、陶瓷。

在步骤602，固定纤维网的各个网线相交处的节点。

在纤维网中有相交的线条时，需要加入这一步骤。固定各节点72的方式可以用氧化硅溶胶经加热处理来实现。后文将给出示例性的实施流程。

在步骤603，在纤维网10上附着导电物质，以形成导电微结构80。

附着导电物质的方法可以从许多已知工艺中选择，例如化学镀、真空溅镀、等等。本领域技术人员可以根据具体场合来选择合适的工艺。

导电物质通常为金属或金属合金。对于有机基超材料，优选常见的导电金属或合金，例如铜，其导电率良好且成本低廉。对于陶瓷基超材料优选为贵金属或贵金属合金，例如银、铂、钼、钨、或银钯合金等。这些材料的化学性能稳定，不易被氧化，因而适合与陶瓷共烧。

图9A、9B示出根据本发明一实施例的形成导电微结构的纤维网，其中图9A为俯视图，图9B是侧视图。图9B示出导电微结构80覆盖在纤维网70的各线条上的整个外表面。形成导电微结构80后，线条宽度基板上维持在50-1000μm之间，线条厚度是0.1-1mm。

在步骤604，将形成有导电微结构的纤维网复合到超材料的基材上。

在本发明的实施例中，超材料的基材既可为有机基，也可为陶瓷基。超材料的基材既可为平面，也可为曲面。复合纤维网的方法可以是根据基板的材质进行选择。举例来说，对于有机基板来说，可以将纤维网固定在基板上，浇灌树脂，压板，然后承压固化。对于陶瓷基板来说，可以将纤维网浸泡浆料，然后与未烧结的陶瓷坯片叠合在一起烧结。

图10A、10B示出根据本发明一实施例所制得的含有导电微结构的超材料。在本发明的实施例中，超材料1000的基材90既可为有机基，也可为陶瓷基。并且超材料的基材既可为平面，也可为曲面。

在步骤602中，固定纤维网的各个网线相交处的节点的流程包括：首先临时固定纤维网的各个节点，然后将各节点被临时固定的纤维网浸泡在氧化硅溶胶中；接着烘干该纤维网，最后加热该纤维网。

下面例举本发明实际实施的例子。

实例1

用无离子硅溶胶，其与10％的低熔点玻璃粉相混合，制得浆料。将该浆料浸泡被临时固定的纤维网，晾干，浆料在节点处附集，烘干，加热到700℃，冷却，即得固定节点的纤维网。然后将其浸泡在化学镀的溶液中，例如硝酸银的水溶液中，用还原剂将硝酸银变成银镀层，水洗后，烘干后制得镀银纤维网的导电微结构层。它然后可以用不同的方式复合到基板上形成超材料或电磁屏蔽材料。举例来说，对于有机基板来说，可以将纤维网固定在基板上，浇灌树脂，压板，然后承压固化。对于陶瓷基板来说，可以将纤维网浸泡浆料，然后与未烧结的陶瓷坯片叠合在一起烧结。

因此，本发明的实施例是先形成一适于附着导电物质的纤维网，然后在纤维网上形成导电微结构，最后将形成有导电微结构的纤维网复合到基材上。本发明的实施例既可以适用于陶瓷基超材料，而没有一般覆铜蚀刻法和激光活化电镀法存在的电解液污染问题，本发明的实施例还可以适用于有机基超材料，由纤维网决定的导电微结构的图案和尺寸有足够的精度。因此本发明的实施例比已知的导电微结构的制造方法有更广泛的适用范围。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (12)

1.一种超材料的导电微结构制作方法，其特征在于，应用于超材料领域，所述超材料的导电微结构制作方法包括以下步骤：

编织一纤维网，该纤维网与要形成的导电微结构具有实质上相同的平面图案，该纤维网的材质为玻璃或陶瓷；

固定该纤维网的各个网线相交处的节点；

在该纤维网上附着导电物质，以形成该导电微结构；以及

将形成有该导电微结构的纤维网复合到超材料的基材上；

其中，固定该纤维网的各个网线相交处的节点的步骤包括：

临时固定该纤维网的各个节点；

将各节点被临时固定的纤维网浸泡在氧化硅溶胶中；

烘干该纤维网；以及

加热该纤维网；

在该纤维网上附着导电物质的方法包括：化学镀、电子束蒸发、磁控溅射以及化学气相沉积；

所述导电微结构的线条宽度和线条厚度分别是50～1000μm和0.1～1mm，所述纤维网的线条宽度和线条厚度分别是50～1000μm和0.1～1mm。

2.如权利要求1所述的超材料的导电微结构制作方法，其特征在于，该纤维网的各个线条是由单根纤维线构成。

3.如权利要求2所述的超材料的导电微结构制作方法，其特征在于，该纤维线是实心或空心的。

4.如权利要求1所述的超材料的导电微结构制作方法，其特征在于，该纤维网的各个线条是由多根纤维线组成的纤维束构成。

5.如权利要求1所述的超材料的导电微结构制作方法，其特征在于，该超材料的基材为有机基材或陶瓷基材。

6.如权利要求1所述的超材料的导电微结构制作方法，其特征在于，该超材料的基材为平面或曲面。

7.一种超材料，其特征在于，包括一基材、一纤维网及一根据权利要求1-6任一项所述的方法制造的导电微结构，其中该导电微结构附着在该纤维网上，且该纤维网与该导电微结构具有实质上相同的平面图案，该纤维网复合在该基材上。

8.如权利要求7所述的超材料，其特征在于，该纤维网的各个线条是由单根纤维线构成。

9.如权利要求8所述的超材料，其特征在于，该纤维线是实心或空心的。

10.如权利要求7所述的超材料，其特征在于，该纤维网的各个线条是由多根纤维线组成的纤维束构成。

11.如权利要求7所述的超材料，其特征在于，该超材料的基材为有机基材或陶瓷基材。

12.如权利要求7所述的超材料，其特征在于，该超材料的基材为平面或曲面。

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