具有三維微結構的超材料及其製造方法
2023-10-05 15:57:04
專利名稱：具有三維微結構的超材料及其製造方法
具有三維微結構的超材料及其製造方法
技術領域：
本發明涉及超材料領域，尤其涉及ー種具有三維微結構的超材料及其製造方法。背景技木超材料是指ー些具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工複合結構或複合材料。通過在材料的關鍵物理尺度上的結構有序設計，可以突破某些表觀自然規律的限制， 從而或得超出自然界固有的普通性質的超常材料功能。超材料的性質和功能主要來自於其內部的結構而非構成它們的材料，因此為設計和合成超材料，人們進行了很多研究工作。 超材料一般由金屬微結構在介質材料表面陣列排列而成，通過調節微結構的設計和排列規律，來實現材料整體對電場或磁場形成特殊響應，如匯聚、發散、偏折等效應。在微波射頻波段(波長在釐米至毫米量級)，超材料的微結構一般在平行於板平面內，通過蝕刻的方法形成；或者是由多個表面負載有微結構的平面介電材料層壓疊加形成。這種結構對於在垂直於板平面方向上的電磁場有很好的響應，但是電磁波傳輸方向偏離，會給超材料的性能帶來很大的影響。因此，需要ー種超材料結構，從任意ー個方向，對於電磁波都有較強的響應。
發明內容本發明提供ー種具有三維微結構的超材料以及製造方法，這種具有三維微結構的超材料克服了傳統的ニ維微結構超材料只能響應特定方向的電磁波的局限，能夠從任意的方向對電磁波進行響應，極大地改善了超材料的性能。本發明實現發明目的採用的技術方案是，ー種具有三維微結構的超材料的製造方法，包括以下步驟在第一基板平面上，以接觸方式設置有與所述第一基板平面垂直的第一微結構陣列；通過在第一基板平面上布置基板材料以形成基板，所述基板材料把所述第一微結構陣列封裝在所述基板內部；在所述基板的所述第一基板平面上和與所述第一基板平面的平行的第二基板平面上形成第二微結構陣列。優選地，所述第一微結構陣列中的每個第一微結構，具有分別在第一方向和第二方向上延伸的部分，所述第一方向和所述第二方向在空間上垂直相交。優選地，所述形成第二微結構陣列的步驟進一歩包括，在所述第一基本表面和所述第二基板表面上分別沉積一層導電膜並對該導電膜進行處理以得到所述第二微結構陣列。優選地，所述導電膜是金屬膜。 優選地，對所述導電膜進行處理以得到所述第二微結構陣列。優選地，所述處理包括蝕刻、光刻、離子刻、電子刻、3D雷射塑形、機械精加工或者 ^11燭。優選地，所述第一微結構陣列的形成採用衝模或者注模的ェ藝。
優選地，所述基板材料是陶瓷或者高分子材料。根據本發明的另ー個方面，本發明提供了ー種具有三維微結構的超材料，包括第一基板平面，所述第一基板平面上附著有與其垂直的第一微結構陣列，且所述第一基板平面上形成有第二微結構陣列；第二基板平面，所述第二基板平面上形成有第二微結構陣列； 其中，所述第一微結構陣列密封於所述第一基板平面和所述第二基板平面之間。優選地，所述第一基板平面和所述第二基板平面之間的密封材料是陶瓷或者高分子材料。本發明的有益效果是，根據本發明的製造方法，能夠製造一種在三維空間內均有微結構単元的超材料，該具有三維微結構的超材料在任意方向對電磁波均有較強的響應， 極大地改善了超材料的性能，可廣泛地應用在航空航天、機械、物理、化學、電絕緣以及軍事等領域。
圖Ia-圖Id是製造根據本發明的具有三維微結構的超材料的過程示意圖。
具體實施方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進ー步詳細說明。在詳細解釋本發明的任何實施例之前，應當理解本發明在其應用方面不限定於在以下說明中提出的或者以下附圖中示出的構造的細節和部件的布置。 本發明還可以有其他實施例並且還能夠以各種方式被實施或者實現。同樣地，應當理解這裡使用的措辭和術語旨在說明並且不應被看作限定圖Ia-圖Id示出了製造具有三維微結構的超材料的過程。如圖Ia所示，平面110是超材料基板成品的ー個底平面，下文稱作第一基板平面 110。具有三維微結構的超材料是以第一基板平面110為基礎構造起來的。一般地，可以通過向該平面澆注基板材料而形成基板。傳統的製造エ藝，僅僅是在第一基板平面110以及與其相對且相平行的另ー個基板平面上布置導電薄膜並且對該導電膜進行蝕刻或者燒蝕而得到微結構。這樣得到超材料在與第一基板平面110相垂直的方向上具有良好的電磁響應性能。在根據本發明的一個實施例中，首先，在第一基板平面110上，垂直向上地形成第 ー微結構陣列120。第一微結構陣列120可通過衝模或注模的方式形成。該過程完成之後， 第一微結構陣列120以附著的方式垂直地豎立在第一基板平面110上。根據本發明的另ー個實施例，第一微結構陣列120中的每個第一微結構進ー步包括兩個部分。其中第一部分垂直地豎立在第一基板平面110上。該部分使得超材料在與第一部分垂直的方向上具有良好的電磁響應特性。第一部分一端與第一基板平面110相接觸，而另一端則與第二部分垂直接觸。並且，第二部分與第一基板平面110異面垂直。這樣的設置，使得第二部分在與其垂直的方向上具有良好的電磁響應特性。至此，根據本發明的第一微結構陣列的布置使得超材料具有多方向的電磁響應特性。第一微結構陣列可以由金屬材料製成，或者由其它導電材料製成。按照這種方式形成的第一微結構陣列，使得超材料成品至少可以在與第一基板平面110相平行的方向上具有良好的電磁響應性能。在形成第一微結構陣列120以後，如圖Ib所示，向第一基板平面110上注入基板材料以形成長方體狀基板130，以將第一微結構陣列120全部封裝在基板130內。該基板材料可以是陶瓷材料，也可以是高分子材料。需要注意的是，在封裝的過程中，所有的第一微結構陣列120都必須被封裝在基板130內，以使得其性能更可靠更持久。之後，在基板130的上表面和下表面，即第一基板平面110和第二基板平面140上分別沉積一層導電膜，該導電膜可以是金屬膜，比如銅、銀、金等金屬。該過程由圖Ic示出。最後，通過蝕刻、燒蝕等方法對該導電膜進行處理，以第一基板平面110和第二基板平面140上分別形成第二微結構陣列160和170。至此，通過上述方法和過程，得到了具有三維微結構的超材料。該超材料由於具有三維微結構，從而在空間上具有多方向的優良的電磁響應特性。需要理解的是，不需要一定在如附圖所示的方向上設置第一與第二微結構陣列， 可以根據實際需要靈活地設置第一微結構陣列和第二微結構陣列的每個部分的方向和數量，使其在所需的方向上具有良好的電磁響應特性。本實施方式如上所述地被公開，雖然使用了專用的術語，但它們應被解釋為一般的並只用於描述定義且目的不在於限制。因此，本領域的技術人員應該可以理解，在不脫離本發明技術方案的主旨的範圍內可進行各種形式與細節上的變更。
權利要求
1.ー種具有三維微結構的超材料的製造方法，包括以下步驟在第一基板平面上，以接觸方式設置有與所述第一基板平面垂直的第一微結構陣列；通過在所述第一基板平面上布置基板材料以形成基板，所述基板材料把所述第一微結構陣列封裝在所述基板內部；在所述第一基板平面上和與所述第一基板平面的平行的第二基板平面上形成第二微結構陣列。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在幹，所述形成第二微結構陣列的步驟進一歩包括，在所述第一基板表面和所述第二基板表面上分別沉積一層導電膜並對該導電膜進行處理以得到所述第二微結構陣列。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在幹，所述導電膜是金屬膜。
4.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，對所述導電膜進行處理以得到所述第二微結構陣列。
5.根據權利要求4所述的方法，其特徵在幹，所述處理包括蝕刻、光刻、離子刻、電子刻、3D雷射塑形、機械精加工或者燒蝕。
6.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，採用衝模或者注模的エ藝形成所述第一微結構陣列。
7.根據權利要求1所述的方法，其特徵在幹，所述基板材料是陶瓷或者高分子材料。
8.根據權利要求1所述的方法，其特徵在幹，所述第一微結構陣列中的每個第一微結構，具有分別在第一方向和第二方向上延伸的部分，所述第一方向和所述第二方向在空間上垂直相交。
9.ー種具有三維微結構的超材料，包括基板，所述基板具有第一基板平面和第二基板平面，其特徵在幹，所述第一基板平面上附著有與其垂直的第一微結構陣列，且所述第一基板平面上和所述第二基板平面上均形成有第二微結構陣列，其中，所述第一微結構陣列封裝於所述第一基板平面和所述第二基板平面之間的基板材料中。
10.根據權利要求9所述的超材料，其特徵在幹，所述第一微結構陣列中的每個第一微結構，具有分別在第一方向和第二方向上延伸的部分，所述第一方向和所述第二方向在空間上垂直相交。
全文摘要
本發明提供一種具有三維微結構的超材料以及製造方法。所述方法包括以下步驟在第一基板平面上形成與所述第一基板平面垂直的第一微結構陣列；通過在第一基板平面上布置基板材料以形成基板，所述基板材料把所述第一微結構陣列封裝在所述基板內部；在所述第一基板平面和與所述第一基板平面的平行的第二基板平面上形成第二微結構陣列。根據本發明的方法製造得到的具有三維微結構的超材料，克服了傳統的二維微結構超材料只能響應特定方向的電磁波的局限，能夠從任意的方向對電磁波進行響應，極大地改善了超材料的性能，可廣泛地應用在航空航天、機械、物理、化學、電絕緣以及軍事等領域。
文檔編號H01Q15/00GK102570048SQ201110439968
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月26日 優先權日2011年12月26日
發明者劉若鵬, 李雪, 趙治亞, 金曦 申請人:深圳光啟高等理工研究院