CN207638006U - 三维电磁超材料 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种三维电磁超材料，包括：第一材料层、第二材料层、第一导电几何结构层和第二导电几何结构层；其中，第一材料层与第二材料层依次交替叠置，第一导电几何结构层设置在第一材料层中，第二导电几何结构层设置在第二材料层中，第一导电几何结构层所在的面垂直于第二导电几何结构层所在的面。本实用新型的目的在于提供一种结构和工艺简单、工程化应用价值高的三维电磁超材料，以避免因电磁波入射角度原因带来的性能的劣化，实现电磁超材料各向同性。

Description

三维电磁超材料

技术领域

本实用新型涉及一种三维电磁超材料。

背景技术

到目前为止，超材料微结构仍然存在着严重的不足：与天然材料不同，它们是二维的，本质上是各向异性的，这意味着它们的设计是朝着某个特定的电磁波角度范围，一旦超出这个角度范围，则电性能迅速劣化，如二维透波超材料，0°(垂直入射)时，电磁波透过率≥95％，但是入射角75°时，电磁波透过率下降到50％以下。相比之下，三维超材料能实现各向同性，从而实现大角度入射情况下，对电性能没有明显劣化影响。

三维超材料目前采用的方案有：

(1)通过孔金属化的方式，形成三维金属超材料微结构。先在基板上钻孔，然后进行孔金属化，多层微结构压合形成三维电磁超材料。该方案应用于平面结构，不能形成复杂的型面；而且设计多次电镀、压合，工艺复杂。

(2)通过平板胶结组合的方式，形成空间的三维金属超材料微结构。该方案只能形成空间的框架结构，不能形成有效的结构，没有工程化应用价值。

(3)斜角沉积法：即采用倾斜角度的方式，将材料沉积在基板上。该方案仅适用于纳米级的超材料，光波段，不适用于常规电磁波领域。

可见，现有技术缺少一种结构和工艺简单、工程化应用价值高的三维电磁超材料。

实用新型内容

针对相关技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种结构和工艺简单、工程化应用价值高的三维电磁超材料，以避免因电磁波入射角度原因带来的性能的劣化，实现电磁超材料各向同性。

为解决上述问题，本实用新型提供一种三维电磁超材料，包括：第一材料层、第二材料层、第一导电几何结构层和第二导电几何结构层；其中，第一材料层与第二材料层依次交替叠置，第一导电几何结构层设置在第一材料层中，第二导电几何结构层设置在第二材料层中，第一导电几何结构层所在的面垂直于第二导电几何结构层所在的面。

根据本实用新型，三维电磁超材料的最外层为第一材料层，第二材料层位于三维电磁超材料的中部。

根据本实用新型，第二材料层配置为蜂窝结构，第一材料层以封闭蜂窝结构的蜂窝孔开口的方式叠置在第二材料层上，第一导电几何结构层以平行于第一材料层的方式嵌入在第一材料层中或者贴合在第一材料层的表面，第二导电几何结构层贴合在蜂窝结构的蜂窝壁上。

根据本实用新型，蜂窝结构的每个蜂窝孔为多边形孔，第二导电几何结构层贴合在多边形孔的每条边上。

根据本实用新型，蜂窝结构由多个正弦波纹型结构拼接而成，第二导电几何结构层贴合在正弦波纹型结构的表面。

根据本实用新型，第二材料层配置为泡沫板件，第一导电几何结构层以平行于第一材料层的方式嵌入在第一材料层中或者贴合在第一材料层的表面，第二导电几何结构层以其所在的面垂直于泡沫板件的方式嵌入在泡沫板件中。

根据本实用新型，泡沫板件包括以阵列状排列的多个凹槽，多个凹槽中容纳固定有多个柱形基体，第二导电几何结构层贴合在多个柱形基体的侧表面。

根据本实用新型，第一导电几何结构层包括阵列排布的多个第一导电几何结构单元，第一导电几何结构单元包括“工”字型结构、“回”字型结构和内外开口谐振环结构中的一种或二种；第二导电几何结构层包括阵列排布的多个第二导电几何结构单元，第二导电几何结构单元包括“工”字型结构、“回”字型结构和内外开口谐振环结构中的一种或二种。

根据本实用新型，第一导电几何结构单元和第一导电几何结构单元的最细线条宽度为40μm-200μm，第一导电几何结构单元在第一导电几何结构层所在的面内的最大尺寸为6mm-10mm，第二导电几何结构单元在第二导电几何结构层所在的面内的最大尺寸为6mm-10mm。

根据本实用新型，第一材料层、第二材料层、第一导电几何结构层和第二导电几何结构层的数量分别配置为多个，多个第一材料层和多个第二材料层依次交替层叠设置。

本实用新型的有益技术效果在于：

本实用新型的三维电磁超材料由于包括依次交替叠置的第一材料层与第二材料层，并且分别在第一材料层与第二材料层中设置第一导电几何结构层和第二导电几何结构层，因而结构和工艺简单、工程化应用价值高；同时由于第一导电几何结构层所在的面垂直于第二导电几何结构层所在的面，从而避免因电磁波入射角度原因带来的性能的劣化，实现电磁超材料各向同性。

附图说明

图1是本实用新型的三维电磁超材料的侧视示意图。

图2是本实用新型的蜂窝结构的一个实施例的俯视示意图。

图3是本实用新型的波纹型结构的一个实施例的示意图。

图4是本实用新型的蜂窝结构的一个实施例的俯视示意图。

图5是本实用新型的波纹型结构的另一个实施例的示意图。

图6是本实用新型的第二材料层的立体示意图。

图7是本实用新型的基体的立体示意图。

具体实施方式

现参照附图详细描述本实用新型的实施例。

参照图1，在一个实施例中，本实用新型提供一种三维电磁超材料，包括：第一材料层10、第二材料层20、第一导电几何结构层30和第二导电几何结构层40；其中，第一材料层10与第二材料层20依次交替叠置，第一导电几何结构层30设置在第一材料层10中，第二导电几何结构层40设置在第二材料层20中，第一导电几何结构层30所在的面垂直于第二导电几何结构层40所在的面。本实用新型的三维电磁超材料由于包括依次交替叠置的第一材料层10与第二材料层20，并且分别在第一材料层10与第二材料层20中设置第一导电几何结构层30和第二导电几何结构层40，因而结构和工艺简单、工程化应用价值高；同时由于第一导电几何结构层30所在的面垂直于第二导电几何结构层40所在的面，从而避免因电磁波入射角度原因带来的性能的劣化，实现电磁超材料各向同性。具体而言，本实用新型的三维电磁超材料可以形成任意复杂的型面，而且只需要带有微结构的第一材料层10和第二材料层20依次交替叠置接合即可成型，所以结构和工艺简单。无论电磁波从哪个方向入射都在超材料微结构允许的入射角范围内，因而本实用新型的三维电磁超材料可以避免因电磁波入射角度原因带来的性能的劣化，实现电磁超材料各向同性。

参照图1，在一个实施例中，三维电磁超材料的最外层为第一材料层10，第二材料层20位于三维电磁超材料的中部。如此配置，由于第一材料层10通常为较厚的蒙皮材料，设置在最外层可以保证整个三维电磁超材料具有较高的强度，同时蒙皮材料容易成型为复杂的型面，有利于整个三维电磁超材料成型为复杂的型面，以提高应用价值。

参照图1和图2，优选地，第一材料层10、第二材料层20、第一导电几何结构层30和第二导电几何结构层40的数量分别配置为多个，多个第一材料层10和多个第二材料层20依次交替层叠设置。进一步，第一导电几何结构层30包括阵列排布的多个第一导电几何结构单元31，第一导电几何结构单元31包括“工”字型结构、“回”字型结构和内外开口谐振环结构中的一种或二种；第二导电几何结构层40包括阵列排布的多个第二导电几何结构单元41，第二导电几何结构单元包41包括“工”字型结构、“回”字型结构和内外开口谐振环结构中的一种或二种。由于不同结构的导电几何结构单元具有不同的超材料性能，例如透过电磁波、吸收电磁波等，因而本实用新型的三维电磁超材料可应用于电磁透波超材料、吸波超材料、电磁隐身结构件、电磁透镜、以及THZ频段的器件等产品。

优选地，第一导电几何结构单元31和第一导电几何结构单元41的最细线条宽度(又可称为典型特征尺寸)为40μm-200μm，第一导电几何结构单元31在第一导电几何结构层30所在的面内的最大尺寸为6mm-10mm，第二导电几何结构单元41在第二导电几何结构层40所在的面内的最大尺寸为6mm-10mm。

用电聚焦透镜测试本实用新型的三维电磁超材料，在电磁波入射方向与第二导电几何结构层40所在面的夹角为0-85°的范围内，电磁波的透过率或者吸收率在80％以上，因而具备优异的电磁波透过或者吸收性能。

参照图1和图2，在一个实施例中，第二材料层20配置为蜂窝结构，第一材料层10以封闭蜂窝结构的蜂窝孔21开口的方式叠置在第二材料层20上，第一导电几何结构层30以平行于第一材料层10的方式嵌入在第一材料层10中或者贴合在第一材料层10的表面，第二导电几何结构层40贴合在蜂窝结构的蜂窝壁22上。优选的实施例中，第一材料层10可以配置为实心复合材料层，以增加三维电磁超材料的整个强度。在其他实施例中，第一材料层10可以配置为空心复合材料层，以增加减轻三维电磁超材料的重量。

参照图2和图3，在一个实施例中，蜂窝结构的每个蜂窝孔21为多边形孔，第二导电几何结构层40贴合在多边形孔的每条边上。在该实施例中，第一导电几何结构层30和第二导电几何结构层40均为“工”字型，典型特征尺寸为100um，并且为金属微结构，二者的最大宽度为6mm。三维电磁超材料包括：4层含超材料微结构的第一材料层、3层构造为蜂窝结构的第二材料层(含超材料微结构)。第一材料层10和第二材料层20均由复合材料制成。3层复合材料蜂窝结构中，第二导电几何结构层40在蜂窝壁上，4层第一材料层10中，第一导电几何结构层30与第一材料层10所在平面平行。第一导电几何结构层30和第二导电几何结构层40相互垂直。

具体制作工艺如下：

(1)将带(第二导电几何结构层40)金属微结构的薄膜直接贴在低损耗预浸料上，用专用模具固化后，制成图3中的波纹型结构50；

(2)将波纹型结构的各个节点交接，固化，制成蜂窝壁带微结构的蜂窝结构；

(3)将带第二导电几何结构层40的蜂窝、第一材料层10(带第一导电几何结构层30)按图2所示叠层进行固化，做成所需形状的复合材料夹芯结构；

(4)用电聚焦透镜测试透过率，与蜂窝壁平行方向夹角0～80°范围内，透过率在85％以上。

参照图4和图5，在另一实施例中，蜂窝结构由多个正弦波纹型结构60拼接而成，第二导电几何结构层40贴合在正弦波纹型结构60的表面。在该实施例中，作为超材料的第一导电几何结构层30和第二导电几何结构层40为“回”字型，典型特征尺寸为200um，并且为非金属微结构，二者的最大宽度尺寸为10mm。三维电磁超材料包括：3层含第一导电几何结构层30的第一材料层10、2层复合材料蜂窝结构(含超材料第二导电几何结构层40)。2层复合材料蜂窝结构中，第二导电几何结构层40在蜂窝壁上，3层第一材料层中，第一导电几何结构层30与第一材料层10所在平面平行。第一导电几何结构层30和第二导电几何结构层40相互垂直。

具体制作工艺如下：

(1)将带非金属第二导电几何结构层40的薄膜直接贴在磁损耗型预浸料上，用专用模具固化后，制成图5中的正弦波纹型结构60；

(2)将正弦波纹型结构的各个节点交接，固化，制成蜂窝壁带微结构的蜂窝结构；

(3)将带第二导电几何结构层的蜂窝、第一材料层10(带第一导电几何结构层30)按设计叠层进行固化，做成所需形状的复合材料夹芯结构；

(4)用电聚焦透镜测试吸收率，与第二导电几何结构层40所在面的夹角0～85°范围内，电磁波吸收率在90％以上。

参照图6和图7，在再一个实施例中，第二材料层20配置为泡沫板件，第一导电几何结构层30以平行于第一材料层10的方式嵌入在第一材料层10中或者贴合在第一材料层10的表面，第二导电几何结构层40以其所在的面垂直于泡沫板件的方式嵌入在泡沫板件中。泡沫板件包括以阵列状排列的多个凹槽23，多个凹槽23中容纳固定有多个柱形基体24，第二导电几何结构层40贴合在多个柱形基体24的侧表面。在该实施例中，作为超材料的第一导电几何结构层30和第二导电几何结构层40为内外开口谐振环，典型特征尺寸为40um，并且为非金属微结构，二者的最大宽度尺寸为7mm。三维电磁超材料包括：3层含第一导电几何结构层30的第一材料层10、2层泡沫板件(含第二导电几何结构层40)。2层泡沫板件中，第二导电几何结构层40贴合在柱形基体24的侧表面，3层第一材料层中，第一导电几何结构层30与第一材料层10所在平面平行。第一导电几何结构层30和第二导电几何结构层40相互垂直。

具体制作工艺如下：

(1)将带金属薄膜的基体24先进行蚀刻，加工第二导电几何结构层40，然后按尺寸要求进行铣切；

(2)将低损耗泡沫(或吸波泡沫)加工成所需的平面或者曲面，并在需要放置第二导电几何结构层40的位置开设凹槽23；

(3)将(1)所得的带第二导电几何结构层40的基体24，插入(2)泡沫所开的凹槽23中，胶结固定后，将泡沫与第一材料层10(带第一导电几何结构层30)按设计叠层进行固化，做成所需形状的复合材料夹芯结构；

(4)用电聚焦透镜测试透过率，与第二导电几何结构层40所在面的夹角0～85°范围内，电磁波透过率≥80％(如用吸波泡沫，吸收率在85％以上)。

综上可见，本实用新型的三维电磁超材料是在二维超材料的基础上，在平行于二维超材料的法线方向上增加功能微结构的布局，从而实现在垂直于法线方向和平行于法线方向上，均有微结构在其有效的角度范围内，从而实现各向同性的功能。而且鉴于复合材料蜂窝的压缩强度要高于普通芳纶纸蜂窝的强度，因此在实现三维微结构电磁特性各向同性的同时，能保证三维超材料的结构强度。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种三维电磁超材料，其特征在于，包括：第一材料层、第二材料层、第一导电几何结构层和第二导电几何结构层；其中，所述第一材料层与所述第二材料层层叠设置，所述第一导电几何结构层设置在所述第一材料层中，所述第二导电几何结构层设置在所述第二材料层中，所述第一导电几何结构层所在的面垂直于所述第二导电几何结构层所在的面。

2.根据权利要求1所述的三维电磁超材料，其特征在于，所述三维电磁超材料的最外层为所述第一材料层，所述第二材料层位于所述三维电磁超材料的中部。

3.根据权利要求1所述的三维电磁超材料，其特征在于，所述第二材料层配置为蜂窝结构，所述第一材料层以封闭所述蜂窝结构的蜂窝孔开口的方式叠置在所述第二材料层上，所述第一导电几何结构层以平行于所述第一材料层的方式嵌入在所述第一材料层中或者贴合在所述第一材料层的表面，所述第二导电几何结构层贴合在所述蜂窝结构的蜂窝壁上。

4.根据权利要求3所述的三维电磁超材料，其特征在于，所述蜂窝结构的每个蜂窝孔为多边形孔，所述第二导电几何结构层贴合在所述多边形孔的每条边的蜂窝壁上。

5.根据权利要求3所述的三维电磁超材料，其特征在于，所述蜂窝结构由多个正弦波纹型结构拼接而成，所述第二导电几何结构层贴合在所述正弦波纹型结构的表面。

6.根据权利要求1所述的三维电磁超材料，其特征在于，所述第二材料层配置为泡沫板件，所述第一导电几何结构层以平行于所述第一材料层的方式嵌入在所述第一材料层中或者贴合在所述第一材料层的表面，所述第二导电几何结构层以其所在的面垂直于所述泡沫板件的方式嵌入在所述泡沫板件中。

7.根据权利要求6所述的三维电磁超材料，其特征在于，所述泡沫板件上开设有阵列状排列的多个凹槽，所述多个凹槽中容纳有多个柱形基体，所述第二导电几何结构层贴合在所述多个柱形基体的侧表面。

8.根据权利要求1所述的三维电磁超材料，其特征在于，所述第一导电几何结构层包括阵列排布的多个第一导电几何结构单元，所述第一导电几何结构单元包括“工”字型结构、“回”字型结构和内外开口谐振环结构中的一种或二种；

所述第二导电几何结构层包括阵列排布的多个第二导电几何结构单元，所述第二导电几何结构单元包括“工”字型结构、“回”字型结构和内外开口谐振环结构中的一种或二种。

9.根据权利要求8所述的三维电磁超材料，其特征在于，所述第一导电几何结构单元和所述第一导电几何结构单元的最细线条宽度为40μm-200μm，所述第一导电几何结构单元在所述第一导电几何结构层所在的面内的最大尺寸为6mm-10mm，第二导电几何结构单元在所述第二导电几何结构层所在的面内的最大尺寸为6mm-10mm。

10.根据权利要求1所述的三维电磁超材料，其特征在于，第一材料层、第二材料层、第一导电几何结构层和第二导电几何结构层的数量分别配置为多个，多个所述第一材料层和多个所述第二材料层依次交替层叠设置。