CN111158083B - 可弯曲的金属介质空芯太赫兹波导的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了可弯曲的金属介质空芯太赫兹波导的制备方法，本发明包括化学制备方法、物理制备方法及机械制备方法；本发明采用聚丙烯PP管作为基管，采用化学镀层的制备方法获得银层空芯太赫兹波导、采用物理填充的制备方法获得镓铟合金夹层的空芯太赫兹波导或采用机械薄膜缠绕的制备方法获得铜金属薄膜空芯太赫兹波导。本发明采用不同的工艺制备出可弯曲的金属介质空芯太赫兹波导，具有弯曲性能好、THz传输损耗低及制作成本低的优点，具有广阔的应用前景。

Description

可弯曲的金属介质空芯太赫兹波导的制备方法
技术领域
本发明涉及太赫兹波导制备技术领域，尤其是制备可弯曲的金属介质空芯太赫兹波导的制备方法。
背景技术
太赫兹（THz，Terahertz）是指频率在0.1～10THz波段的电磁波，它是一种波长介于红外线与微波之间的电磁波。实现对THz波的低损耗和可弯曲传输，目前一种较为常见的有效结构为：使用对于THz波低吸收损耗的柔性高分子塑料管充当介质，并在其内或外表面覆盖一层金属层，将THz波限制在波导内空气芯区和介质层，实现太赫兹高反射传输。目前已有较多文献报导，利用化学液相沉积镀膜法，制备出相应的金属介质波导，然而，金属镀层内表面生长介质层的效果在一定程度上制约了其传输THz的性能，且由于在非金属表面化学液相沉积镀膜的劣势，常见的聚苯乙烯（PS）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚碳酸酯（PC）等都存在和金属结合不好、质地较硬等问题，由此可见，如何选用合适的基材，采用合适的工艺制作可弯曲、损耗低及传输性能优异的空芯太赫兹波导将显得十分必要。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的可弯曲的金属介质空芯太赫兹波导的制备方法，本发明采用聚丙烯PP管作为基管，采用化学镀层的制备方法获得银层空芯太赫兹波导、采用物理填充的制备方法获得镓铟合金夹层的空芯太赫兹波导或采用机械薄膜缠绕的制备方法获得铜金属薄膜空芯太赫兹波导。本发明采用不同的工艺制备出可弯曲的金属介质空芯太赫兹波导，具有弯曲性能好、THz传输损耗低及制作成本低的优点，具有广阔的应用前景。
实现本发明目的的具体技术方案是：
一种可弯曲的金属介质空芯太赫兹波导的制备方法，其特点包括化学制备方法、物理制备方法及机械制备方法；
所述化学制备方法包括如下步骤：
1.1、选用聚丙烯PP高分子塑料空心圆管为基管，使用洗洁精和去污粉，对基管进行洗涤，洗涤时间为5～15min；洗涤后用去离子水冲洗并干燥；
1.2、在基管内构建支撑棒，在基管外构建外套管；
1.2.1、选用外套管、刚性支撑棒及数块支撑块，刚性支撑棒与基管之间为动配合并插入基管内，外套管套装于基管外侧，支撑块设于刚性支撑棒与外套管之间以限定基管与外套管之间的环形间隙，构成欲镀管套；
1.3、构建镀槽
镀槽上设有进料口、出料口，且进料口上设有蠕动泵、出料口设有流量调节阀；
1.4、连接欲镀管套
将欲镀管套一端与镀槽进料口连接、另一端与出料口连接；
1.5、在基管外表面生长金属银层
1.5.1、在镀槽内加注去离子水，调节蠕动泵及流量调节阀，使去离子水冲洗欲镀管套的环形间隙，时间为2～5min，流速为10～300mL/min；
1.5.2、在镀槽内加注SnCl2敏化液，调节蠕动泵及流量调节阀，使SnCl2敏化液冲洗欲镀管套的环形间隙，时间为3～10min，流速为10～300mL/min；
1.5.3、在镀槽内加注葡萄糖溶液和银氨溶液，为AgNO3和氨水的碱性溶液，调节蠕动泵及流量调节阀，使葡萄糖溶液和银氨溶液，为AgNO3和氨水的碱性溶液均匀混合并充满欲镀管套的环形间隙，时间为15～30min，流速为10～300mL/min；
1.5.4、将欲镀管套与镀槽的进料口及出料口拆除；
1.5.5、将外套管、刚性支撑棒及数块支撑块从基管上拆除；获得外表面生长金属银层的基管；
1.6、涂覆保护层
在基管外表面的银层上涂覆树脂层，在常温下固化；最终获得银层空芯太赫兹波导。所述树脂为单组分有机硅橡胶树脂，凝胶时间为0.5～3h，完全固化时间为12～48h；
所述物理制备方法包括如下步骤：
2.1、选用聚丙烯PP高分子塑料空心圆管为基管，使用洗洁精，对基管进行洗涤，洗涤时间为5～15min；洗涤后用去离子水冲洗并干燥；
2.2、选用PTFE塑料空心圆管为辅助管，使用洗洁精，对辅助管进行洗涤，洗涤时间为5～15min；洗涤后用去离子水冲洗并干燥；
2.3、将辅助管套装在基管外侧，在辅助管与基管之间设置支撑片，支撑片限定基管与辅助管之间的环形间隙，用塞子将基管两端封闭，构成欲填充管套；
2.4、在欲填充管套的环形间隙内填充镓铟合金液态金属，使液态金属均匀充满狭缝，端口填充硅橡胶树脂并常温固化，固化时间为12～48 h，拆除塞子，最终获得镓铟合金夹层的空芯太赫兹波导；
所述机械制备方法包括如下步骤：
3.1、选用聚丙烯PP高分子塑料空心圆管为基管，使用洗洁精和去污粉，对基管进行洗涤，洗涤时间为5～15min；洗涤后用去离子水冲洗并干燥；
3.2、选用厚度为10～25μm的铜金属薄膜，采用薄膜缠绕机械将铜金属薄膜包裹在基管外侧；
3.3、在基管外表面的铜金属薄膜上涂覆树脂层，在常温下固化；最终获得铜金属薄膜空芯太赫兹波导；所述树脂为单组分有机硅橡胶树脂，凝胶时间为0.5～3h，完全固化时间为12～48h。
本发明采用聚丙烯PP管作为基管，采用化学镀层的制备方法获得银层空芯太赫兹波导、采用物理填充的制备方法获得镓铟合金夹层的空芯太赫兹波导或采用机械薄膜缠绕的制备方法获得铜金属薄膜空芯太赫兹波导。本发明采用不同的工艺制备出可弯曲的金属介质空芯太赫兹波导，具有弯曲性能好、THz传输损耗低及制作成本低的优点，具有广阔的应用前景。
由于聚丙烯PP（Polypropylene）是目前市面上一种最常见的高分子材料之一，常用来制作吸管等生活用品，据文献报导，其在0.23～0.375THz波段内的吸收系数仅为3.7516×10-4cm-1，对THz波的吸收极小，且将其制成圆管后具有良好的柔韧性，可作为柔性低吸收介质使用；同时经过实验验证，PP和金属银的结合较好，即在PP表面化学镀上一层金属银是容易实现的。为此，本发明选用聚丙烯PP（Polypropylene）作为基管的材料。
本发明制备的空芯太赫兹波导含有致密的光滑金属层，能够将THz波有效限制在波导内空气芯区和介质层，实现太赫兹高反射传输，由于选用高分子材料聚丙烯PP 基管的低吸收损耗和可弯曲特性，可以对0.2～1.2THz频段的THz波进行0～360°范围内的弯曲、低损耗传输。本方法避免了高分子塑料与金属的弱结合问题，能够制得任意形状的金属介质空芯太赫兹波导，可以适应各种场合不同截面形状的传输需求。
附图说明
图1为本发明化学方法制备的银层空芯太赫兹波导结构示意图；
图2为本发明物理方法制备的镓铟合金夹层的空芯太赫兹波导结构示意图；
图3为本发明机械方法制备的铜金属薄膜空芯太赫兹波导结构示意图。
具体实施方式
本发明包括化学制备方法、物理制备方法及机械制备方法；
参阅图1，所述化学制备方法包括如下步骤：
1.1、选用聚丙烯PP高分子塑料空心圆管为基管1，使用洗洁精和去污粉，对基管1进行洗涤，洗涤时间为5～15min；洗涤后用去离子水冲洗并干燥；
1.2、在基管1内构建支撑棒，在基管1外构建外套管；
1.2.1、选用外套管、刚性支撑棒及数块支撑块，刚性支撑棒与基管1之间为动配合并插入基管1内，外套管套装于基管1外侧，支撑块设于刚性支撑棒与外套管之间以限定基管1与外套管之间的环形间隙，构成欲镀管套；
1.3、构建镀槽
镀槽上设有进料口、出料口，且进料口上设有蠕动泵、出料口设有流量调节阀；
1.4、连接欲镀管套
将欲镀管套一端与镀槽进料口连接、另一端与出料口连接；
1.5、在基管1外表面生长金属银层11；
1.5.1、在镀槽内加注去离子水，调节蠕动泵及流量调节阀，使去离子水冲洗欲镀管套的环形间隙，时间为2～5min，流速为10～300mL/min；
1.5.2、在镀槽内加注SnCl2敏化液，调节蠕动泵及流量调节阀，使SnCl2敏化液冲洗欲镀管套的环形间隙，时间为3～10min，流速为10～300mL/min；
1.5.3、在镀槽内加注葡萄糖溶液和银氨溶液，为AgNO3和氨水的碱性溶液，调节蠕动泵及流量调节阀，使葡萄糖溶液和银氨溶液，为AgNO3和氨水的碱性溶液均匀混合并充满欲镀管套的环形间隙，时间为15～30min，流速为10～300mL/min；
1.5.4、将欲镀管套与镀槽的进料口及出料口拆除；
1.5.5、将外套管、刚性支撑棒及数块支撑块从基管上拆除；获得外表面生长金属银层11的基管；
1.6、涂覆保护层
在基管外表面的银层上涂覆单组分硅橡胶树脂层12，在常温下固化，凝胶时间为0.5～3h，完全固化时间为12～48h；最终获得银层空芯太赫兹波导。
参阅图2，所述物理制备方法包括如下步骤：
2.1、选用聚丙烯PP高分子塑料空心圆管为基管1，使用洗洁精，对基管1进行洗涤，洗涤时间为5～15min；洗涤后用去离子水冲洗并干燥；
2.2、选用PTFE塑料空心圆管为辅助管22，使用洗洁精，对辅助管22进行洗涤，洗涤时间为5～15min；洗涤后用去离子水冲洗并干燥；
2.3、将辅助管22套装在基管1外侧，在辅助管22与基管1之间设置支撑片，支撑片限定基管1与辅助管22之间的环形间隙，用塞子将基管1两端封闭，构成欲填充管套；
2.4、在欲填充管套的环形间隙内填充镓铟合金液态金属，使液态金属均匀充满狭缝，端口填充硅橡胶树脂并常温固化，固化时间为12～48 h，拆除塞子，最终获得镓铟合金夹层21的空芯太赫兹波导。
参阅图3，所述机械制备方法包括如下步骤：
3.1、选用聚丙烯PP高分子塑料空心圆管为基管1，使用洗洁精和去污粉，对基管1进行洗涤，洗涤时间为5～15min；洗涤后用去离子水冲洗并干燥；
3.2、选用厚度为10～25μm的铜金属薄膜31，采用薄膜缠绕机械将铜金属薄膜31包裹在基管外侧；
3.3、在基管外表面的铜金属薄膜31上涂覆硅橡胶树脂层12，在常温下固化，凝胶时间为0.5～3h，完全固化时间为12～48 h；最终获得铜金属薄膜空芯太赫兹波导。
实施例1
参阅图1，所述化学制备方法包括如下步骤：
1.1、选用聚丙烯PP高分子塑料空心圆管为基管1，公称管径8mm，壁厚320μm，长度0.8m；使用洗洁精和去污粉对基管1进行洗涤，洗涤时间为10min；洗涤后用去离子水冲洗并干燥；
1.2、在基管1内构建支撑棒，在基管1外构建外套管；
1.2.1、选用外套管、刚性支撑棒及数块支撑块，刚性支撑棒与基管1之间为动配合并插入基管1内，外套管套装于基管1外侧，支撑块设于刚性支撑棒与外套管之间以限定基管1与外套管之间的环形间隙，构成欲镀管套；
1.3、构建镀槽
镀槽上设有进料口、出料口，且进料口上设有蠕动泵、出料口设有流量调节阀；
1.4、连接欲镀管套
将欲镀管套一端与镀槽进料口连接、另一端与出料口连接；
1.5、在基管外表面生长金属银层
1.5.1、在镀槽内加注去离子水，调节蠕动泵及流量调节阀，使去离子水冲洗欲镀管套的环形间隙，时间为3min，流速为80 mL/min；
1.5.2、在镀槽内加注SnCl2敏化液，调节蠕动泵及流量调节阀，使SnCl2敏化液冲洗欲镀管套的环形间隙，时间为6min，流速为120mL/min；
1.5.3、在镀槽内加注葡萄糖溶液和银氨溶液，为AgNO3和氨水的碱性溶液，调节蠕动泵及流量调节阀，使葡萄糖溶液和银氨溶液，为AgNO3和氨水的碱性溶液均匀混合并充满欲镀管套的环形间隙，时间为20min，流速为120mL/min；
1.5.4、将欲镀管套与镀槽的进料口及出料口拆除；
1.5.5、将外套管、刚性支撑棒及数块支撑块从基管上拆除；获得外表面生长金属银层11的基管；
1.6、涂覆保护层
在基管外表面的银层上涂覆单组分硅橡胶树脂层12，在常温下固化，凝胶时间为40min，完全固化时间为24h；最终获得银层空芯太赫兹波导。
经测试，所获得的空芯太赫兹波导性能如下，传输频率为300GHz，传输损耗小于1dB/m，基管的曲率半径为30 cm时，传输损耗小于2dB/m。
实施例2
参阅图2，所述物理制备方法包括如下步骤：
2.1、选用聚丙烯PP高分子塑料空心圆管为基管1，公称管径8mm，壁厚320μm，长度0.5m；使用洗洁精，对基管1进行洗涤，洗涤时间为10min；洗涤后用去离子水冲洗并干燥；
2.2、选用PTFE塑料空心圆管为辅助管22，使用洗洁精，对辅助管22进行洗涤，洗涤时间为5min；洗涤后用去离子水冲洗并干燥；
2.3、将辅助管22套装在基管1外侧，在辅助管22与基管1之间设置支撑片，支撑片的厚度为115μm，支撑片限定基管与辅助管22之间的环形间隙，用塞子将基管1两端封闭，构成欲填充管套；
2.4、在欲填充管套的环形间隙内填充镓铟合金液态金属，使液态金属均匀充满狭缝，采用震荡方式保证液态金属层均匀且充满环形间隙，端口填充硅橡胶树脂并常温固化24h，拆除塞子，最终获得镓铟合金夹层21的空芯太赫兹波导。
经测试，所获得的空芯太赫兹波导性能如下，传输频率为300GHz，传输损耗小于6dB/m。
实施例3
参阅图3，所述机械制备方法包括如下步骤：
3.1、选用聚丙烯PP高分子塑料空心圆管为基管1，公称管径8mm，壁厚320μm，长度0.6m；使用洗洁精和去污粉对基管1进行洗涤，洗涤时间为10min；洗涤后用去离子水冲洗并干燥；
3.2、选用厚度为20μm的铜金属薄膜31，采用薄膜缠绕机械将铜金属薄膜31包裹在基管1外侧；
3.3、在基管1外表面的铜金属薄膜31上涂覆硅橡胶树脂层12，在常温下固化，凝胶时间为40 min，完全固化时间为24 h；最终获得铜金属薄膜空芯太赫兹波导。
经测试，所获得的空芯太赫兹波导性能如下，传输频率为300GHz，传输损耗小于2dB/m。

Claims (3)

1.一种可弯曲的金属介质空芯太赫兹波导的制备方法，其特征在于，该方法采用化学制备方法，具体包括如下步骤：
1.1、选用聚丙烯PP高分子塑料空心圆管为基管，使用清洁剂，对基管进行洗涤，洗涤时间为5～15min；洗涤后用去离子水冲洗并干燥；所述清洁剂为洗洁精和去污粉；
1.2、在基管内构建支撑棒，在基管外构建外套管；
1.2.1、选用外套管、刚性支撑棒及数块支撑块，刚性支撑棒与基管之间为动配合并插入基管内，外套管套装于基管外侧，支撑块设于刚性支撑棒与外套管之间以限定基管与外套管之间的环形间隙，构成欲镀管套；
1.3、构建镀槽
镀槽上设有进料口、出料口，且进料口上设有蠕动泵、出料口设有流量调节阀；
1.4、连接欲镀管套
将欲镀管套一端与镀槽进料口连接、另一端与出料口连接；
1.5、在基管外表面生长金属银层
1.5.1、在镀槽内加注去离子水，调节蠕动泵及流量调节阀，使去离子水冲洗欲镀管套的环形间隙，时间为2～5min，流速为10～300mL/min；
1.5.2、在镀槽内加注SnCl2敏化液，调节蠕动泵及流量调节阀，使SnCl2敏化液冲洗欲镀管套的环形间隙，时间为3～10min，流速为10～300mL/min；
1.5.3、在镀槽内加注葡萄糖溶液和银氨溶液，为AgNO3和氨水的碱性溶液，调节蠕动泵及流量调节阀，使葡萄糖溶液和银氨溶液，为AgNO3和氨水的碱性溶液均匀混合并充满欲镀管套的环形间隙，时间为15～30min，流速为10～300mL/min；
1.5.4、将欲镀管套与镀槽的进料口及出料口拆除；
1.5.5、将外套管、刚性支撑棒及数块支撑块从基管上拆除；获得外表面生长金属银层的基管；
1.6、涂覆保护层
在基管外表面的银层上涂覆树脂层，在常温下固化；最终获得银层空芯太赫兹波导；所述树脂为单组分有机硅橡胶树脂，凝胶时间为0.5～3h，完全固化时间为12～48h。
2.一种可弯曲的金属介质空芯太赫兹波导的制备方法，其特征在于，该方法采用物理制备方法，具体包括如下步骤：
2.1、选用聚丙烯PP高分子塑料空心圆管为基管，使用清洁剂，对基管进行洗涤，洗涤时间为5～15min；洗涤后用去离子水冲洗并干燥；所述清洁剂为洗洁精；
2.2、选用PTFE塑料空心圆管为辅助管，使用清洁剂，对辅助管进行洗涤，洗涤时间为5～15min；洗涤后用去离子水冲洗并干燥；所述清洁剂为洗洁精；
2.3、将辅助管套装在基管外侧，在辅助管与基管之间设置支撑片，支撑片限定基管与辅助管之间的环形间隙，用塞子将基管两端封闭，构成欲填充管套；
2.4、在欲填充管套的环形间隙内填充镓铟合金液态金属，使液态金属均匀充满狭缝，端口填充硅橡胶树脂并常温固化，拆除塞子，最终获得镓铟合金夹层的空芯太赫兹波导。
3.一种可弯曲的金属介质空芯太赫兹波导的制备方法，其特征在于，该方法采用机械制备方法，具体包括如下步骤：
3.1、选用聚丙烯PP高分子塑料空心圆管为基管，使用清洁剂，对基管进行洗涤，洗涤时间为5～15min；洗涤后用去离子水冲洗并干燥；所述清洁剂为洗洁精和去污粉；
3.2、选用厚度为10～25μm的铜金属薄膜，采用薄膜缠绕机械将铜金属薄膜包裹在基管外侧；
3.3、在基管外表面的铜金属薄膜上涂覆树脂层，在常温下固化；最终获得铜金属薄膜空芯太赫兹波导；所述树脂为单组分有机硅橡胶树脂，凝胶时间为0.5～3h，完全固化时间为12～48h。
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