一种超材料及其制备方法

摘要

本发明提供一种超材料，包括一个或多个超材料片层，所述超材料片层包括基板和附着在基板上的多个金属微结构，所述基板为无增强材料的有机基板。还涉及制备该超材料的方法。在基板上附着金属微结构以构成超材料，实现对入射电磁波的各种调制功能，例如汇聚电磁波、吸收电磁波、对电磁波透明、高介电常数、高磁导率、负磁导率等。同时，由于基板采用的是无增强材料的低损耗有机基板，降低了超材料的损耗及介电常数，也有利于超材料轻量化的应用。

权利要求

1.一种超材料，包括一个或多个超材料片层，其特征在于，所述超材料片层包括基板和附着在基板上的多个金属微结构，所述基板为无增强材料的有机基板；其中，所述金属微结构包括第一金属分支，所述第一金属分支成一边具有缺口的四边形状；一端设于所述缺口相对的四边形边上并向所述缺口延伸且突出所述缺口的第二金属分支；垂直于所述第二金属分支另一端的第三金属分支。

2.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述无增强材料的有机基板的厚度为

0.01-3.00毫米。

3.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述无增强材料的有机基板的厚度为

0.01-0.5毫米。

4.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述无增强材料的有机基板的厚度为

3.01-12毫米。

5.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述无增强材料的有机基板的厚度为

0.5-4毫米。

6.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述无增强材料的有机基板的厚度为

0.7-6.5毫米。

7.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述无增强材料的有机基板的厚度为

1-12毫米。

8.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述无增强材料的有机基板的材质为热塑性树脂或热固性树脂。

9.根据权利要求8所述的超材料，其特征在于，所述热塑性树脂包括聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或特氟龙。

10.根据权利要求8所述的超材料，其特征在于，所述热固性树脂包括环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂、有机硅树脂或聚酰亚胺树脂。

11.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于：所述超材料内部折射率分布均匀，所述多个金属微结构拓扑结构和尺寸均相同。

12.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于：所述金属微结构以所述第二金属分支为对称轴成左右对称结构。

13.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于：所述超材料内部折射率分布不均匀，所述多个金属微结构拓扑结构和/或尺寸不全相同。

14.一种超材料片层的制备方法，用于制备如权利要求1所述的超材料的超材料片层，其特征在于，包括以下步骤：利用热压方式将金属箔贴附于所述无增强材料的有机基板上，加工出金属微结构获得超材料片层。

15.根据权利要求14所述的制备方法，其特征在于，所述无增强材料的有机基板的材质为热塑性树脂或热固性树脂。

16.根据权利要求15所述的制备方法，其特征在于，所述热塑性树脂包括聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或特氟龙。

17.根据权利要求15所述的制备方法，其特征在于，所述热固性树脂包括环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂、有机硅树脂或聚酰亚胺树脂。

18.一种超材料的制备方法，用于制备如权利要求1所述的超材料，其特征在于，包括以下步骤：利用热压方式将金属箔贴附于所述无增强材料的有机基板上，加工出金属微结构获得超材料片层；

将多个超材料片层叠层后热压获得超材料。

19.根据权利要求18所述的制备方法，其特征在于，所述无增强材料的有机基板的材质为热塑性树脂或热固性树脂。

20.根据权利要求19所述的制备方法，其特征在于，所述热塑性树脂包括聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或特氟龙。

21.根据权利要求19所述的制备方法，其特征在于，所述热固性树脂包括环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂、有机硅树脂或聚酰亚胺树脂。

说明书

一种超材料及其制备方法

【技术领域】

[0001] 本发明涉及超材料领域，尤其涉及一种基于无增强材料有机树脂基板的超材料及其制备方法。【背景技术】

[0002] 光，作为电磁波的一种，其在穿过玻璃的时候，因为光线的波长远大于原子的尺寸，因此我们可以用玻璃的整体参数，例如折射率，而不是组成玻璃的原子的细节参数来描述玻璃对光线的响应。相应的，在研究材料对其他电磁波响应的时候，材料中任何尺度远小于电磁波波长的结构对电磁波的响应也可以用材料的整体参数，例如介电常数ε和磁导率μ来描述。通过设计材料每点的结构使得材料各点的介电常数和磁导率都相同或者不同从而使得材料整体的介电常数和磁导率呈一定规律排布，规律排布的磁导率和介电常数即可使得材料对电磁波具有宏观上的响应，例如汇聚电磁波、发散电磁波等。该类具有规律排布的磁导率和介电常数的材料我们称之为超材料。

[0003] 如图1所示，图1为构成超材料的基本单元的立体结构示意图。超材料的基本单元包括人造微结构2以及该人造微结构附着的基板1。人造微结构优选为金属微结构，金属微结构具有能对入射电磁波电场和/或磁场产生响应的平面或立体拓扑结构，改变每个超材料基本单元上的金属微结构的图案和/或尺寸即可改变每个超材料基本单元对入射电磁波的响应。优选地，人造微结构2上还覆盖有覆盖层3，覆盖层3、人造微结构2以及基板1构成超材料的基本单元。多个超材料基本单元按一定规律排列即可使得超材料对电磁波具有宏观的响应。由于超材料整体需对入射电磁波有宏观电磁响应因此各个超材料基本单元对入射电磁波的响应需形成连续响应，这要求每一超材料基本单元的尺寸小于入射电磁波波长的五分之一，优选为入射电磁波波长的十分之一。本段描述中，我们人为的将超材料整体划分为多个超材料基本单元，但应知此种划分方法仅为描述方便，不应看成超材料由多个超材料基本单元拼接或组装而成，实际应用中超材料是将金属微结构周期排布于基板上即可构成，工艺简单且成本低廉。周期排布即指上述人为划分的各个超材料基本单元上的金属微结构能对入射电磁波产生连续的电磁响应。

[0004] 现有的超材料的制备方法是通过在F4B、FR4等塑料作为材质的基板上排布金属微结构构成。塑料作为材质的基板含有大量的增强纤维，从而导致基板的损耗过大，基板损耗过大将大幅降低超材料的效率；并且含增强材料的基板密度比较大，所制备的超材料也比较重，不利于超材料轻量化的应用。【发明内容】

[0005] 本发明所要解决的技术问题是，克服现有的含有增强纤维超材料基板损耗大的缺陷，提供一种基于低损耗的不含增强材料的有机基板的超材料及制备方法，降低超材料的损耗及介电常数。

[0006] 本发明解决其技术问题采用的技术方案是，提供一种超材料，该超材料包括一个或多个超材料片层，所述超材料片层包括基板和附着在基板上的多个金属微结构，所述基板为无增强材料的有机基板；其中，所述金属微结构包括第一金属分支，所述第一金属分支成一边具有缺口的四边形状；一端设于所述缺口相对的四边形边上并向所述缺口延伸且突出所述缺口的第二金属分支；垂直于所述第二金属分支另一端的第三金属分支。

[0007] 进一步地，所述无增强材料的有机基板的厚度为0.01～3.00毫米。

[0008] 进一步地，所述无增强材料的有机基板的厚度为0.01-0.5毫米。

[0009] 进一步地，所述无增强材料的有机基板的厚度为3.01-12毫米。

[0010] 进一步地，所述无增强材料的有机基板的厚度为0.5-4毫米。

[0011] 进一步地，所述无增强材料的有机基板的厚度为0.7-6.5毫米。

[0012] 进一步地，所述无增强材料的有机基板的厚度为1-12毫米。

[0013] 进一步地，所述无增强材料的有机基板的材质为热塑性树脂或热固性树脂。

[0014] 进一步地，所述热塑性树脂包括聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或特氟龙。

[0015] 进一步地，所述热固性树脂包括环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂、有机硅树脂或聚酰亚胺树脂。

[0016] 进一步地，所述超材料内部折射率分布均匀，所述多个金属微结构拓扑结构和尺寸均相同。

[0017] 进一步地，所述金属微结构以所述第二金属分支为对称轴成左右对称结构。

[0018] 进一步地，所述超材料内部折射率分布不均匀，所述多个金属微结构拓扑结构和/或尺寸不全相同。

[0019] 与现有技术相比，本发明的超材料的有益效果为：本发明在基板上附着金属微结构以构成超材料，实现对入射电磁波的各种调制功能，例如汇聚电磁波、吸收电磁波、对电磁波透明、高介电常数、高磁导率、负磁导率等。同时，由于基板采用的是无增强材料的低损耗有机基板，降低了超材料的损耗及介电常数，也有利于超材料轻量化的应用。

[0020] 本发明还提供了一种超材料片层的制备方法，制备上述超材料，包括以下步骤：

[0021] 利用热压方式将金属箔贴附于所述无增强材料的有机基板上，加工出金属微结构获得超材料片层。

[0022] 进一步地，所述无增强材料的有机基板的材质为热塑性树脂或热固性树脂。

[0023] 进一步地，所述热塑性树脂包括聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或特氟龙。

[0024] 进一步地，所述热固性树脂包括环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂、有机硅树脂或聚酰亚胺树脂。

[0025] 本发明还提供了一种超材料的制备方法，制备上述超材料，包括以下步骤：

[0026] 利用热压方式将金属箔贴附于所述无增强材料的有机基板上，加工出金属微结构获得超材料片层；

[0027] 将多个超材料片层叠层后热压获得超材料。

[0028] 进一步地，所述无增强材料的有机基板的材质为热塑性树脂或热固性树脂。

[0029] 进一步地，所述热塑性树脂包括聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或特氟龙。

[0030] 进一步地，所述热固性树脂包括环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂、有机硅树脂或聚酰亚胺树脂。

[0031] 与现有技术相比，由上述方法制备的超材料的有益效果为：本发明在基板上附着金属微结构以构成超材料，实现对入射电磁波的各种调制功能，例如汇聚电磁波、吸收电磁波、对电磁波透明、高介电常数、高磁导率、负磁导率等。同时，由于基板采用的是无增强材料的低损耗有机基板，降低了超材料的损耗及介电常数，也有利于超材料轻量化的应用。【附图说明】

[0032] 图1为构成超材料的基本单元的结构示意图；

[0033] 图2为构成吸收电磁波超材料的基本单元上附着的人造金属微结构的拓扑结构示意图；

[0034] 图3为图2所示人造金属微结构拓扑结构的拆分示意图；

[0035] 图4为超材料天线的结构示意图；

[0036] 图5为超材料天线中人造金属微结构的基本拓扑图案；

[0037] 图6为图5所示拓扑图案的一种衍生结构；

[0038] 图7为图5所示拓扑图案的一种变形结构；

[0039] 图8为平面雪花状的金属微结构的拓扑形状演变的第一阶段；

[0040] 图9为平面雪花状的金属微结构的拓扑形状演变的第二阶段；

[0041] 图10为本发明超材料制备方法一实施例的流程图。【具体实施方式】

[0042] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0043] 根据本发明的超材料，包括一个或多个超材料片层，所述超材料片层包括基板和附着在基板上的多个金属微结构，所述基板为无增强材料的有机基板。

[0044] 利用超材料能调制电磁波的原理，可以设计各种类型的超材料。根据超材料内部折射率分布是否均匀可将超材料分为功能超材料和超材料天线两大类。

[0045] 功能超材料是指超材料内部折射率分布均匀，具体地，即构成功能超材料的基本单元上所有的金属微结构的拓扑图案和尺寸均相同。根据拓扑图案和尺寸的不同，导致功能超材料具有不同的功能。例如吸收电磁波、电磁波透明、高介电常数超材料、高磁导率超材料、负磁导率超材料等。下面以吸收电磁波超材料说明此类功能超材料设计原理，其他功能超材料可依据该原理通过计算机仿真设计得到。

[0046] 如图2所示，图2为构成吸收电磁波超材料的基本单元上附着的金属微结构的拓扑结构示意图。该金属微结构30包括第一金属分支301，该第一金属分支301成一边具有缺口3011的四边形状；一端设于缺口3011相对的四边形边上并向缺口3011延伸且突出缺口3011的第二金属分支302；垂直于第二金属分支302另一端的第三金属分支303。优选地，金属微结构30以第二金属分支302为对称轴成左右对称结构。其对入射电磁波响应的原理为：相对的金属分支等效为电容元件从而调整超材料的相对介电常数ε，环形金属分支上感生的电流根据右手螺旋定则感生磁场从而调整超材料的相对磁导率μ。具体到本实施例可表现为，如图3所示，金属微结构30拆分为呈“工”字形的第一部分30’以及成一边缺口的四边形状的第二部分30’’。根据公式ε=CS/4πkd可知，其中ε为超材料相对介电常数、S为第三金属分支303面积、d为第二金属分支302长度、k为常数、C为等效电容量，超材料的相对介电常数ε可通过调整第三金属分支303的面积S与第二金属分支302的间距长度来调整；成一边缺口的四边形状的第二部分30’’上形成环形电流，根据右手螺旋定则，环形电流产生磁场从而影响超材料的相对磁导率μ。分别调节金属微结构各金属分支的尺寸即可调节金属微结构对入射电场和入射磁场的响应从而调节超材料整体的相对介电常数ε和相对磁导率μ，使得超材料达到吸收电磁波的效果。

[0047] 超材料天线主要是利用超材料原理调制电磁波，使得超材料能接收远处传来的微弱信号，并将该信号汇聚到馈源中，或者将馈源辐射的电磁波经过超材料调制后以平面波的方式辐射出去。根据电磁波原理，超材料天线内部的折射率分布必然不均匀，又由于超材料天线呈平板状，如图4所示，超材料天线300包括基板3003，周期排布于基板3003上的多个拓扑结构和/或尺寸不全相同的多个金属微结构3002，覆盖于金属微结构3002上的覆盖层3001。超材料天线折射率符合一定规律排布n(x,y)。xy平面指平板超材料所在平面。为获得超材料天线的折射率排布n(x,y)，可先确定一金属微结构的基本拓扑形状，而后通过将该拓扑形状按比例缩小或放大以得到所需折射率分布，也可通过由一基本点逐渐演变至金属微结构基本拓扑形状以得到所需折射率分布。下面介绍由基本点逐渐演变至金属微结构基本拓扑形状以得到所需折射率分布的方式。

[0048] 如图5所示，其为本发明一实施例中的微结构的拓扑图案。该微结构拓扑结构为呈各向同性的平面雪花型。各向同性是指沿微结构中心点将微结构在微结构所在平面上，按任意方向旋转90°后得到的新图案都与原图案重合。采用各向同性的微结构能简化设计，其对垂直微结构所在平面入射的各个方向的电磁波均具有相同的电磁响应，具有很好的一致性。

[0049] 平面雪花型的微结构具有相互垂直平分的第一金属线J1及第二金属线J2，所述第一金属线J1与第二金属线J2的长度相同，所述第一金属线J1两端连接有相同长度的两个第一金属分支F1，所述第一金属线J1两端连接在两个第一金属分支F1的中点上，所述第二金属线J2两端连接有相同长度的两个第二金属分支F2，所述第二金属线J2两端连接在两个第二金属分支F2的中点上，所述第一金属分支F1与第二金属分支F2的长度相等。

[0050] 图6是图5所示的平面雪花状的金属微结构的一种衍生结构。其在每个第一金属分支F1及每个第二金属分支F2的两端均连接有完全相同的第三金属分支F3，并且相应的第三金属分支F3的中点分别与第一金属分支F1及第二金属分支F2的端点相连。依此类推，本发明还可以衍生出其它形式的金属微结构。

[0051] 图7是图5所示的平面雪花状的金属微结构的一种变形结构，此种结构的金属微结构，第一金属线J1与第二金属线J2不是直线，而是弯折线，第一金属线J1与第二金属线J2均设置有两个弯折部WZ，但是第一金属线J1与第二金属线J2仍然是垂直平分，通过设置弯折部的朝向与弯折部在第一金属线与第二金属线上的相对位置，使得图7所示的金属微结构绕垂直于第一金属线与第二金属线交点的轴线向任意方向旋转90度的图形都与原图重合。另外，还可以有其它变形，例如，第一金属线J1与第二金属线J2均设置多个弯折部WZ。

[0052] 得到微结构的具体拓扑图案后，可通过将微结构按照比例缩小、放大的方式获得整个超材料片层的折射率分布，也可通过以具体的一个微结构图案为基本图形，以通过演变获得基本图形的方式来获得整个超材料片层的折射率分布。下面详细介绍以平面雪花型为基本图形，通过演变方式获得超材料片层折射率分布的具体步骤：

[0053] （1）确定微结构的附着基板。

[0054] （2）确定超材料单元的尺寸。超材料单元的尺寸由卫星的中心频率得到，利用频率得到其波长，再取小于波长的五分之一的一个数值作为超材料单元的长度与宽度。

[0055] （3）确定微结构的材料及拓扑结构。本实施例中，微结构的材料为铜，微结构的拓扑结构为图5所示的平面雪花状的金属微结构，其线宽W各处一致；此处的拓扑结构，是指拓扑形状演变的基本图形。

[0056] （4）确定金属微结构的拓扑形状参数。如图5所示，本发明中，平面雪花状的金属微结构的拓扑形状参数包括金属微结构的线宽W，第一金属线J1的长度a，第一金属分支F1的长度b。

[0057] （5）确定金属微结构的拓扑形状的演变限制条件。本发明中，金属微结构的拓扑形状的演变限制条件有，金属微结构之间的最小间距WL（即如图5所示，金属微结构与超材料单元的长边或宽边的距离为WL/2），金属微结构的线宽W，超材料单元的尺寸；

[0058] 金属微结构的拓扑形状的通过如图8至图9所示的演变方式，对应于某一特定频率（例如11.95GHZ），可以得到一个连续的折射率变化范围。

[0059] 具体地，所述金属微结构的拓扑形状的演变包括两个阶段（拓扑形状演变的基本图形为图5所示的金属微结构）：

[0060] 第一阶段：根据演变限制条件，在b值保持不变的情况下，将a值从最小值变化到最大值，此演变过程中的金属微结构均为“十”字形（a取最小值时除外）。

[0061] 第二阶段：根据演变限制条件，当a增加到最大值时，a保持不变；此时，将b从最小值连续增加到最大值，此演变过程中的金属微结构均为平面雪花状。

[0062] 在上述第一阶段和第二阶段的演变过程中，均需要保证演变过程中的微结构的拓扑图案为各向同性的拓扑图案。

[0063] 上面论述了一种功能性超材料和一种超材料天线的设计方法，在上述功能超材料和超材料天线的设计原理指导下，可获取各种不同功能的超材料。

[0064] 本发明的关键点在于，超材料的基板采用的是无增强材料的有机基板，其主要材质包括聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或特氟龙等热塑性树脂及其改性品种，以及环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂、有机硅树脂或聚酰亚胺树脂等热固性树脂，还可以是液晶高分子聚合物。

[0065] 在一实施例中，如图10所示制备该些超材料时主要包括步骤：

[0066] S1：利用热压方式将金属箔贴附于无增强材料有机基板上，并通过蚀刻、钻刻、电子刻、离子刻等方式去除不需要的金属部分，获得需要的金属微结构，制备成所需的超材料片层；其中无增强材料有机基板的厚度为0.01-3.00毫米，优选为0.01-0.5毫米；

[0067] 热压方式是指将金属箔与无增强材料有机基板通过粘结剂的方式粘合在一起，针对不同的粘结剂采用不同的热压参数。例如当采用热熔胶作为粘结剂时，热压时采用的参2
数为：热压温度：60至120℃，压力：5-35kg/cm，热压时间为15-80分钟；当采用环氧胶或
2
丙烯酸胶时，热压时采用的参数为：热压温度：100至280℃，压力：30-55kg/cm，热压时间为60-120分钟。

[0068] 本实施例中，优选采用蚀刻方式去除不需要的金属部分，蚀刻优选采用化学蚀刻的方式。蚀刻液可选取酸性氯化铜溶液或者碱性氯化铜溶液。其中，酸性氯化铜溶液是指氯化铜与氯化氢的溶液，碱性氯化铜溶液是指氦水与氯化铜的溶液。

[0069] S2：将多个超材料片层通过粘结剂叠层后热压获得超材料。

[0070] 在无增强材料有机基板上附着金属微结构以构成超材料，实现对入射电磁波的各种调制功能，例如汇聚电磁波、吸收电磁波、对电磁波透明、高介电常数、高磁导率、负磁导率等。同时，基板采用的是无增强材料的低损耗有机基板，降低了超材料的损耗及介电常数，也有利于超材料轻量化的应用。

[0071] 在本发明的其它实施例中，所述无增强材料的有机基板的厚度可以为3.01-12毫米。

[0072] 根据超材料所应用的频段的不同，无增强材料的有机基板还可以有其它厚度。例如，在Ku波段下，所述无增强材料的有机基板的厚度可为0.5-4毫米；在X波段下，所述无增强材料的有机基板的厚度可为0.7-6.5毫米；在C波段下，所述无增强材料的有机基板的厚度可为1-12毫米。

[0073] 上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。