CN110137687A - 一种制备柔性超材料的方法 - Google Patents

Abstract

一种制备柔性超材料的方法，包括如下步骤：按照设计制备周期阵列掩模版；将掩模版放置于柔性薄膜上，将粘结剂涂于掩模版边缘以固定掩模版；将金属导电漆与稀释剂混合均匀形成金属导电漆稀溶液，将金属导电漆稀溶液注入喷壶；启动喷壶，将金属导电漆稀溶液喷至掩模版‑柔性薄膜组合体中的掩模版面，一次喷涂后静置3‑5分钟，直到金属导电漆稀溶液中的丙酮完全挥发后进行下一次喷涂，重复上述步骤3‑5次，待金属导电漆均匀致密地覆盖在掩模版‑柔性薄膜组合体后停止喷涂，导电漆的喷涂厚度需为1微米‑500微米；步骤E：取下掩模版，擦去粘结剂，获得柔性超材料。本发明为一种简单、制备速度快、低成本、适合大规模生产的制备方法。

Description

一种制备柔性超材料的方法

技术领域

本发明属于超材料制备技术领域，具体涉及一种制备柔性超材料的方法。

背景技术

超材料是一种通过人工构造有序亚波长金属单元形成的具有特殊电磁响应的新型材料。超材料主要通过金属单元的形状和排列调整整体性能，因此，如何制备特定形状的金属单元并且将其按一定排布方式周期排列是超材料制备技术的关键。

目前对于特定形状金属周期阵列的制备方法主要包括机械加工法、光刻法、化学蚀刻法、激光打标法等。机械加工方法通常利用物理方法制备所需要的金属片，用粘合剂将金属片固定于介质基板最终组合成为超材料。这种方法主要通过工人手工将金属片贴于介质基板，因此生产效率以及生产精度在大规模周期阵列制备过程中难以保障。光刻工艺以及化学蚀刻工艺也是发展迅速的制备工艺。这类工艺首先需要在整片覆铜板（或相关金属层-介质组合板）印刷所需图案，再通过曝光或化学腐蚀方法除去未被抗腐蚀剂遮掩的部分，形成高精度的周期金属阵列。这类生产需要特殊设备进行加工，操作复杂，且所用材料一般为大面积覆铜板，成本相对高昂。激光打标法利用高能量密度的激光对覆铜板（或相关金属层-介质组合板）表面进行局部照射，使金属表面材料汽化，获得需要的周期金属阵列。其缺点在于激光打标的过程中材料受热易变形且形变不易修复。受限于激光打标机中激光的功率，剪裁效率不高且成本高昂，很难用于大规模生产，因此不利于超材料的发展。如要用上述方法制备柔性超材料，还需在制备超材料之前先制备柔性覆铜薄膜，生产成本急剧增加且制备过程复杂。利用上述方法对于柔性覆铜薄膜进行加工也存在一定问题，超材料极易在加工产过程中发生形变，这更限制了柔性超材料的发展。

发明内容

本发明解决的技术问题是针对现有技术中的缺点而提供一种简单、制备速度快、低成本、适合大规模生产的柔性超材料制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种制备柔性超材料的方法，包括如下步骤：

步骤A：按照设计制备周期阵列掩模版；

步骤B：将掩模版放置于柔性薄膜上，将粘结剂涂于掩模版边缘以固定掩模版；

步骤C：将金属导电漆与稀释剂混合均匀形成金属导电漆稀溶液，将金属导电漆稀溶液注入喷壶；

步骤D：启动喷壶，将金属导电漆稀溶液喷至掩模版-柔性薄膜组合体中的掩模版面，一次喷涂后静置3-5分钟，直到金属导电漆稀溶液中的丙酮完全挥发后进行下一次喷涂，重复上述步骤3-5次，待金属导电漆均匀致密地覆盖在掩模版-柔性薄膜组合体后停止喷涂，导电漆的喷涂厚度需为1微米-500微米；

步骤E：取下掩模版，擦去粘结剂，获得柔性超材料。

所述步骤A中掩模版为3D打印制成。

所述步骤B中的柔性薄膜可为聚酰亚胺薄膜。

所述步骤B中的柔性薄膜厚度为50-500微米。

所述步骤B中的粘结剂可为真空硅脂或凡士林。

所述步骤C中稀释剂为丙酮或天那水。

所述金属漆与稀释剂的比例为每100ml稀释剂漆添加10g-50g金属漆。

所述步骤C中喷壶可为电动喷壶或气动喷壶。

所述步骤D中启动喷壶后需待喷壶喷嘴处气流稳定后再移至掩模版-柔性薄膜组合体，喷涂过程中需保持平缓稳定。

所述步骤D中喷壶距掩模版-柔性薄膜组合体表面为10-70厘米，喷壶喷嘴与掩模版-柔性薄膜组合体的表面保持0-60度夹角。

所述步骤D中喷壶喷涂金属导电漆在掩模版上的方法可用刷子将导电漆刷在掩模版上方法替代。

本发明的有益效果是：提出一种廉价的、适宜大规模生产的柔性超材料制备方法。本发明利用3D打印方法制备掩模版，相较其他加工方法如机械加工法、光刻法、化学蚀刻法、激光打标法等，其优点在于：1. 用3D打印方法制备掩模版价格低、精度高且模板在加工过程中不易发生形变，一体性好；2.其他方法制备的掩模版为2D模板，无法胜任复杂图案（如“同心环”图案）的制备；3D打印制备的掩模版为3D掩模版，可以通过设计，制备满足复杂需求的掩模版（图1c为“同心环”图案的掩模版：由于连接同心环内外环的链接处位于掩模版纵向的最高处且连接部件较小，因此不会对喷涂造成影响）。掩模版可再重复利用，成本低。本发明使用的原料（金属导电漆，聚酰亚胺薄膜）皆为成熟的工业产品，价格低廉。本例对原料的二次加工仅有一道工序（稀释金属导电漆），操作简单，成本低廉。本发明采用电动喷壶喷涂导电漆，这种方法的优点在于：1. 喷壶的采购成本低；2. 喷壶喷射面积大，适用于大规模成产；3. 喷射的液滴可以无视掩模版纵向的最高处的小部件，因此适于制备复杂图案的超材料。本发明提出的制备方法可制备柔性超材料，相较于其他柔性超材料的制备方法，本发明的方法无需先制备柔性覆铜薄膜再进行加工，因此节省物料，成本更低，且制备步骤更少。本发明生产成本低廉，无需精密仪器，且学习成本低。

附图说明

图1为本发明制备的掩模版俯视图：（a）为圆形掩模版的正视图；（b）为圆形掩模版一个单元的侧视图；（c）为同心环掩模版的正视图；（d）为同心环掩模版一个单元的侧视图；

图2为本发明固定了圆形掩模版的介质基层-掩模版组合的（a）俯视图（b）侧视图；

图3为本发明喷涂导电漆的介质基层-掩模版组合的俯视图；

图4为本发明导电漆凝固后去掉掩模版的超材料俯视图；

图5为本发明柔性超材料制备方法的整体流程示意图；

图6为本发明柔性超材料制备方法的整体工艺流程图。

具体实施方法

下面结合附图详细说明本发明的技术内容进行详细的说明。

如图1所示，给出了一种圆片形超材料掩模版的柔性超材料的制备方法，掩模版通过3D打印制成，（a）为圆形掩模版的正视图；（b）为圆形掩模版一个单元的侧视图；（c）为同心环掩模版的正视图；（d）为同心环掩模版一个单元的侧视图。利用不同形状的掩模版可以制备不同形状的超材料，如用图1（a）所示掩模版则可制备图案为圆片类型的超材料，如用图1（c）所示掩模版则可制备图案为同心环的超材料。

实施例1

一种制备柔性超材料的方法，包括如下步骤：

按照设计3D打印周期阵列掩模版；将掩模版放置于柔性聚酰亚胺薄膜上，聚酰亚胺柔性薄膜厚度为500微米。用真空硅脂或凡士林涂于掩模版边缘以固定掩模版形成掩模版-柔性介质基层组合体，如图2所示，图2(a)为掩模版-介质基层组合体的俯视图，图2(b)为掩模版-介质基层组合体的侧视图。组合时使用黏着剂涂于掩模版边缘底部，确保掩模版与介质基层紧密相接。将金属导电漆与稀释剂混合均匀形成金属导电漆稀溶液，金属漆与稀释剂的比例为每100ml稀释剂漆添加10g金属漆，将金属导电漆稀溶液注入喷壶；然后将稀释后的导电漆喷涂在掩模版-介质柔性基层组合体的掩模版面。喷涂喷导电漆稀溶液至后将整体结构静置3分钟，直到金属导电漆稀溶液中的丙酮完全挥发；重复喷涂3次，待金属导电漆均匀致密地覆盖在掩模版-聚酰亚胺柔性薄膜组合体后停止喷涂，如图3所示，图3为多次喷涂导电漆的示意图。导电漆的喷涂厚度为1微米。本例中使用的金属导电漆为铜漆，还可以为导电铜漆，导电铝漆、导电银漆、导电镍漆；导电漆的导电率需保持在5800至58000000siemens/m之间；导电漆的导电率虽然相较金属铜导电率较小，但不会影响超材料的电磁性能。介质基层作为固定超材料的附着体，在设计超材料之初已被考虑，本例中采用聚酰亚胺薄膜。最后等待金属铜漆完全附着于介质基层后，取下掩模版，即获得所需的超材料。如图4所示。

实施例2

一种制备柔性超材料的方法，包括如下步骤：

按照设计3D打印周期阵列掩模版；将掩模版放置于柔性聚酰亚胺薄膜上，聚酰亚胺柔性薄膜厚度为50微米。用真空硅脂或凡士林涂于掩模版边缘以固定掩模版形成掩模版-柔性介质基层组合体，组合时使用黏着剂涂于掩模版边缘底部，确保掩模版与介质基层紧密相接。将金属导电漆与稀释剂混合均匀形成金属导电漆稀溶液，金属漆与稀释剂的比例为每100ml稀释剂漆添加50g金属漆，将金属导电漆稀溶液注入喷壶；然后将稀释后的导电漆喷涂在掩模版-介质柔性基层组合体的掩模版面。喷涂喷导电漆稀溶液至后将整体结构静置5分钟，直到金属导电漆稀溶液中的丙酮完全挥发；重复喷涂5次，待金属导电漆均匀致密地覆盖在掩模版-聚酰亚胺柔性薄膜组合体后停止喷涂，导电漆的喷涂厚度为500微米。

对于目标频段为微波频段的超材料，其表面金属周期阵列的尺寸一般在毫米量级，本发明可以满足其精度要求。本发明超材料的制备方法步骤少，工艺简单，无需操作精密仪器，学习成本低廉；本发明使用3D打印生产掩模版，掩模版精度高；掩模版厚度很小，消耗打印耗材少，价格低廉；3D打印自动化程度高，易于控制与重复。3D掩模版设计更加灵活，可以用于生产更为复杂的超材料。掩模版可以重复使用，因此超材料的生产成本低。本发明使用电动喷壶喷绘金属周阵列，采购成本低，加工面积大，且配合3D掩模版可以生产复杂图案的超材料。超材料上的金属周期阵列的厚度与电导率在很大范围内都不会对超材料性能产生影响，生产的容错率很高，方便实际中的大规模生产。本发明使用柔性薄膜作为附着超材料的基底，制备了柔性超材料，无需在生产之初预加工柔性覆铜薄膜，减少了生产步骤，提高了生产效率。

Claims (10)

1.一种制备柔性超材料的方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤A：按照设计制备周期阵列掩模版；

步骤B：将掩模版放置于柔性薄膜上，将粘结剂涂于掩模版边缘以固定掩模版；

步骤C：将金属导电漆与稀释剂混合均匀形成金属导电漆稀溶液，将金属导电漆稀溶液注入喷壶；

步骤D：启动喷壶，将金属导电漆稀溶液喷至掩模版-柔性薄膜组合体中的掩模版面，一次喷涂后静置3-5分钟，直到金属导电漆稀溶液中的丙酮完全挥发后进行下一次喷涂，重复上述步骤3-5次，待金属导电漆均匀致密地覆盖在掩模版-柔性薄膜组合体后停止喷涂，导电漆的喷涂厚度需为1微米-500微米；

步骤E：取下掩模版，擦去粘结剂，获得柔性超材料。

2.根据权利要求1所述的一种制备柔性超材料的方法，其特征在于：所述步骤A中掩模版为3D打印制成。

3.根据权利要求1或2所述的一种制备柔性超材料的方法，其特征在于：所述步骤B中的薄膜可为聚酰亚胺薄膜。

4.根据权利要求3所述的一种制备柔性超材料的方法，其特征在于：所述步骤B中的薄膜厚度为50-500微米。

5.根据权利要求1或4所述的一种制备柔性超材料的方法，其特征在于：所述步骤B中的粘结剂可为真空硅脂或凡士林。

6.根据权利要求1所述的一种制备柔性超材料的方法，其特征在于：所述步骤C中稀释剂为丙酮或天那水。

7.根据权利要求1或6所述的一种制备柔性超材料的方法，其特征在于：所述金属漆与稀释剂的比例为每100ml稀释剂漆添加10g-50g金属漆。

8.根据权利要求7所述的一种制备柔性超材料的方法，其特征在于：所述步骤C中喷壶可为电动喷壶或气动喷壶。

9.根据权利要求8所述的一种制备柔性超材料的方法，其特征在于：所述步骤D中启动喷壶后需待喷壶喷嘴处气流稳定后再移至掩模版-柔性薄膜组合体，喷涂过程中需保持平缓稳定。

10.根据权利要求9所述的一种制备柔性超材料的方法，其特征在于：所述步骤D中喷壶距掩模版-柔性薄膜组合体表面为10-70厘米，喷壶喷嘴与掩模版-柔性薄膜组合体的表面保持0-60度夹角。