CN106469857B - 吸波超材料 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种吸波超材料，该吸波超材料包括：基材以及附着于基材一表面上的电磁损耗材料；电磁损耗材料具备孔结构。本发明可以通过调节电磁损耗材料的结构尺寸和方阻实现太赫兹波段电磁调制功能。本发明的吸波超材料，是利用在具有电磁损耗性能的材料上的不同尺寸的微结构实现谐振电磁损耗的超材料。基于具备电磁损耗的孔结构的太赫兹超材料也即本发明的吸波超材料具有重量轻、价格低廉、易于加工的的优势，相比无微结构的损耗材料形成的太赫兹超材料的设计，存在损耗可调节的优势，更加具有实际应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及超材料领域，尤其涉及一种吸波超材料。
背景技术
太赫兹波段(Terahertz，THz)是指频率位于0.1THz-10THz范围内的电磁波，其波长覆盖3mm-30μm，也被称为THz辐射、亚毫米波或者T射线。太赫兹在电磁波谱中处于毫米波和红外之间，相对于这两个波段，太赫兹技术发展只有二三十年时间，理论和应用相对滞后，在电磁波谱中，也被成为“太赫兹空隙”。太赫兹技术可以给通信、天文观测、雷达探测、公共安全、医学成像、基因检查等领域带来重要技术革新，近年来受到了科学界和产业界的极大关注。
太赫兹技术目前受到太赫兹发生源、探测器以及功能器件的制约，尚未得到大规模应用。由于太赫兹波长非常短，导致其器件尺寸相对微波器件而言要小很多，是微波器件的百分之几的量级，因此器件加工困难，成本高昂。目前大部分太赫兹器件都是采用光刻方法得到，样件尺寸小，成品率不高，极大制约了太赫兹技术的研究和应用。
针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对相关技术中的问题，本发明提出一种吸波超材料，能够调节损耗，更加具有实际应用价值。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明提供了一种吸波超材料。
该吸波超材料包括：
基材以及附着于基材一表面上的电磁损耗材料；
该电磁损耗材料具备孔结构。
优选的，基材包括柔性基材。
优选的，电磁损耗材料为电磁损耗性薄膜。
其中，可以在电磁损耗性薄膜上加工有不同和/或相同尺寸的微结构。
其中，电磁损耗性薄膜所包含的材料选自纳米碳粉、或者树脂、或者二者的结合。
此外，在电磁损耗性薄膜上加工的微结构可以包括多个，且多个微结构以周期性阵列的方式进行排布。
优选的，多个微结构中的每一个均包括矩形孔，且包括矩形孔的多个微结构在基材上以周期阵列方式排布。
优选的，多个微结构中的每一个均包括圆形孔，且包括圆形孔的多个微结构在基材上以周期阵列方式排布。
优选的，多个微结构中的一部分包括圆形孔，另一部分包括矩形孔，且包括圆形孔的微结构与包括矩形孔的微结构以行为单位或者以列为单位在基材上间隔式排布。
其中，基材划分有多个单元格，每个单元格上对应放置一个微结构。
其中，单元格呈方形，长和宽相等且各自的取值范围为320～480μm。
其中，基材的介电常数的取值范围为4.0～4.6，基材的损耗角正切值的取值范围为0.003～0.005，基材的厚度的取值范围为32～48μm。
优选的，电磁损耗性薄膜材料的方阻的取值范围为80～120欧姆每方。
优选的，电磁损耗性薄膜材料的厚度的取值范围为14～22μm。
优选的，孔结构呈矩形，尺寸满足长的取值范围为240～360μm，宽的取值范围为40～60μm。
优选的，柔性基材包括聚酰亚胺薄膜PI膜。
优选的，孔结构呈圆形，且直径的取值范围为240～360μm。
优选的，柔性基材的介电常数的取值范围为3.0～3.8，柔性基材的损耗角正切值的取值范围为0.005～0.007，柔性基材的厚度的取值范围为60～90μm。
此外，当基材为柔性基材时，电磁损耗性薄膜材料的方阻的取值范围为160～240欧姆每方。
其中，吸波超材料的对太赫兹波段电磁调制功能的影响因素包括以下至少之一：
微结构的尺寸；
电磁损耗性薄膜材料的方阻；
多个微结构在基材上的周期排布方式。
本发明可以通过调节电磁损耗材料的结构尺寸和方阻实现太赫兹波段电磁调制功能。本发明的吸波超材料，是利用在具有电磁损耗性能的材料上的不同尺寸的微结构实现谐振电磁损耗的超材料。基于具备电磁损耗的孔结构的太赫兹超材料也即本发明的吸波超材料具有重量轻、价格低廉、易于加工的的优势，相比无微结构的损耗材料形成的太赫兹超材料的设计，存在损耗可调节的优势，更加具有实际应用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例的吸波超材料的截面示意图；
图2是根据本发明实施例的吸波超材料的俯视示意图；
图3是根据本发明另一实施例的吸波超材料的俯视示意图；
图4是根据本发明又一实施例的吸波超材料的俯视示意图；
图5是根据本发明再一实施例的吸波超材料的俯视示意图；
图6是根据本发明另外一实施例的吸波超材料的俯视示意图；
图7是根据本发明一具体实施例的吸波超材料的俯视示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据本发明的实施例，提供了一种吸波超材料。
如图1所示，根据本发明实施例的吸波超材料包括：
基材11、以及附着于基材11一表面上的电磁损耗材料12；
该电磁损耗材料具备孔结构13。
优选的，本发明中的电磁损耗材料可以为电磁损耗性薄膜，并在其上加工有不同尺寸和/或相同尺寸的微结构。
因此，发明可以通过调节电磁损耗材料及其上加工的微结构的尺寸和方阻实现太赫兹波段电磁调制功能。
在一个实施例中，对于电磁损耗性薄膜的组成材料而言，其所包含的材料可选自由纳米碳粉(可以理解为石墨)、树脂组成的组中的一种或多种，也就是说，该电磁损耗性薄膜可以是由纳米级碳粉构成，也可以是由树脂材料构成，还可以是由纳米级碳粉和树脂材料掺杂在一起的混合物材料，当然，该电磁损耗性薄膜的组成材料还可以是其他的一些具备电磁损耗功能的非金属材料，从而可以根据不同的太赫兹波段的调制需要，掺杂不同的非金属材料。
根据本发明实施例的吸波超材料还提供了两种柔性不同的基材，其中一种基材的介电常数取值在4.0～4.6范围内，例如4.3，损耗角正切值可以在0.003～0.005范围内，例如，0.004，厚度可以在32～48μm的范围内，例如，40μm。另外一种柔性基材的介电常数取值在3.4～3.8范围内，例如，3.5，损耗角正切值可以在0.005～0.007范围内，例如，0.006，厚度可以在60～90μm的范围内，例如，75μm。而对于柔性基材的组成成分来说，其可以是聚酰亚胺薄膜PI膜，当然，也可以是由其他的柔性材料构成，这样就可使本发明的太赫兹超材料能够附着在任何曲面上，从而使得应用本发明的太赫兹超材料的元件更加广泛，不受元件形状的限制，更具应用的普遍性。在一个实施例中，构成该超材料的电磁损耗材料为电磁损耗性薄膜，所选基材的介电常数在4.0～4.6范围内，比如4.3(普通基材)。在该实施例中，电磁损耗性薄膜材料的方阻在80～120欧姆每方的范围内，例如，100欧姆每方。厚度可以选自14～22μm的范围内，例如，18μm。
在另一个实施例中，构成该超材料的电磁损耗材料为电磁损耗性薄膜，所选基材的介电常数在3.4～3.8范围内，例如3.5(柔性基材)。在该实施例中，电磁损耗性薄膜材料的方阻在160～240欧姆每方范围内，例如，200欧姆每方、厚度在14～22μm范围内，例如，18μm。也就是说，当基材为柔性基材时，电磁损耗性薄膜材料的方阻可以选为160～240欧姆每方范围内，比如上述的200欧姆每方。
上述两个实施例虽然例举出了当使用不同柔性的基材时，可以选择属性不同的电磁损耗材料进行搭配，但是本发明并不限定上述两种方式。基材与电磁损耗材料之间的搭配选择可以根据实际应用场景及需求适当选择。
在一个实施例中，参照图2所示，其示出的吸波超材料包括：
基材(未示出)以及附着于该基材一表面上的电磁损耗材料12；
该电磁损耗材料12具备孔结构21，孔结构21为矩形，对于基材的柔性可以根据实际需要进行选择，并不做具体限定，同样的，对于选择何种基材而选择与之搭配的电磁损耗材料也不做具体限定。在该实施例中，优选的，矩形孔结构21的尺寸长的取值在240～360μm范围内，例如300μm，宽在40～60μm范围内，例如50μm。同样的，本实施例虽然列举出了矩形孔结构21的优选尺寸，但本发明并不限定其尺寸的大小，可以根据实际应用环境进行调节。
图2虽然示出了本发明的吸波超材料的孔结构为矩形，但是本发明对于孔结构的形状及尺寸并不做具体限定，可以根据实际应用的环境及需求进行相应调节。比如孔结构的形状可以为圆形、三角形、具有规则形状的多边形或不规则形状的多边形等等。
在另一个实施例中，示出了不同形状孔结构的吸波超材料，如图3所示，该吸波超材料包括：
基材(未示出)以及附着于该基材一表面上的电磁损耗材料12；
该电磁损耗材料12具备孔结构31，孔结构31为圆形，对于基材的柔性可以根据实际需要进行选择，并不做具体限定，同样的，对于选择何种基材而选择与之搭配的电磁损耗材料也不做具体限定。在该实施例中，优选的，圆形孔结构31的直径在240～360μm范围内，例如300μm。同样的，本实施例虽然例举出了圆形孔结构31的优选尺寸，但本发明并不限定其尺寸的大小，可以根据实际应用环境进行调节。
优选的，为了实现对太赫兹波段的电磁调制，可以在电磁损耗性薄膜上加工有不同和/或相同尺寸的微结构，加工的微结构可以包括多个，且多个微结构可以以周期性阵列的方式进行排布。即根据本发明实施例的太赫兹超材料可以包括多个以周期性阵列的方式排布的超材料单元结构。而对于该单元结构可以是在基材上划分有多个单元格，并在每个单元格上对应放置一个微结构所构成的。
根据本发明的实施例可以在电磁损耗性薄膜上加工出多个尺寸相同和/或不同的微结构并以周期阵列的方式排布，参照图4及图5所示，其示出的吸波超材料包括：
基材(未示出)以及附着于该基材一表面上的电磁损耗材料12；电磁损耗材料可以为电磁损耗性薄膜，并在其上加工有不同和/或相同尺寸的微结构，比如微结构31、微结构21，微结构31及微结构21均为孔结构。多个微结构31及微结构21以行为单位或者以列为单位在基材上间隔式排布，并且基材划分有多个单元格，可以使得每个单元格上对应放置一个微结构31或微结构21。优选的，单元格呈方形，且长和宽相等，取值在320～480μm范围内，例如400μm。同样的，上述单元格的形状及尺寸仅为本实施例的优选举例，本发明对于单元格的形状及尺寸并不做具体限定，可以根据实际应用场景及需要进行适当调节。
综上所述，本发明的吸波超材料可以在基材上阵列有相同和/或不同微结构的电磁损耗材料，因此在对吸波超材料进行电磁调制时可以实现多样化的组合调试、丰富了其使用性，能够满足多种环境的使用需要，提高了用户体验。
根据本发明的实施例还可以在电磁损耗性薄膜上加工出多个尺寸相同的微结构并以周期阵列的方式进行排布，参照图6及图7所示，其示出的吸波超材料包括：
基材(未示出)以及附着于该基材一表面上的电磁损耗材料12；电磁损耗材料可以为电磁损耗性薄膜，并在其上加工有相同尺寸的微结构，比如圆形孔微结构31或矩形孔微结构21。如图6所示，多个相同的矩形孔微结构21在基材上以周期阵列的方式排布；如图7所示，多个相同的圆形孔微结构31在基材上以周期阵列的方式排布。
另外，对于本发明的太赫兹超材料在太赫兹波段(0.1THz～10THz)进行电磁调制时，影响其电磁调制功能的因素可以是孔结构13的结构尺寸，也可以是电磁损耗材料12的方阻，还可以是孔结构13在基底11上的周期排布方式(即不同的周期排布方式)，当然还可以是上述三种因素的任意组合，也就是说，根据本发明的太赫兹超材料可以通过调整孔结构、构成该孔结构的电磁损耗材料的方阻，以及孔结构在基底上的排布方式来调节太赫兹波段的电磁损耗的频率和幅度，从而实现电磁调整。
本发明的吸波超材料，是利用在具有电磁损耗性能的材料上的不同尺寸的微结构实现谐振电磁损耗的超材料。基于具备电磁损耗的孔结构的太赫兹超材料也即本发明的吸波超材料具有重量轻、价格低廉、易于加工的的优势，相比无微结构的损耗材料形成的太赫兹超材料的设计，存在损耗可调节的优势，更加具有实际应用价值。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (18)
1.一种吸波超材料，其特征在于，包括：
基材以及附着于所述基材一表面上的电磁损耗材料；
所述电磁损耗材料具备多个孔结构，其中，所述电磁损耗材料所包含的材料选自纳米碳粉、或者树脂、或者二者的结合，并且其中，所述多个孔结构之间的所述电磁损耗材料是连续的，并且所述多个孔结构完全穿过所述电磁损耗材料以暴露所述基材，
其中，所述吸波超材料的对太赫兹波段电磁调制功能的影响因素包括以下至少之一：所述孔结构的尺寸；所述电磁损耗材料的方阻；多个所述孔结构在所述基材上的周期排布方式。
2.根据权利要求1所述的吸波超材料，其特征在于，所述基材包括柔性基材。
3.根据权利要求2所述的吸波超材料，其特征在于，所述电磁损耗材料为电磁损耗性薄膜。
4.根据权利要求3所述的吸波超材料，其特征在于，在所述电磁损耗性薄膜上加工有不同和/或相同尺寸的微结构。
5.根据权利要求4所述的吸波超材料，其特征在于，在所述电磁损耗性薄膜上加工的微结构包括多个，且多个所述微结构以周期性阵列的方式进行排布。
6.根据权利要求5所述的吸波超材料，其特征在于，所述基材划分有多个单元格，每个单元格上对应放置一个所述微结构。
7.根据权利要求6所述的吸波超材料，其特征在于，所述单元格呈方形，长和宽相等且各自的取值范围为320～480μm。
8.根据权利要求1所述的吸波超材料，其特征在于，所述基材的介电常数的取值范围为4.0～4.6，所述基材的损耗角正切的取值范围为0.003～0.005，所述基材的厚度的取值范围为32～48μm。
9.根据权利要求3所述的吸波超材料，其特征在于，所述电磁损耗性薄膜材料的方阻的取值范围为80～120欧姆每方。
10.根据权利要求3所述的吸波超材料，其特征在于，所述电磁损耗性薄膜材料的厚度的取值范围为14～22μm。
11.根据权利要求1所述的吸波超材料，其特征在于，所述孔结构呈矩形，尺寸满足长的取值范围为240～360μm，宽的取值范围为40～60μm。
12.根据权利要求3所述的吸波超材料，其特征在于，所述柔性基材的介电常数的取值范围为3.4～3.8，所述柔性基材的损耗角正切的取值范围为0.005～0.007，所述柔性基材的厚度的取值范围为60～90μm。
13.根据权利要求12所述的吸波超材料，其特征在于，当所述基材为柔性基材时，所述电磁损耗性薄膜材料的方阻的取值范围为160～240欧姆每方。
14.根据权利要求2所述的吸波超材料，其特征在于，所述柔性基材包括聚酰亚胺薄膜PI膜。
15.根据权利要求1所述的吸波超材料，其特征在于，所述孔结构呈圆形，且直径的取值范围为240～360μm。
16.根据权利要求5所述的吸波超材料，其特征在于，多个所述微结构中的每一个均包括矩形孔，且包括矩形孔的多个所述微结构在所述基材上以周期阵列方式排布。
17.根据权利要求5所述的吸波超材料，其特征在于，多个所述微结构中的每一个均包括圆形孔，且包括圆形孔的多个所述微结构在所述基材上以周期阵列方式排布。
18.根据权利要求5所述的吸波超材料，其特征在于，多个所述微结构中的一部分包括圆形孔，另一部分包括矩形孔，且包括圆形孔的微结构与包括矩形孔的微结构以行为单位或者以列为单位在所述基材上间隔式排布。
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