一种具有空间间隙的超材料及其制备方法.pdf

1、(10)申请公布号 CN 102480004 A (43)申请公布日 2012.05.30 C N 1 0 2 4 8 0 0 0 4 A *CN102480004A* (21)申请号 201110077103.4 (22)申请日 2011.03.29 H01Q 15/00(2006.01) B82Y 30/00(2011.01) B82Y 40/00(2011.01) (71)申请人深圳光启高等理工研究院 地址 518057 广东省深圳市南山区高新南区 粤兴一道8号香港城市大学产学研大 楼3楼 申请人深圳光启创新技术有限公司 (72)发明人刘若鹏 赵治亚 王文剑 (54) 发明名称 一种具有

2、空间间隙的超材料及其制备方法 (57) 摘要 本发明提供一种具有空间间隙的超材料，由 多层超材料功能板组合而成，所述超材料功能板 包括介质基板以及阵列在介质基板上的多个人 造微结构，其特征在于：所述超材料功能板两两 之间设置有间隔元件，所述间隔元件与所述超材 料功能板之间通过粘合剂相互粘合。本发明还提 供了该超材料的制备方法，采用超材料功能板中 设置间隔元件来增加预定空间间隙的方法，由于 能通过间隔元件的厚度方便地实现空间间隙的设 定，进而能对超材料的等效介电常数和等效磁导 率进行预定的改变，因而在超材料的功能设计上 更为灵活和多样，所制得的超材料的电磁特性也 更为丰富，具有更广泛的功能应用。

3、 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 1/1页 2 1.一种具有空间间隙的超材料，由多层超材料功能板组合而成，所述超材料功能板包 括介质基板以及阵列在介质基板上的多个人造微结构，其特征在于：所述超材料功能板两 两之间设置有间隔元件，所述间隔元件与所述超材料功能板之间通过粘合剂相互粘合。 2.根据权利要求1所述的一种具有空间间隙的超材料，其特征在于：所述间隔元件为 框形隔板，所述框形隔板与所述超材料功能板之间通过粘合剂相互粘合。 3.根据权利要求2所述的一种具有

4、空间间隙的超材料，其特征在于：各所述隔板的厚 度相等。 4.根据权利要求2所述的一种具有空间间隙的超材料，其特征在于：各所述隔板的厚 度呈递增或递减变化。 5.根据权利要求2所述的一种具有空间间隙的超材料，其特征在于：各所述隔板的厚 度呈大小交替变化。 6.根据权利要求2所述的一种具有空间间隙的超材料，其特征在于：所述粘合剂为双 面胶粘合剂。 7.根据权利要求2所述的一种具有空间间隙的超材料，其特征在于：所述粘合剂为固 态粘合树脂，所述固态粘合树脂为酚醛树脂、环氧树脂、聚酯树脂、聚酰亚胺树脂或聚四氟 乙烯树脂。 8.根据权利要求2所述的一种具有空间间隙的超材料，其特征在于：所述隔板为方框 形隔

5、板。 9.根据权利要求2所述的一种具有空间间隙的超材料，其特征在于：所述隔板为圆框 形隔板。 10.一种超材料的制备方法，包括以下步骤： a.在超材料功能板的介质基板上阵列多个人造微结构，形成超材料功能板； b.根据设计需要计算并确定超材料功能板之间空间间隙的厚度； c.根据空间间隙的厚度确定各个超材料功能板之间的间隔元件的厚度，使间隔厚度等 于所述空间间隙的厚度； d.通过粘合剂将各个超材料功能板相互与间隔元件相互粘合组装形成超材料。 11.根据权利要求9所述的一种超材料的制备方法，其特征在于：所述步骤a中，通过 化学蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法在所述介质基板上阵列多个人造微

6、结 构。 权 利 要 求 书CN 102480004 A 1/4页 3 一种具有空间间隙的超材料及其制备方法 【 技术领域 】 0001 本发明涉及超材料领域，具体地涉及一种具有空间间隙的超材料及其制备方法。 【 背景技术 】 0002 近年来，随着雷达探测、卫星通信、航空航天等高新技术的快速发展，以及抗电磁 干扰、隐形技术、微波暗室等研究领域的兴起，微波吸收材料的研究越来越受到人们的重 视。超材料可以现出非常奇妙的电磁效应，可用于吸波材料和隐形材料等领域，成为吸波材 料领域研究的热点。 0003 所谓超材料，是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或 复合材料。通过在材料的关

7、键物理尺度上的结构有序设计，可突破某些表观自然规律的限 制，从而获得超出自然界固有的普通的超常材料功能。如，超材料有多层超材料功能板层叠 或阵列而成，超材料功能板由介质基板和设置在介质基板上的多个金属微结构组成，超材 料可以提供各种普通材料具有和不具有的材料特性。单个金属微结构大小一般小于1/10 个波长，其对外加电场或磁场具有电响应或磁响应，从而具有表现出等效介电常数或等效 磁导率，或者波阻抗。金属微结构的等效介电常数和等效磁导率(或波阻抗)由单元几何 尺寸参数决定，可人为设计和控制。并且，金属微结构可以具有人为设计的电磁参数，从而 产生许多新奇的现象。 0004 现有超材料功能板的人造微结

8、构一般阵列在介质基板的表面或里面，各层超材料 功能板紧密结合形成整个超材料，我们可以把每一个人造微结构、人造微结构所在的介质 基板以及二者周围的空间看成一个超材料基本单元，其各个基本单元的等效介电常数或等 效磁导率受人造微结构、人造微结构所在的介质基板以及二者周围的空间共同影响，现有 技术只通过改变人造微结构来实现整个超材料的等效介电常数或等效磁导率的改变，其控 制手段有限，对于人造微结构的依赖性强，设计的灵活性不够。 【 发明内容 】 0005 本发明为克服上述现有技术的缺点，一方面提供一种功能应用更为丰富的超材 料，另一方面提供一种设计更为灵活的超材料制备方法。 0006 本发明实现发明目

9、的采用的技术方案是，由多层超材料功能板组合而成，所述超 材料功能板包括介质基板以及阵列在介质基板上的多个人造微结构，所述超材料功能板两 两之间设置有间隔元件，所述间隔元件与所述超材料功能板之间通过粘合剂相互粘合。 0007 作为优选实施方式，所述间隔元件为框形隔板，所述框形隔板与所述超材料功能 板之间通过粘合剂相互粘合。 0008 作为具体实施方式，各所述隔板的厚度呈递增或递减变化。 0009 作为具体实施方式，各所述隔板的厚度呈大小交替变化。 0010 作为具体实施方式，各所述粘合剂为双面胶粘合剂或固态粘合树脂，所述固态粘 合树脂为酚醛树脂、环氧树脂、聚酯树脂、聚酰亚胺树脂或聚四氟乙烯树脂。

10、 说 明 书CN 102480004 A 2/4页 4 0011 作为具体实施方式，所述隔板为方框形或圆框形隔板。 0012 本发明还提供一种超材料的制备方法，包括以下步骤： 0013 a.在超材料功能板的介质基板上阵列多个人造微结构，形成超材料功能板； 0014 b.根据设计需要计算并确定超材料功能板之间空间间隙的厚度； 0015 c.根据空间间隙的厚度确定各个超材料功能板之间的间隔元件的厚度，使间隔厚 度等于所述空间间隙的厚度； 0016 d.通过粘合剂将各个超材料功能板相互与间隔元件相互粘合组装形成超材料。 0017 作为具体实施方式，所述步骤a中，通过化学蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻

11、或离 子刻的方法在所述介质基板上阵列多个人造微结构。 0018 本发明的超材料制备中采用超材料功能板中设置间隔元件来增加预定空间间隙 的方法，由于能通过间隔元件的厚度方便地实现空间间隙的设定，进而能对超材料的等效 介电常数和等效磁导率进行预定的改变，因而在超材料的功能设计上更为灵活和多样，所 制得的超材料的电磁特性也更为丰富，具有更广泛的功能应用。 【 附图说明 】 0019 图1，实施例1超材料的结构剖面图。 0020 图2，实施例1隔板的结构图。 0021 图3，实施例2超材料的结构剖面图。 0022 图4，实施例2隔板的结构图。 0023 图中，1超材料功能板、2介质基板、3人造微结构、

12、4隔板、5双面胶粘合层、6酚醛 树脂粘合层。 【 具体实施方式 】 0024 下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。 0025 实施例1 0026 本实施例超材料的结构剖面图参看附图1，由多层超材料功能板1组合而成，超材 料功能板1包括介质基板2以及阵列在介质基板上的多个人造微结构3，超材料功能板1两 两之间设置有隔板4，隔板4为方框形隔板，隔板4的结构图参看附图2，隔板4与超材料功 能板1之间通过双面胶粘结层5相互粘合，各个隔板4的厚度呈依次递减的规律变化。 0027 具体实施时，超材料的制备方法采用以下步骤： 0028 a.在超材料功能板1的介质基板2上阵列多个人造微结构3，形成超材料

13、功能板 1，具体可通过化学蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法在超材料功能板的介质 基板2上阵列多个人造微结构3，以由高分子材料的介质基板2和金属微结构3组成的超材 料功能板1为例，可以选择化学蚀刻的方法进行制备，即在覆有金属薄膜的介质基板2上通 过覆膜、曝光、感光膜显影以及蚀刻步骤，完成金属微结构3的制造，此过程可采用PCB板化 学蚀刻的常用设备进行加工制造； 0029 b.为实现超材料中各个超材料功能板1整体的等效介电常数按从大到小依次递 减的变化，本实施例可根据该设计需要使超材料功能板1之间的间隙呈依次递减的变化， 因为对于超材料功能板1而言，我们可以把每一个人造微结构3、人造微

14、结构3所在的介质 说 明 书CN 102480004 A 3/4页 5 基板2以及二者周围的空间看成一个超材料基本单元，其各个基本单元的等效介电常数或 等效磁导率受人造微结构3、人造微结构3所在的介质基板2以及二者周围的空间共同影 响，当改变整个超材料功能板1之间的空间间隙时，相应地也改变了每个超材料基本单元 中人造微结构3和介质基板2周围的空间的大小，而该周围空间大小的改变会影响超材料 基本单元的等效介电常数，进而影响整个超材料功能板1的等效介电常数，因为本实施例 人造微结构3和介质基板2周围的空间为空气，而一般材质的介电常数都大于空气的介电 常数，所以当改变周围空间的大小时，会改变超材料功

15、能板1的等效介电常数，使超材料功 能板1的等效介电常数也呈现出一次递减的变化； 0030 c.在确定空间间隙的大小呈依次递减的规律后，为便于控制空间间隙的大小，我 们可以通过使隔板4厚度等于空间间隙的厚度来控制空间间隙的大小； 0031 d.通过双面胶将各个超材料功能板1相互与隔板4相互粘合组装形成超材料，由 于双面胶粘合层5的厚度很薄，相对于整个空间间隙的厚度而言可以忽略。 0032 使用根据本实施例提供的超材料及其制备方法，通过增加空间间隙并控制其间隙 厚度的方法，使超材料在介电常数和磁导率的功能设计上更为灵活和多样。 0033 实施例2 0034 本实施例超材料的结构剖面图参看附图3，由

16、多层超材料功能板1组合而成，超材 料功能板1包括介质基板2以及阵列在介质基板上的多个人造微结构3，超材料功能板1两 两之间设置有隔板4，隔板4为圆框形隔板，隔板4的结构图参看附图4，隔板4与超材料功 能板1之间通过酚醛树脂粘结层6相互粘合，各个隔板4的厚度呈厚薄交替的规律变化。 0035 具体实施时，超材料的制备方法采用以下步骤： 0036 a.在超材料功能板1的介质基板2上阵列多个人造微结构3，形成超材料功能板 1，具体可通过化学蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法在超材料功能板1的介 质基板2上阵列多个人造微结构3，以由高分子材料的介质基板2和金属微结构3组成的超 材料功能板1为例

17、，可以选择化学蚀刻的方法进行制备，即在覆有金属薄膜的介质基板2上 通过覆膜、曝光、感光膜显影以及蚀刻步骤，完成金属微结构的制造，此过程可采用PCB板 化学蚀刻的常用设备进行加工制造； 0037 b.为实现超材料中各个超材料功能板1整体的等效介电常数按从大小交替的变 化，本实施例可根据该设计需要使超材料功能板1之间的间隙呈大小交替的变化，因为对 于超材料功能板1而言，我们可以把每一个人造微结构3、人造微结构3所在的介质基板2 以及二者周围的空间看成一个超材料基本单元，其各个基本单元的等效介电常数或等效磁 导率受人造微结构3、人造微结构3所在的介质基板2以及二者周围的空间共同影响，当改 变整个超材

18、料功能板1之间的空间间隙时，相应地也改变了每个超材料基本单元中人造微 结构3和介质基板2周围的空间的大小，而该周围空间大小的改变会影响超材料基本单元 的等效介电常数，进而影响整个超材料功能板1的等效介电常数，因为本实施例人造微结 构3和介质基板2周围的空间为空气，而一般材质的介电常数都大于空气的介电常数，所以 当改变周围空间的大小时，会改变超材料功能板1的等效介电常数，从而实现超材料功能 板1的等效介电常数大小交替变化； 0038 c.在确定空间间隙的大小呈交替变化的规律后，为便于控制空间间隙的大小，我 们可以通过使隔板4厚度等于空间间隙的厚度来控制空间间隙的大小； 说 明 书CN 10248

19、0004 A 4/4页 6 0039 d.本实施例基于现有的半固态成型工艺对超材料进行成型组装，首先在超材料功 能板1的周边涂覆酚醛树脂，然后将各个超材料功能板1和隔板4交替排列层叠，将层叠后 的超材料置于酚醛树脂的半固态熔融温度范围内，在压强为3kg/cm 2 的高压环境中对超材 料进行压合，压合完成后冷却至室温，固化并形成超材料。作为具体实施方式，本步骤中的 成型工艺包括但不限于以下工艺方法：挤出成型工艺、注射成型工艺或压延成型工艺等。由 于压合后的酚醛树脂的厚度很薄，相对于整个空间间隙的厚度而言可以忽略，即使厚度达 到了一定尺度，通过对隔板4预留一定厚度的方法即可进行精确控制。 0040 使用根据本实施例提供的超材料及其制备方法，一方面通过增加空间间隙并控制 其间隙厚度的方法，使超材料在介电常数和磁导率的功能设计上更为灵活和多样；另一方 面，本实施例的超材料及其制备可以通过成型工艺大规模制备，具有制备过程简单，效率 高、成本低的优点。 0041 在上述实施例中，仅对本发明进行了示范性描述，但是本领域技术人员在阅读本 专利申请后可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改。 说 明 书CN 102480004 A 1/2页 7 图1 图2 说 明 书 附 图CN 102480004 A 2/2页 8 图3 图4 说 明 书 附 图CN 102480004 A