CN111864400B - 一种超材料结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种新型超材料结构及其制备方法,包括基底,分布在基底上的表面具有周期缝隙阵列的液态金属膜和做封装用的防氧化绝缘性膜层;制备方法涉及:提供基底;借助充填有液态金属墨水的印刷机械装置,按照预先设定的周期图案在基底表面上打印,以形成周期缝隙阵列的液态金属膜;用绝缘性膜层封装周期缝隙阵列的液态金属膜后,完成超材料结构的制备。本发明通过周期缝隙阵列液态金属谐振结构尺寸、形状的参数设计,有效控制入射电磁波的频带宽度和透过率,实现带内高透过率,带外抑制的隐身效果。本发明用于构造各种复合材料基底特别是柔性基底超材料结构,工艺简单,操作方便,能有效降低超材料结构制备成本,大大提高生产效率,具有极高应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型超材料及其制备方法,属于微波技术领域,可用于反射面天线、异形天线罩等诸多对超材料的制备有严格要求的领域。
背景技术
周期阵列单元结构,是一种特殊的超材料结构。周期阵列单元结构能有效控制入射电磁波的传输和反射,是一种特殊的空间滤波器。搭载周期阵列单元结构的雷达罩或天线罩可以有效缩减这些部件的雷达散射截面,从而达到隐身的目的。而雷达天线系统隐身成为飞行器及其他武器装备的隐身设计中至关重要而又最难解决的问题。
国内目前也有多家单位在进行超材料结构的研发、制备,但产品整体性能与国外有较大差距。具体表现在:
1)新型超材料结构的理论研究多集中在高校和部分研究所,而且偏向于平面结构,因此离实际工程应用还有很大距离;
2)部分研究所制备与天线罩或雷达罩共形的频率选择结构,基本上是以金属铜、银、铝通过印刷电路板工艺、光刻镀膜工艺、丝网印刷工艺等附着于聚酰亚胺等柔性膜上,通过裁减帖敷于罩体的内表面,即采用平面拟合曲面进行分瓣拼接来制备的,因此应用范围还有拓展的空间。
3)一般的加工方法是在电介质板或薄膜表面镀金属层,然后通过机械铣刻或光化学蚀刻加工周期阵列。
发明内容
本发明的目的在于:克服现有技术的不足,提供一种新型超材料结构及其制备方法,以解决现有技术中金属频率选择表面应用于天线罩或雷达罩结构所带来的高成本、易腐蚀和难共形的技术问题。
本发明采用的技术方案为:
一种新型超材料结构,包括:基底、液态金属膜和防氧化绝缘性膜层;液态金属膜为含有镓铟合金的液态金属通过打印形成,且液态金属膜表面有呈矩阵式分布的多个周期缝隙阵列单元;所述液态金属膜打印在基底上,防氧化绝缘性膜层对基底上打印好的液态金属膜进行封装,形成超材料结构。
进一步的,所述基底为一层非金属材料基底、复合型基底、表面上涂覆有涂料层的非金属基底或表面上涂覆有涂料层的复合型基底。
进一步的,所述涂料层为聚氨酯涂层、无机热控涂层或氟碳涂层。
进一步的,所述的液态金属膜的形状为20~25℃温度和40~80%RH湿度条件下,含有镓铟合金的液态金属通过打印形成的图形,含有镓铟合金的液态金属具有1×106S/m以上的电导率。
进一步的,将液态金属膜表面按照矩阵式划分为多个同样大小的正方形区域,每个正方形区域均是一个周期缝隙阵列单元,周期缝隙阵列单元内有呈圆环、方环或六边形环形状的环状缝隙,缝隙内的液态金属和缝隙外的液态金属不连通。
进一步的,所述的防氧化绝缘性膜层为塑料膜层、玻璃钢膜层、橡胶膜层、硅胶膜层、织物膜层或漆膜层。
进一步的,本发明还提出一种新型超材料结构的制备方法,包括以下步骤:
步骤a,压制基底,并用丙酮或酒精溶剂清洁基底的打印表面,并自然晾干;
基底压制的具体方式是:将20×20cm的柔性基底置于平板硫化机上,在上板温度为100℃、下板温度为110℃、压强为4.0MPa的条件下压制15 分钟,压制厚度为0.2mm。
步骤b,设计出供打印的周期缝隙阵列单元图案,周期缝隙阵列单元按n ×n的方式排列n2个,并输入针式液态打印机;
周期缝隙阵列单元采用方形缝隙图案,其尺寸是:缝隙内边长8mm,缝隙外边长10mm,相邻两个周期缝隙阵列单元的缝隙间距是12mm。
步骤c,调节打印环境温度为20~25℃,湿度为40~80%RH,并在该环境下调制镓铟液态金属墨水,装入墨盒中启动打印;
镓铟液态金属墨水的调制方法为:
按照质量比75.5∶24.5称取纯度均为99.99%的镓金属和铟金属,并将称量好的两种金属放入同一烧杯中,加热100℃直至均熔化为液态;采用磁力搅拌器搅拌该混合物5min或在40℃水浴中超声1h,以确保二者均匀混合,由此制得GaIn24.5。
步骤d,采用防氧化绝缘性膜层对基底上打印好的液态金属膜进行封装,得到新型超材料结构。
本发明与现有技术相比,具有如下有益效果:
(1)本发明的超材料结构为液态金属直接打印在柔性基底上,与传统金属超材料相比较具有较高的延展性和共形性,满足异形天线罩或雷达罩的隐身需求;
(2)本发明引入了概念崭新的室温液态金属充当印刷用墨水,借助液态金属墨水与匹配基底材料之间良好的相容性,制备过程在常温及常规条件下即可完成,对环境要求不高,因而可显著有效的降低超材料结构制备成本;
(3)本发明的超材料结构可更换不同形态的基底和封装材料,通过超材料谐振结构尺寸、形状的参数的设计,可以有效控制入射电磁波的频带宽度和透波率,实现带内高透波率、带外抑制的隐身效果。
附图说明
图1为本发明新型超材料结构的示意图;
图2为本发明新型超材料结构中液态金属膜的结构示意图;
图3为本发明新型超材料结构中单个周期缝隙阵列单元的结构示意图;
图4为本发明新型超材料结构的S21参数仿真结果与测量数据对比的特性曲线示意图;
图5为本发明新型超材料结构的S21参数在谐振频点附近仿真结果与测量数据对比的特性曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细描述。
本发明为了解决现有技术中超材料谐振结构的可共形性能低,提供一类具有完全共形性能的超材料谐振结构制备方法。本发明的超材料谐振结构通过液态金属打印工艺直接在柔性的基底上打印制备,形成柔性基底/液态金属谐振结构/高弹性材料封装层复合材料,实现所设计的对电磁的传输特性的控制,达到带内高透波、带外抑制的目的。
如图1所示,本发明提出一种新型超材料结构,包括:基底1、液态金属膜2和防氧化绝缘性膜层4;液态金属膜2为含有镓铟合金的液态金属通过打印形成,且液态金属膜2包括呈矩阵式分布的多个周期缝隙阵列单元3;所述液态金属膜2打印在基底1上,防氧化绝缘性膜层4对基底1上打印好的液态金属膜2进行封装,形成超材料结构。
进一步的,本发明中基底1为柔性材质,可以为一层非金属材料基底、复合型基底、表面上涂覆有涂料层的非金属基底或表面上涂覆有涂料层的复合型基底。更进一步的,非金属材料基底可以为塑料基底、玻璃钢基底或橡胶基底,复合型基底可以为塑料基底或织物基底。
优选的,涂料层可以为聚氨酯涂层、无机热控涂层或氟碳涂层。
如图2所示,液态金属膜2的形状为20~25℃温度和40~80%RH湿度条件下,含有镓铟合金的液态金属通过打印形成的图形,含有镓铟合金的液态金属具有1×106S/m以上的电导率。
如图3所示,将液态金属膜2表面按照矩阵式划分为多个同样大小的正方形区域,每个正方形区域均是一个周期缝隙阵列单元3,周期缝隙阵列单元3 内有呈圆环、方环或六边形环形状的环状缝隙,缝隙内的液态金属和缝隙外的液态金属不连通。
本发明中防氧化绝缘性膜层4为塑料膜层、玻璃钢膜层、橡胶膜层、硅胶膜层、织物膜层或漆膜层。
具体的,本发明还提出一种新型超材料结构的制备方法,包括以下步骤:
步骤a,准备20×20cm的基底1,并用丙酮或酒精溶剂清洁基底1的打印表面,并自然晾干;
基底1压制的具体方式是:将柔性基底1置于平板硫化机上,在上板温度为100℃、下板温度为110℃、压强为4.0MPa的条件下压制15分钟,压制厚度为0.2mm。
步骤b,设计出供打印的周期缝隙阵列单元3图案,周期缝隙阵列单元3 按n×n的方式排列n2个,并输入针式液态打印机;例如,基底1采用方形20 ×20cm尺寸,n=15,则共排列225个周期缝隙阵列单元。
所述周期缝隙阵列单元3采用方形缝隙图案,其尺寸是:缝隙内边长8mm,缝隙外边长10mm,相邻两个周期缝隙阵列单元3的缝隙间距是12mm。
步骤c,调节打印环境温度为20~25℃,湿度为40~80%RH,并在该环境下调制镓铟液态金属墨水,装入墨盒中启动打印;
所述的镓铟液态金属墨水的调制方法为:
按照质量比75.5∶24.5称取纯度均为99.99%的镓金属和铟金属,并将称量好的两种金属放入同一烧杯中,加热100℃直至均熔化为液态;采用磁力搅拌器搅拌该混合物5min或在40℃水浴中超声1h,以确保二者均匀混合,由此制得GaIn24.5。
步骤d,采用防氧化绝缘性膜层4对基底1上打印好的液态金属膜2进行封装,得到新型超材料结构。
本发明是制备一种新型超材料结构,用于电磁波传输特性控制,实现不同复合材料基底,特别是柔性材料基底上超材料结构对异形天线罩或雷达罩共形成型的工艺可控性,并具有隐身性能。电磁波通过超材料的作用提高入射电磁波的透波率,达到控制电磁波传输特性,实现带内高透波率,带外抑制的隐身效果。
下面给出本发明实施例:
图1为本发明的新型超材料结构的立体分解示意图,从图1可以看出,所述的超材料结构包括三层:第一层为基底,所述基底为一层非金属材料基底、复合型基底、表面上涂覆有涂料层的非金属基底或表面上涂覆有涂料层的复合型基底。在本实施例中,选用柔性塑料基底,主要成分为聚苯乙烯,相对介电常数2.65,尺寸20×20cm,厚度0.2mm;第二层为含有周期缝隙阵列单元的液态金属膜层,在本实施例中,选用20~25℃温度和40~80%RH湿度条件下,含有镓铟合金的液态金属,电导率1.5×106S/m,尺寸18×18cm,厚度 0.2mm;第三层为防氧化绝缘性膜层,所述的防氧化绝缘性膜层为塑料膜层、玻璃钢膜层、橡胶膜层、织物膜层、硅胶膜层或漆膜层中的一种,本实施例中,选用硅胶膜层,相对介电常数5.1,尺寸18.5×18.5cm,厚度0.2mm。
图2为本发明的新型超材料结构中液态金属膜的结构示意图,图3为本发明新型超材料结构中单个周期缝隙阵列单元的结构示意图。从图2和图3可以看出,周期缝隙阵列单元为正方形带状缝隙(方环),缝隙内边长8mm,缝隙外边长10mm,周期间距(即相邻两个周期缝隙阵列单元的缝隙间隔)12mm,厚度0.2mm。所述周期缝隙阵列单元按15×15的方式排列,共计225个方环缝隙。方环缝隙单元的平均周长近似等于无介质加载的一个谐振波长,但由于所述新型超材料结构采用的是双侧加载介质,导致加载介质后的谐振频率要远低于无介质加载时的谐振频率。
下面对所述新型超材料结构的制备方法加以说明,该方法具体步骤如下:
1、选用20×20cm的聚苯乙烯样块,将其置于平板硫化机上,在上板温度为100℃,下板温度为110℃,压强为4.0MPa的条件下压制15分钟,压制厚度为0.2mm。裁减成20×20cm的塑料基底,并用丙酮或酒精溶剂清洁基底的打印表面,并自然晾干;
2、通过CAD软件设计出供打印的周期缝隙阵列图案,所述周期缝隙阵列选按15×15的方式排列225个方环缝隙,并输入针式液态打印机;
3、调节打印环境温度为20~25℃,湿度为40~80%RH,并在该环境下调制镓铟液态金属墨水,并装入墨盒中,将步骤1制备好的塑料基底放进打印机,启动打印程序;
镓铟液态金属墨水的调制状态为:按照质量比75.5∶24.5称取纯度均为99.99%的镓金属和铟金属,并将称量好的两种金属放入同一烧杯中,加热 100℃直至均熔化为液态。采用磁力搅拌器搅拌该混合物5min或在40℃水浴中超声1h,以确保二者均匀混合,由此制得GaIn24.5。
4、选用硅胶作为防氧化绝缘性膜层,对步骤3打印好的液态金属膜按照 18.5×18.5cm的面积进行封装,封装厚度0.2mm。最后得到新型超材料结构。
本发明所得到的新型超材料结构具有良好的工作特性,图4为本发明新型超材料结构的S21参数仿真结果与测量数据对比的特性曲线示意图,图5为本发明新型超材料结构的S21参数在谐振频点附近仿真结果与测量数据对比的特性曲线示意图,从图中可以看出,该结构的S21特性曲线在6GHz~8GHz频率范围内,S21均保持在-1dB以上水平,同时在谐振频点7.08GHz处S21仿真结果与测量数据存在0.4dB的误差,可能的原因是仿真结果没有考虑实际材料的介电损耗。而且通过设计工艺,实现带内传输损耗较小,带外抑制的滤波特性。
最后所应说明的是,以上实施例仅用于说明本发明的技术方案和制备方法而非限制。尽管参照实例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当了解,对本发明的技术方案和制备方法进行修改或者同等特换,都不脱离本发明技术方案和制备方法的精神和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (2)
1.一种超材料结构,其特征在于包括:基底(1)、液态金属膜(2)和防氧化绝缘性膜层(4);液态金属膜(2)为含有镓铟合金的液态金属通过打印形成,且液态金属膜(2)表面有呈矩阵式分布的多个周期缝隙阵列单元(3);所述液态金属膜(2)打印在基底(1)上,防氧化绝缘性膜层(4)对基底(1)上打印好的液态金属膜(2)进行封装,形成超材料结构;
所述基底(1)为一层表面上涂覆有涂料层的非金属材料基底或表面上涂覆有涂料层的复合型基底;
非金属材料基底为塑料基底、玻璃钢基底或橡胶基底,复合型基底为塑料基底或织物基底;
所述的液态金属膜(2)的形状为20~25℃温度和40~80%RH湿度条件下,含有镓铟合金的液态金属通过打印形成的图形,含有镓铟合金的液态金属具有1×106S/m以上的电导率;
将液态金属膜(2)表面按照矩阵式划分为多个同样大小的正方形区域,每个正方形区域均是一个周期缝隙阵列单元(3),周期缝隙阵列单元(3)内有呈圆环、方环或六边形环形状的环状缝隙,缝隙内的液态金属和缝隙外的液态金属不连通;
所述的防氧化绝缘性膜层(4)为塑料膜层、玻璃钢膜层、橡胶膜层、硅胶膜层、织物膜层或漆膜层;
所述涂料层为聚氨酯涂层、无机热控涂层或氟碳涂层。
2.一种如权利要求1所述超材料结构的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤a,压制基底(1),并用丙酮或酒精溶剂清洁基底(1)的打印表面,并自然晾干;
步骤a所述的基底(1)压制的具体方式是:将20×20cm的柔性基底(1)置于平板硫化机上,在上板温度为100℃、下板温度为110℃、压强为4.0MPa的条件下压制15分钟,压制厚度为0.2mm;
步骤b,设计出供打印的周期缝隙阵列单元(3)图案,周期缝隙阵列单元(3)按n×n的方式排列n2个,并输入针式液态打印机;
步骤b所述周期缝隙阵列单元(3)采用方形缝隙图案,其尺寸是:缝隙内边长8mm,缝隙外边长10mm,相邻两个周期缝隙阵列单元(3)的缝隙间距是12mm;
步骤c,调节打印环境温度为20~25℃,湿度为40~80%RH,并在该环境下调制镓铟液态金属墨水,装入墨盒中启动打印;
步骤c所述的镓铟液态金属墨水的调制方法为:按照质量比75.5∶24.5称取纯度均为99.99%的镓金属和铟金属,并将称量好的两种金属放入同一烧杯中,加热100℃直至均熔化为液态;采用磁力搅拌器搅拌该混合物5min或在40℃水浴中超声1h,以确保二者均匀混合,由此制得GaIn24.5;
步骤d,采用防氧化绝缘性膜层(4)对基底(1)上打印好的液态金属膜(2)进行封装,得到超材料结构。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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