基于高分子材料掺杂的电磁波极化调控材料及其应用

摘要

基于高分子材料掺杂的电磁波极化调控材料及其应用，该电磁波极化调控材料包括主体，主体由高分子材料构成，主体中无序掺杂有若干方向一致的金属颗粒，相邻的金属颗粒之间形成缝隙，缝隙用于电磁波的极化调控。本发明利用主体内方向一致的金属颗粒，能够实现极化调控材料宏观整体上的金属狭缝，从而达到对入射电磁波的极化调制，相较于传统的电磁波极化器，无需设置复杂、精细的微结构或超表面即可实现电磁波极化调制，采用增材制造技术即可实现快速生产，大幅简化了制备工艺，显著提高了生产效率。

权利要求

1.基于高分子材料掺杂的电磁波极化调控材料，包括主体（1），其特征在于，所述主体（1）由高分子材料构成，主体（1）中掺杂有若干方向一致、结构一致的金属颗粒，所述若干金属颗粒的总质量与主体（1）的质量的质量比为10 30%，相邻的金属颗粒之间形成缝隙，所述~缝隙用于电磁波的极化调控，相邻金属颗粒之间的缝隙宽度为20 120 μm；所述金属颗粒的~材料为铜、金、银中的至少一种，所述高分子材料为聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚烯烃弹性体、尼龙、聚偏氟乙烯中的至少一种。

2.根据权利要求1所述的基于高分子材料掺杂的电磁波极化调控材料，其特征在于，所述金属颗粒的形状为片形、条形、球形。

3.根据权利要求2所述的基于高分子材料掺杂的电磁波极化调控材料，其特征在于，所述金属颗粒的形状为方片形。

4.根据权利要求1 3中任一项所述的基于高分子材料掺杂的电磁波极化调控材料，其~特征在于，所述极化调控材料的极化率大于等于80%。

5.一种电磁波极化调控材料的应用，其特征在于，所述电磁波极化调控材料采用权利要求1 4中任一项所述的基于高分子材料掺杂的电磁波极化调控材料，所述电磁波极化调~控材料用于检测入射波是否为极化波。

6.一种电磁波极化调控材料的应用，其特征在于，所述电磁波极化调控材料采用权利要求1 4中任一项所述的基于高分子材料掺杂的电磁波极化调控材料，所述电磁波极化调~控材料通过3D打印工艺覆盖于器件表面，用于透射特定极化波并屏蔽特定极化波以外的其他极化波。

说明书

基于高分子材料掺杂的电磁波极化调控材料及其应用

技术领域

[0001] 本发明涉及电磁波极化片，具体涉及基于高分子材料掺杂的电磁波极化调控材料及其应用，适用于电磁波特别是太赫兹波的极化。

背景技术

[0002] 电磁波的电场强度的取向和幅值随时间而变化的性质在光学中称为偏振，如果这种变化具有确定的规律，则称电磁波为极化电磁波。

[0003] 电磁波极化器可以实现对入射波的极化调控。现有技术中，专利CN102769191A公开了一种能够实现极化转换的超材料，该超材料包括基材以及设置在基材上的多个人造微结构，通过人造微结构影响在其中传播的平面电磁波的电场矢量，使得平面电磁波离开超材料时，所述电场矢量的两个正交分量产生相位差，从而实现平面电磁波极化方式的相互转换。专利CN104810628B公开了一种叶片型太赫兹波宽带线极化器，该极化器由单元结构周期性排列而成，每个单元结构从下到上依次为基底、金属反射层、介质层和超表面；超表面由两个完全相同的叶片构成，通过长边渐变性质的叶片形超表面得到了具有三个连续的极化转化频段的线极化器。

[0004] 然而，现有的电磁波极化器结构复杂，对制备工艺的要求高，造成制备工艺冗长、生产成本高等问题。此外，传统的极化器的柔韧性差，难以根据电磁波分布，应用场景有限。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供基于高分子材料掺杂的电磁波极化调控材料及其应用，以解决现有技术中电磁波极化器需要通过有序排布的微结构或超表面实现极化，造成制备工艺精度要求高，工艺冗长、生产成本高的问题。

[0006] 本发明通过下述技术方案实现：

[0007] 基于高分子材料掺杂的电磁波极化调控材料，包括主体，所述主体由高分子材料构成，主体中无序掺杂有若干方向一致的金属颗粒，相邻的金属颗粒之间形成缝隙，所述缝隙用于电磁波的极化调控。

[0008] 本技术方案中，电磁波极化调控材料的主体由高分子材料构成，高分子材料具有一定的柔韧性，可以根据电磁波分布，一定程度上提高极化调控材料的应用前景。高分子材料中掺杂的若干金属颗粒均匀地分布于高分子材料中且金属颗粒的方向一致或者基本一致，使得相邻的金属颗粒之间存在足够大小的缝隙，该缝隙使得电场方向顺着缝隙的电磁波能够透过极化调控材料，而电场方向与缝隙垂直的电磁波则被极化调控材料截获，最终透过极化调控材料的电磁波即为极化波。

[0009] 在一个或多个实施例中，极化调控材料可以制作成片状或者其他所需的形状，在部分实施例中，极化调控材料也可以通过增材制造直接包裹于器件上，从而实现仅允许有用信号透射而屏蔽其他极化波入射的目的。

[0010] 在一个或多个实施例中，电磁波优选为高频段的电磁波，包括微波毫米波和太赫兹波。

[0011] 在部分实施例中，所述极化调控材料采用3D打印制造。具体地，将一定质量比的金属颗粒加入至熔融状态下的高分子材料中，搅拌均匀后利用3D打印成型即可制得。

[0012] 本技术方案中，利用主体内方向一致的金属颗粒，能够实现极化调控材料宏观整体上的金属狭缝，从而达到对入射电磁波的极化调制，相较于传统的电磁波极化器，无需设置复杂、精细的微结构或超表面即可实现电磁波极化调制，采用增材制造技术即可实现快速生产，大幅简化了制备工艺，显著提高了生产效率；此外，该极化调控材料既可以具有确定的形状以满足特定的应用场景，例如检测极化波，又例如可以利用多个极化调控片在电磁波传输方向上的空间叠加，实现电磁波极化方向的调通，也可以作为涂层包裹于器件表面实现仅允许有用信号透射的功能，具有广阔的应用前景。

[0013] 进一步地，所述若干金属颗粒的总质量与主体的质量的质量比为10～30％。当金属颗粒的掺杂量小于10％时，相邻金属颗粒之间的距离较窄，极化调控材料难以形成宏观上的调控，极化率低；当金属颗粒掺杂量大于30％时，极化调控材料整体的柔韧性将降低，限制极化调控材料的应用场景，故金属颗粒的掺杂量优选为10～30％。

[0014] 进一步地，所述金属颗粒的形状为片形、条形、球形。

[0015] 进一步地，所述金属颗粒的形状为方片形。当掺杂的金属颗粒为金属方片时，极化调控材料具有二维特性，从不同方向入射时，一个方向实现极化，另一个方向实现对波的屏蔽。

[0016] 进一步地，所述金属颗粒的材料为铜、金、银中的至少一种。

[0017] 进一步地，所述高分子材料为聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚烯烃弹性体、尼龙、聚偏氟乙烯中的至少一种。优选地，所述高分子材料为聚四氟乙烯。

[0018] 进一步地，所述相邻金属颗粒之间的缝隙宽度为20～120μm。

[0019] 进一步地，所述极化调控材料的极化率大于等于80％。由于是金属颗粒无序分布于高分子材料中，且在生产工艺中无法确保所有金属颗粒的间距、方向完全一致，因此，可能出现局部极化效果不佳的情况，但通过实验发现，在确保掺杂量的前提下，能够实现计划调控材料的整体极化率大于等于80％，该极化效果不弱于现有技术中需要精密制造的电磁波极化器、极化光栅等。

[0020] 本发明还提供前述电磁波极化调控材料的一种应用，除了能够将电磁波极化调控为极化波外，极化调控材料还可以用于检测入射波是否是极化波，当入射波是电场方向顺着缝隙的极化波时，其能够透过极化调控材料，反之则无法透过。

[0021] 本发明还提供前述电磁波极化调控材料的另一种应用，所述极化调控材料通过3D打印工艺覆盖于器件表面，用于透射特定极化波并屏蔽特定极化波以外的其他极化波。传统的电磁波极化器多具有特定的形状，例如利用极化光栅极化电磁波，这类电磁波极化器无法直接应用于具有特定结构的器件，故需要额外设置其他配套器件，而本发明提供的电磁波极化调控材料即可利用增材制造包裹于器件表面，实现仅允许有用信号透射而屏蔽其他极化波入射的目的。

[0022] 本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

[0023] 1、本发明利用主体内方向一致的金属颗粒，能够实现极化调控材料宏观整体上的金属狭缝，从而达到对入射电磁波的极化调制，相较于传统的电磁波极化器，无需设置复杂、精细的微结构或超表面即可实现电磁波极化调制，采用增材制造技术即可实现快速生产，大幅简化了制备工艺，显著提高了生产效率；

[0024] 2、本发明提供的电磁波极化调控材料既可以具有确定的形状以满足特定的应用场景，例如检测极化波，也可以作为涂层包裹于器件表面实现仅允许有用信号透射的功能，具有广阔的应用前景；

[0025] 3、本发明通过将金属颗粒的掺杂量控制在10～30％，既满足极化调控材料具有80％以上的极化率，而且确保极化调控材料整体上具有足够的柔韧性；

[0026] 4、本发明将掺杂的金属颗粒为金属方片时，极化调控材料具有二维特性，从不同方向入射时，一个方向实现极化，另一个方向实现对波的屏蔽。

附图说明

[0027] 此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

[0028] 图1为本发明具体实施例中掺杂有金属条的调控片的结构示意图；

[0029] 图2为本发明具体实施例中掺杂有金属片的调控片的结构示意图；

[0030] 图3为本发明具体实施例中从不同方向入射掺杂有金属片的调控片时，一个方向实现波极化，另一个方向实现波屏蔽的示意图。

[0031] 1‑主体，2‑金属条，3‑金属片。

具体实施方式

[0032] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

[0033] 在本文中使用的术语“连接”在不进行特别说明的情况下，可以是直接相连，也可以使经由其他部件间接相连。

[0034] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

[0035] 实施例1：

[0036] 如图1所示的基于高分子材料掺杂的电磁波极化调控材料，包括主体1，图1中以虚线示出其轮廓，所述主体1由高分子材料构成，主体1中无序掺杂有若干方向一致的金属颗粒，相邻的金属颗粒之间形成缝隙，所述缝隙用于电磁波的极化调控。

[0037] 在部分实施例中，所述若干金属颗粒的总质量与主体1的质量的质量比为10～30％。优选地，所述质量比为20～30％，进一步优选地，所述质量比为30％。

[0038] 在本实施例中，如图1所示，所述金属颗粒为金属条2。在部分实施例中，所述金属颗粒的形状还可以是片形或球形。

[0039] 在部分实施例中，所述金属颗粒的材料为铜、金、银中的至少一种。

[0040] 在部分实施例中，所述高分子材料为聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚烯烃弹性体、尼龙、聚偏氟乙烯中的至少一种。优选地，所述高分子材料为聚四氟乙烯。

[0041] 在部分实施例中，所述相邻金属颗粒之间的缝隙宽度为20～120μm。

[0042] 在部分实施例中，所述极化调控材料的极化率大于等于80％。

[0043] 本实施例利用主体内方向一致的金属颗粒，能够实现极化调控材料宏观整体上的金属狭缝，从而达到对入射电磁波的极化调制，相较于传统的电磁波极化器，无需设置复杂、精细的微结构或超表面即可实现电磁波极化调制，采用增材制造技术即可实现快速生产，大幅简化了制备工艺，显著提高了生产效率。

[0044] 实施例2：

[0045] 在实施例1的基础上，如图2所示的基于高分子材料掺杂的电磁波极化调控材料，所述金属颗粒为无需分布在主体1中且方向一致的金属片3。

[0046] 当掺杂的金属颗粒为金属方片时，极化调控材料具有二维特性，如图3所示，从不同方向入射时，一个方向实现极化，另一个方向实现对波的屏蔽。

[0047] 实施例3：

[0048] 在上述实施例的基础上，所述电磁波极化调控材料用于检测入射波是否为极化波。当入射波是电场方向顺着缝隙的极化波时，其能够透过极化调控材料，反之则无法透过。

[0049] 实施例4：

[0050] 在上述实施例的基础上，所述极化调控材料通过3D打印工艺覆盖于器件表面，用于透射特定极化波并屏蔽特定极化波以外的其他极化波。在某些场景中，当只希望某个极化方向的波进入到器件当中时，在器件外围可以通过3D打印工艺对器件实现包裹，达到屏蔽其它极化波的入射和透射有用信号的目的。

[0051] 传统的电磁波极化器多具有特定的形状，例如利用极化光栅极化电磁波，这类电磁波极化器无法直接应用于具有特定结构的器件，故需要额外设置其他配套器件，而本发明提供的电磁波极化调控材料即可利用增材制造包裹于器件表面，实现仅允许有用信号透射而屏蔽其他极化波入射的目的。

[0052] 由此可见，本实施例既可以通过制作成具有一定柔韧性的片材，也可以作为涂层包裹于器件表面，具有广阔的应用前景。

[0053] 以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。