CN110416740A - 一种基于微螺旋结构的超材料及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于微螺旋结构的超材料，包括基体，基体包括若干个依次连接的子基体层，每个子基体层内均设置有若干个磁性微螺旋体，每个子基体层中的若干个磁性微螺旋体的轴向平行，磁性微螺旋体呈三维螺旋形。本发明还提供一种基于微螺旋结构的超材料的制造方法，包括以下步骤：(1)将混合物放入成形模具中，密封后放入一对电磁铁中间的转台上，通过转台上的可调支撑体可以调整成形模具的仰角；(2)控制转台匀速转动，同时对一对电磁铁通电以施加匀强磁场开始微螺旋排布；微螺旋排布完成后，将混合物加热到液态高聚物的固化温度，加热完成后取出样件。本发明基于微螺旋结构的超材料及其制造方法，实现了超材料中微螺旋结构的有序排布。

Description

一种基于微螺旋结构的超材料及其制造方法
技术领域
本发明涉及超材料技术领域，特别是涉及一种基于微螺旋结构的超材料及其制造方法。
背景技术
超材料因其具有“超自然”的电磁特性或是功能，受到研究者的广泛关注。超材料由微纳米结构通过一定形式堆叠或阵列排布而成，具有自然界材料所不具有的特性，例如负折射率等。其中，手性超材料作为超材料中的重要成员，已经成为电磁材料领域研究的热点之一，由于不具有镜像对称性，因而当与左右旋向的电磁波相互作用时，能表现出明显的圆二色性。3D螺旋结构被认为是制造手性超材料最理想的结构。
但是，通过3D的激光直写技术或是聚焦离子束沉积等技术制造3D有序的螺旋结构，成本高、效率低而且难以实现大面积制造。虽然通过生物模板的方法可以快速批量制造微螺旋，但是由于缺乏有效的微螺旋排布方法，因而制造的微螺旋超材料是无序的，这严重制约着高性能手性材料的制造。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于微螺旋结构的超材料及其制造方法，以解决上述现有技术存在的问题，实现超材料中微螺旋结构的有序排布，提高超材料在THZ频段范围内的手性效应和偏振转换特性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供了一种基于微螺旋结构的超材料，包括基体，所述基体包括若干个依次连接的子基体层，所述子基体层的材料为高聚物，每个所述子基体层内均设置有若干个磁性微螺旋体，每个所述子基体层中的若干个所述磁性微螺旋体的轴向平行，所述磁性微螺旋体呈三维螺旋形，所述磁性微螺旋体采用磁性材料制作而成。
优选地，每个所述子基体层中的若干个所述磁性微螺旋体均匀分布。
优选地，所述高聚物为聚氨酯、聚二甲基硅氧烷、橡胶或环氧树脂。
优选地，所述磁性微螺旋体的螺旋长度为200-500μm、外直径为20-50μm、线径为2-8μm、螺旋升角为55°-90°。
优选地，任意两个所述子基体层中的所述磁性微螺旋体的轴向不同。
本发明还提供一种基于微螺旋结构的超材料的制造方法，包括以下步骤：
(1)将磁性微螺旋体和液态高聚物的混合物放入成形模具中，通过密封板将模具密封后，放入一对电磁铁中间的转台上，转台上设置有可调支撑体，通过可调支撑体可以调整所述成形模具的仰角；
(2)通过伺服系统控制转台匀速转动，同时对所述一对电磁铁通电以施加10-100mT的匀强磁场开始微螺旋排布；微螺旋排布10-20min后，打开转台上的加热装置，将所述混合物加热到所述液态高聚物的固化温度，同时在加热过程中一直施加所述匀强磁场，加热固定时间后，对所述一对电磁铁断电关闭转台，取出样件，所述固定时间根据所述液态高聚物的固化特性确定；
(3)当基于微螺旋结构的超材料中的子基体层的数量大于1时，在已经固化完成的单层样件的基础上，继续在模具中浇注微螺旋与高聚物的混合物，密封后，调整模具在磁场中的相对位置，重复步骤(2)，制备另一层所述子基体层，如此循环，直至所有的所述子基体层制备完成。
优选地，所述密封板与所述成形模具具有配合精度，能够实现混合物在模具中的良好密封，所述成形模具和所述密封板的材质为非金属或非磁性金属。
优选地，所述一对电磁铁中的两个电磁铁之间的间距可调，通过改变电流和两个所述电磁铁之间的距离控制磁场强度。
优选地，所述加热装置为PTC恒温陶瓷加热片。
优选地，所述相对位置指整个模具在磁场中的位置。
本发明基于微螺旋结构的超材料及其制造方法相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明基于微螺旋结构的超材料及其制造方法，实现了超材料中微螺旋结构的有序排布，提高了超材料在THZ频段范围内的手性效应和偏振转换特性。本发明基于微螺旋结构的超材料及其制造方法利用磁性微螺旋体作为基本单元，利用动态旋转磁场实现微螺旋的群体有序排布，能够制造多种不同有序结构的超材料，本发明基于微螺旋结构的超材料在THz频段范围内具有明显手性效应和偏振转换特性，可用于THz功能器件的制造。此外，本发明基于微螺旋结构的超材料及其制造方法能够用于不同尺寸的3D螺旋结构的群体定向排布，为有序微螺旋超材料的制造提供了一种新方法。
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为本发明基于微螺旋结构的超材料实施例一的结构示意图一；
图2为本发明基于微螺旋结构的超材料实施例一的结构示意图二；
图3为本发明基于微螺旋结构的超材料实施例一的结构示意图三；
图4为本发明基于微螺旋结构的超材料实施例一种磁性微螺旋体的结构示意图；
图5为本发明基于微螺旋结构的超材料的制造方法实施例一的流程图；
图6为本发明基于微螺旋结构的超材料实施例二的结构示意图一；
图7为本发明基于微螺旋结构的超材料实施例二的结构示意图二；
图8为本发明基于微螺旋结构的超材料的制造方法实施例二的流程图；
其中：1-基体，2-磁性微螺旋体，21-水平磁性微螺旋体，22-竖直磁性微螺旋体，23-倾斜磁性微螺旋体，3-混合物，4-单层成形模具，5-密封板，6-可调支撑体，7-转台，8-双层成形模具，9-凸形密封板，10-第一子基体层，11-第二子基体层，12-平面密封板，13-双层结构螺旋超材料。
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在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供基于微螺旋结构的超材料及其制造方法，以解决上述现有技术存在的问题，实现超材料中微螺旋结构的有序排布，提高超材料在THZ频段范围内的手性效应和偏振转换特性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1-4所示：本实施例基于微螺旋结构的超材料，包括基体1，基体1包括一个子基体层，子基体层内均匀设置有若干个磁性微螺旋体2，子基体层中的若干个磁性微螺旋体2的轴向平行，磁性微螺旋体2的轴向可以为竖向、横向、斜向等任意方向；
在本实施例中子基体层(基体1)呈长方体性，基体1的材料为聚氨酯、聚二甲基硅氧烷、橡胶或环氧树脂等高聚物，磁性微螺旋体2呈三维螺旋形，磁性微螺旋体2采用磁性材料制作而成，具体可以为铁、镍等金属、合金，也可以是四氧化三铁等磁性微粒，基体1将所有的磁性微螺旋体2完全包裹。
磁性微螺旋体2的螺旋长度为200-500μm、外直径为20-50μm、线径为2-8μm、螺旋升角为55°-90°。
如图5所示，本实施例还提供一种上述基于微螺旋结构的超材料的制造方法，包括以下步骤：
(1)将磁性微螺旋体2和液态高聚物的混合物3放入单层成形模具4中，通过密封板5将模具密封后，将单层成形模具4放入一对电磁铁中间的转台7上，密封板5与成形模具具有配合精度，能够实现混合物3在模具中的良好密封，成形模具和密封板5的材质为非金属或非磁性金属；上述一对电磁铁中的两个电磁铁之间的间距可调，通过改变电流和两个电磁铁之间的距离控制磁场强度，转台7上设置有可调支撑体6，通过可调支撑体6可以调整单层成形模具4的仰角；
(2)通过伺服系统控制转台7以0.1-1转/秒的速度匀速转动，同时对一对电磁铁通电以施加10-100mT的匀强磁场开始微螺旋排布；微螺旋排布10-20min后，打开转台7上的加热装置，将混合物3加热到液态高聚物的固化温度，同时在加热过程中一直施加匀强磁场，加热固定时间后，对上述一对电磁铁断电关闭转台7，取出样件，固定时间根据液态高聚物的固化特性确定，如采用PDMS作为液态高聚物时，则加热120℃，加热10min后即可固化；
本实施例中的加热装置为PTC恒温陶瓷加热片(3-10W)，并且通过一个导电滑环(2路，10A)为加热片供电。
实施例二
如图5-8所示，本实施例基于微螺旋结构的超材料与实施例一中的基于微螺旋结构的超材料基本相同，其不同之处在于：本实施例基于微螺旋结构的超材料中的基体1包括两个上下依次连接的第一子基体层10和第二子基体层11，第一子基体层10和第二子基体层11的材料均为高聚物，第一子基体层10和第二子基体层11内均均匀设置有若干个磁性微螺旋体2，第一子基体层10中的若干个磁性微螺旋体2的轴向平行，第二子基体层11中的若干个磁性微螺旋体2的轴向平行，第一子基体层10和第二子基体层11中的磁性微螺旋体2的轴向不同。如图5所示的双层结构螺旋超材料13包括水平磁性微螺旋体21和竖直磁性微螺旋体22，图6所示的双层结构螺旋超材料13包括水平磁性微螺旋体21和倾斜磁性微螺旋体23。
本实施例还提供一种基于微螺旋结构的超材料的制造方法，包括以下步骤：
(1)将磁性微螺旋体2和液态高聚物的混合物3放入双层成形模具8中，通过凸形密封板9将模具密封后，放入一对电磁铁中间的转台7上，凸形密封板9与成形模具具有配合精度，能够实现混合物3在模具中的良好密封，成形模具和密封板5的材质为非金属或非磁性金属；上述一对电磁铁中的两个电磁铁之间的间距可调，通过改变电流和两个电磁铁之间的距离控制磁场强度，转台7上设置有可调支撑体6，通过可调支撑体6可以调整成形模具的仰角；
(2)通过伺服系统控制转台7以0.1-1转/秒的速度匀速转动，同时对一对电磁铁通电以施加10-100mT的匀强磁场开始微螺旋排布；微螺旋排布10-20min后，打开转台7上的加热装置，将混合物3加热到液态高聚物的固化温度，同时在加热过程中一直施加匀强磁场，加热固定时间后，对上述一对电磁铁断电关闭转台7，取出样件，固定时间根据液态高聚物的固化特性确定，如采用PDMS作为液态高聚物时，则加热120℃，加热10min后即可固化；
(3)在已经固化完成的第一子基体层10的基础上，继续在模具中浇注微螺旋与高聚物的混合物3，然后用平面密封板12密封，密封后，调整双层成形模具8在磁场中的相对位置(整个双层成形模具8在磁场中的位置)，重复步骤(2)，制备第二子基体层11，最终制备成双层结构螺旋超材料13。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“笫二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于微螺旋结构的超材料，其特征在于：包括基体，所述基体包括若干个依次连接的子基体层，所述子基体层的材料为高聚物，每个所述子基体层内均设置有若干个磁性微螺旋体，每个所述子基体层中的若干个所述磁性微螺旋体的轴向平行，所述磁性微螺旋体呈三维螺旋形，所述磁性微螺旋体采用磁性材料制作而成。
2.根据权利要求1所述的基于微螺旋结构的超材料，其特征在于：每个所述子基体层中的若干个所述磁性微螺旋体均匀分布。
3.根据权利要求1所述的基于微螺旋结构的超材料，其特征在于：所述高聚物为聚氨酯、聚二甲基硅氧烷、橡胶或环氧树脂。
4.根据权利要求1所述的基于微螺旋结构的超材料，其特征在于：所述磁性微螺旋体的螺旋长度为200-500μm、外直径为20-50μm、线径为2-8μm、螺旋升角为55°-90°。
5.根据权利要求1所述的基于微螺旋结构的超材料，其特征在于：任意两个所述子基体层中的所述磁性微螺旋体的轴向不同。
6.一种基于微螺旋结构的超材料的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将磁性微螺旋体和液态高聚物的混合物放入成形模具中，通过密封板将模具密封后，放入一对电磁铁中间的转台上，转台上设置有可调支撑体，通过可调支撑体可以调整所述成形模具的仰角；
(2)通过伺服系统控制转台匀速转动，同时对所述一对电磁铁通电以施加10-100mT的匀强磁场开始微螺旋排布；微螺旋排布10-20min后，打开转台上的加热装置，将所述混合物加热到所述液态高聚物的固化温度，同时在加热过程中一直施加所述匀强磁场，加热固定时间后，对所述一对电磁铁断电关闭转台，取出样件，所述固定时间根据所述液态高聚物的固化特性确定；
(3)当基于微螺旋结构的超材料中的子基体层的数量大于1时，在已经固化完成的单层样件的基础上，继续在模具中浇注微螺旋与高聚物的混合物，密封后，调整模具在磁场中的相对位置，重复步骤(2)，制备另一层所述子基体层，如此循环，直至所有的所述子基体层制备完成。
7.根据权利要求6所述的基于微螺旋结构的超材料的制造方法，其特征在于：所述密封板与所述成形模具具有配合精度，能够实现混合物在模具中的良好密封，所述成形模具和所述密封板的材质为非金属或非磁性金属。
8.根据权利要求6所述的基于微螺旋结构的超材料的制造方法，其特征在于：所述一对电磁铁中的两个电磁铁之间的间距可调，通过改变电流和两个所述电磁铁之间的距离控制磁场强度。
9.根据权利要求6所述的基于微螺旋结构的超材料的制造方法，其特征在于：所述加热装置为PTC恒温陶瓷加热片。
10.根据权利要求6所述的基于微螺旋结构的超材料的制造方法，其特征在于：所述相对位置指整个模具在磁场中的位置。
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