專利名稱：一種三維結(jié)構(gòu)超材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超材料的制備方法，尤其涉及一種三維結(jié)構(gòu)超材料的制備方法。
背景技術(shù)：
超材料是近十年來發(fā)展起來的對電磁波起調(diào)制作用的一種新型人工材料，基本原理是人為設(shè)計(jì)材料的微結(jié)構(gòu)(或稱人造“原子”)，讓這樣的微結(jié)構(gòu)具有特定的電磁特性，從而由海量數(shù)目的微結(jié)構(gòu)組成的材料宏觀上可具有人們所需要的電磁功能。與傳統(tǒng)材料技術(shù)根據(jù)自然界中已有材料的天然性質(zhì)來開發(fā)電磁利用途徑的傳統(tǒng)材料技術(shù)不同，超材料技術(shù) 是根據(jù)需要來人為設(shè)計(jì)材料的性質(zhì)并制造材料。超材料一般是由一定數(shù)量的人造微結(jié)構(gòu)附在具有一定力學(xué)、電磁學(xué)的基板上，這些具有特定圖案和材質(zhì)的微結(jié)構(gòu)會(huì)對經(jīng)過其身的特定頻段的電磁波產(chǎn)生調(diào)制作用。現(xiàn)有的超材料，例如公開號(hào)為“US7570432B1”的美國專利“METAMATERIALGRADIENTINDEX LENS”，又如公開號(hào)為 “US2010/0225562A1” 的美國專利 “BROADBAND METAMATERIALAPPARTUS, METHODS, SYSTEMS, AND COMPUTERREADABLE MEDIA”，其都是通過將微結(jié)構(gòu)附著于平板的基材上形成。制備平板的超材料時(shí)，微結(jié)構(gòu)附著于基板的加工工藝較為簡單，可采用常規(guī)的PCB板領(lǐng)域的加工工藝，例如蝕刻、鉆刻、離子刻、電子刻等。當(dāng)超材料需要制成曲面時(shí)，則采用常規(guī)的PCB板領(lǐng)域的加工工藝時(shí)其制備難度變得很大，例如現(xiàn)有的申請?zhí)枮椤癊P0575848A2”的歐洲專利，其公開了一種在三維曲面加工金屬微結(jié)構(gòu)的方法，具體實(shí)現(xiàn)方式為采用激光探頭曝光成像的方式一個(gè)一個(gè)地逐一蝕刻出微結(jié)構(gòu)。該種制備方法的加工成本和工藝控制成本均相當(dāng)高且不能快速、大批量生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種制備工藝簡單的三維結(jié)構(gòu)超材料的制備方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是，提出一種三維結(jié)構(gòu)超材料的制備方法，其包括步驟根據(jù)三維結(jié)構(gòu)超材料形狀制備成型基材；將人造微結(jié)構(gòu)排布于柔性基板上；將柔性基板貼附于成型基材上；加熱固化成型。進(jìn)一步地，所述三維結(jié)構(gòu)超材料包括至少兩層所述柔性基板和至少兩層所述成型
基材O進(jìn)一步地，所述三維結(jié)構(gòu)超材料至少包括三層成型基材和三層柔性基板，所述柔性基板設(shè)置于相鄰兩層成型基材之間。進(jìn)一步地，所述成型基材與所述柔性基板間隔設(shè)置。進(jìn)一步地，每一柔性基板緊貼設(shè)置，柔性功能層緊貼于成型基材的表面。
進(jìn)一步地，所述成型基材由多片樹脂和纖維構(gòu)成的預(yù)浸料層鋪而成。進(jìn)一步地，所述成型基材為在纖維布上涂覆樹脂制成。進(jìn)一步地，所述三維結(jié)構(gòu)超材料表面由至少兩個(gè)可展開為平面的幾何區(qū)域組成。進(jìn)一步地，所述三維結(jié)構(gòu)超材料表面上可展開為平面的幾何區(qū)域內(nèi)最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值小于100。進(jìn)一步地，所述三維結(jié)構(gòu)超材料表面上可展開為平面的幾何區(qū)域內(nèi)最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值小于80。進(jìn)一步地，所述三維結(jié)構(gòu)超材料表面上可展開為平面的幾何區(qū)域內(nèi)最大高斯曲率 與最小高斯曲率的比值小于50。進(jìn)一步地，所述三維結(jié)構(gòu)超材料表面上可展開為平面的幾何區(qū)域內(nèi)最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值小于20。進(jìn)一步地，所述三維結(jié)構(gòu)超材料表面上可展開為平面的幾何區(qū)域內(nèi)最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值小于10。進(jìn)一步地，通過如下步驟將柔性基板貼附于成型基材表面將三維結(jié)構(gòu)超材料展開為多個(gè)平面，將柔性基板對應(yīng)該多個(gè)平面剪切成多個(gè)柔性子基板，將柔性子基板貼附于成型基材對應(yīng)表面區(qū)域。進(jìn)一步地，不同柔性子基板上的人造微結(jié)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同。進(jìn)一步地，不同柔性子基板上的人造微結(jié)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同。進(jìn)一步地，通過如下步驟確定柔性基板上的人造微結(jié)構(gòu)排布計(jì)算三維結(jié)構(gòu)超材料各處的一種或多種電磁參數(shù)值；根據(jù)其中一種或多種電磁參數(shù)值將三維結(jié)構(gòu)超材料劃分為多個(gè)電磁區(qū)域；每一電磁區(qū)域?qū)?yīng)一種或多種電磁參數(shù)的一參數(shù)值范圍；設(shè)計(jì)每一電磁區(qū)域內(nèi)的人造微結(jié)構(gòu)使三維結(jié)構(gòu)超材料對應(yīng)該電磁區(qū)域的部分相對入射至該電磁區(qū)域的電磁波能產(chǎn)生預(yù)設(shè)的電磁響應(yīng)。進(jìn)一步地，各個(gè)電磁區(qū)域?qū)?yīng)的電磁波參數(shù)值范圍的最大值與最小值的差值相
坐寸ο進(jìn)一步地，各個(gè)電磁區(qū)域?qū)?yīng)的電磁波參數(shù)值范圍的最大值與最小值的差值不
坐寸O進(jìn)一步地，所述每一電磁區(qū)域位于一柔性子基板中，或每一電磁區(qū)域橫跨多個(gè)柔性子基板。進(jìn)一步地，所述電磁參數(shù)為電磁波入射角度、軸比值、相位值或電磁波電場入射角度。進(jìn)一步地，每一電磁區(qū)域內(nèi)的至少一層柔性功能層上的人造微結(jié)構(gòu)拓?fù)湫螤钕嗤?，尺寸不同。進(jìn)一步地，每一電磁區(qū)域內(nèi)的柔性功能層上的人造微結(jié)構(gòu)拓?fù)湫螤钕嗤＿M(jìn)一步地，每一電磁區(qū)域內(nèi)的至少一層柔性功能層上的人造微結(jié)構(gòu)與其它柔性功能層的人造微結(jié)構(gòu)拓?fù)湫螤畈煌?。進(jìn)一步地，還包括在柔性基板上開設(shè)孔或槽的步驟。進(jìn)一步地，所述人造微結(jié)構(gòu)為導(dǎo)電材料構(gòu)成的具有幾何圖案的結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步地，所述人造微結(jié)構(gòu)通過蝕刻、鉆刻、電子刻或離子刻排布于柔性基板上。
進(jìn)一步地，所述導(dǎo)電材料為金屬或非金屬導(dǎo)電材料。進(jìn)一步地,所述金屬為金、銀、銅、金合金、銀合金、銅合金、鋅合金或招合金。進(jìn)一步地，所述非金屬導(dǎo)電材料為導(dǎo)電石墨、銦錫氧化物或摻鋁氧化鋅。進(jìn)一步地，所述人造微結(jié)構(gòu)的幾何圖案為方片形、雪花形、工字形、六邊形、六邊環(huán)形、十字孔形、十字環(huán)形、Y孔形、Y環(huán)形、圓孔形或圓環(huán)形。進(jìn)一步地，所述柔性基板材料為聚酰亞胺、聚酯、聚四氟乙烯、聚氨酯、聚芳酯、PET膜、PE膜或PVC膜。進(jìn)一步地，所述纖維為玻璃纖維、石英纖維、芳綸纖維、聚乙烯纖維、碳纖維或聚酯纖維。
進(jìn)一步地，所述樹脂為熱固性樹脂。進(jìn)一步地，所述熱固性樹脂包括環(huán)氧類型、氰酸酯類型、雙馬來酰亞胺樹脂及它們的改性樹脂體系或混合體系。進(jìn)一步地，所述樹脂為熱塑性樹脂。進(jìn)一步地，所述熱塑性樹脂包括聚酰亞胺、聚醚醚酮、聚醚酰亞胺、聚苯硫醚或聚酯。本發(fā)明通過采用柔性基板和成型基材的方式制備三維結(jié)構(gòu)超材料，無需三維雕刻或蝕刻步驟，減少了工藝復(fù)雜度，加工成本低，工藝精度控制簡單，采用本發(fā)明制備方法得到的三維結(jié)構(gòu)超材料可以替代各種具有復(fù)雜曲面且需要有一定電磁調(diào)制功能的結(jié)構(gòu)件，也可以貼附于各種具有復(fù)雜曲面的結(jié)構(gòu)件上實(shí)現(xiàn)需要的電磁調(diào)制功能。而且通過曲面展開和電磁分區(qū)的方式使得三維結(jié)構(gòu)超材料具有較好的電磁響應(yīng)和較寬的應(yīng)用范圍。


圖I為本發(fā)明三維結(jié)構(gòu)超材料一較佳實(shí)施方式中的部分剖視示意圖；圖2為本發(fā)明三維結(jié)構(gòu)超材料另一較佳實(shí)施方式中的部分剖視示意圖；圖3為一實(shí)施例中三維結(jié)構(gòu)超材料仿真模型幾何區(qū)域劃分示意圖；圖4為圖3所示劃分的幾何區(qū)域展開后的平面圖；圖5為一實(shí)施例中人造微結(jié)構(gòu)拓?fù)湫螤钍疽鈭D；圖6為電磁波入射至三維結(jié)構(gòu)超材料表面某點(diǎn)P的入射角度示意圖；圖7為一實(shí)施例中三維結(jié)構(gòu)超材料電磁區(qū)域的劃分示意圖；圖8為另一實(shí)施例中人造微結(jié)構(gòu)拓?fù)湫螤钍疽鈭D；圖9為一實(shí)施例中某一柔性子基板上部分區(qū)域的人造微結(jié)構(gòu)排布示意圖。
具體實(shí)施例方式請參照圖1，圖I為本發(fā)明三維結(jié)構(gòu)超材料一較佳實(shí)施方式中的部分剖視示意圖。圖I中，三維結(jié)構(gòu)超材料包括多層成型基材10，緊貼于成型基材10表面的柔性功能層20，所述柔性功能層包括由至少一個(gè)柔性子基板210構(gòu)成的柔性基板21以及設(shè)置于每個(gè)柔性子基板210表面的多個(gè)能響應(yīng)電磁波的人造微結(jié)構(gòu)22 ;所述三維結(jié)構(gòu)超材料具有電磁波調(diào)制功能。在本發(fā)明一實(shí)施例中，三維結(jié)構(gòu)超材料可以包括至少兩層柔性功能層和至少兩層成型基材。一優(yōu)選實(shí)施例中，圖I中包括了三層成型基材10以及二層柔性功能層20，多層成型基材10使得三維結(jié)構(gòu)超材料的機(jī)械性能更強(qiáng)，另外多層柔性功能層20使得相鄰的柔性功能層20之間形成電磁耦合，通過優(yōu)化相鄰柔性功能層20之間的距離可以優(yōu)化整個(gè)三維結(jié)構(gòu)超材料對電磁波的響應(yīng)。相鄰柔性功能層20之間的距離即為成型基材10的厚度，因此可根據(jù)需要調(diào)整每一成型基材10的厚度，即成型基材10厚度可相同也可不同。如圖I所示，當(dāng)三維結(jié)構(gòu)超材料包括多個(gè)柔性功能層20時(shí)，柔性功能層20與成型基材10間隔設(shè)置。在本發(fā)明另一實(shí)施例中，如圖2所示，當(dāng)三維結(jié)構(gòu)超材料二層成型基材10之間包括多層柔性功能層20時(shí)，每一柔性功能層20緊貼設(shè)置，而緊貼的柔性功能層再設(shè)置于成型基材10的表面。實(shí)施例I通過如下方式制備三維結(jié)構(gòu)超材料
一、分析三維結(jié)構(gòu)超材料仿真模型曲面的高斯曲率變化，按照高斯曲率將三維結(jié)構(gòu)超材料仿真模型劃分為多個(gè)幾何區(qū)域。如圖3所示，圖3為本實(shí)施例的三維結(jié)構(gòu)超材料仿真模型幾何區(qū)域劃分圖。圖3中，相同填充圖案的幾何區(qū)域表示曲率相近的區(qū)域。在本實(shí)施例中，按照每一幾何區(qū)域內(nèi)的最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值小于20的劃分方式將三維結(jié)構(gòu)超材料仿真模型劃分為J1-J5五個(gè)幾何區(qū)域。二、曲面展開。曲面展開是指將圖3劃分的曲面幾何區(qū)域展開為平面并得到展開后的平面的尺寸。將曲面展開為平面并得到展開后的平面的方式有多種，多個(gè)設(shè)計(jì)軟件均能實(shí)現(xiàn)上述功能，例如solidworks軟件、Pro/Engineer軟件等。圖3劃分的曲面幾何區(qū)域展開后的平面圖如圖4所示。三、在柔性基板上排布人造微結(jié)構(gòu)并將柔性基板按照曲面展開后的平面尺寸剪切為多個(gè)柔性子基板。本實(shí)施例中，通過曝光顯影蝕刻的方式將人造微結(jié)構(gòu)排布于柔性基板上。柔性基板的材料可為聚酰亞胺、聚酯、聚四氟乙烯、聚氨酯、聚芳酯、PET膜、PE膜或PVC膜等。人造微結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫螤罡鶕?jù)三維結(jié)構(gòu)超材料最終實(shí)現(xiàn)的功能設(shè)計(jì)。本實(shí)施例中，人造微結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫螤钊鐖D5所示，其包括相互垂直平分的第一金屬線Pl和第二金屬線P2，所述第一金屬線Pl兩端連接有相同長度的兩個(gè)第一金屬分支Fl，所述第一金屬線Pl兩端連接在兩個(gè)第一金屬分支Fl的中點(diǎn)上，所述第二金屬線P2兩端連接有相同長度的兩個(gè)第二金屬分支F2，所述第二金屬線P2兩端連接在兩個(gè)第二金屬分支F2的中點(diǎn)上，所述第一金屬分支Fl與第二金屬分支F2的長度相等。四、制備三維結(jié)構(gòu)超材料。將多片石英纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂預(yù)浸料層鋪于模具中形成一層的成型基材，該模具根據(jù)三維結(jié)構(gòu)超材料仿真模型加工而成。在該成型基材表面對應(yīng)區(qū)域貼附柔性子基板。在柔性子基板上再次層鋪多片石英纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂預(yù)浸料并重復(fù)上述步驟直至得到具有多層成型基材和多層柔性基板的三維結(jié)構(gòu)超材料。合模后在溫度為100-20(TC，真空度為O. 5-1. OMPa條件下固化3小時(shí)后脫模得到三維結(jié)構(gòu)超材料。在本實(shí)施例中，多層成型基材的厚度相同。
實(shí)施例2通過如下方式制備三維結(jié)構(gòu)超材料一、計(jì)算三維結(jié)構(gòu)超材料仿真模型各處的一種或多種電磁參數(shù)值。電磁參數(shù)可為電磁波入射角度、軸比值、相位值或電磁波電場入射角度等。選用何種電磁參數(shù)值由三維結(jié)構(gòu)超材料需實(shí)現(xiàn)功能決定。本實(shí)施例中，三維結(jié)構(gòu)超材料需實(shí)現(xiàn)對不同入射角度的電磁波均具有相同的電磁響應(yīng)。該電磁響應(yīng)可為吸收電磁波、透過電磁波、極化轉(zhuǎn)換等，本實(shí)施例中，該電磁響應(yīng)為透過電磁波。圖6示出了電磁波入射至三維結(jié)構(gòu)超材料表面某點(diǎn)P的波矢入射角度的計(jì)算方式。圖6中，電磁波入射角度為電磁波波矢K的方向與該點(diǎn)P對應(yīng)的切面的法線N的夾角
θ O
二、根據(jù)入射角度值將三維結(jié)構(gòu)超材料劃分為多個(gè)電磁區(qū)域。圖7示出了本實(shí)施例中三維結(jié)構(gòu)超材料電磁區(qū)域的劃分方式。圖7中，按照入射角度相差11°的劃分方法將三維結(jié)構(gòu)超材料表面劃分為八個(gè)電磁區(qū)域Q1-Q8，即電磁區(qū)域Ql對應(yīng)入射角度為0° -11°的電磁波，電磁區(qū)域Q2對應(yīng)入射角度為12° -23°的電磁波，電磁區(qū)域Q4對應(yīng)入射角度為24° -35°的電磁波，依此類推。三、針對每一電磁區(qū)域的電磁波入射角度范圍信息設(shè)計(jì)每一電磁區(qū)域的人造微結(jié)構(gòu)形狀。由于每一電磁區(qū)域的電磁波入射角度范圍跨度較小，因此針對該電磁區(qū)域設(shè)計(jì)人造微結(jié)構(gòu)變得簡單。例如當(dāng)沒有劃分電磁區(qū)域時(shí)，則需要找出某種人造微結(jié)構(gòu)使得其對0° -88°入射角度范圍的電磁波均有電磁響應(yīng)，這樣顯然使得人造微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度大大增加，甚至是不可實(shí)現(xiàn)。在劃分電磁區(qū)域后，針對第一電磁區(qū)域Ql則僅需設(shè)計(jì)某種人造微結(jié)構(gòu)使得其滿足0° -11°具有電磁響應(yīng)，針對第二電磁區(qū)域Q2則僅需設(shè)計(jì)另外一種人造微結(jié)構(gòu)使得其滿足12° -23°具有電磁響應(yīng)，依此類推。此種設(shè)計(jì)方式降低了人造微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度并使得三維結(jié)構(gòu)超材料對超大入射角度范圍的電磁波均具有電磁響應(yīng)的需求具有實(shí)現(xiàn)的可能性。在本實(shí)施例中，每一電磁區(qū)域?qū)?yīng)一種人造微結(jié)構(gòu)拓?fù)湫螤?，每一電磁區(qū)域內(nèi)的人造微結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫螤钕嗤?，僅尺寸不同。不同尺寸的人造微結(jié)構(gòu)即可滿足該電磁區(qū)域的電磁響應(yīng)需求從而降低工藝難度。本實(shí)施例中，每一電磁區(qū)域?qū)?yīng)的人造微結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫螤羁蔀閳D8所示。圖7中，該幾何圖案具有相互垂直平分的第一主線Zl及第二主線Z2，第一主線Zl與第二主線Z2形狀尺寸相同，第一主線Zl兩端連接有兩個(gè)相同的第一直角折角線ZJl，第一主線Zl兩端連接在兩個(gè)第一直角折角線ZJl的拐角處，第二主線Z2兩端連接有兩個(gè)第二直角折角線ZJ2，第二主線Z2兩端連接在兩個(gè)第二直角折角線ZJ2的拐角處，第一直角折角線ZJl與第二直角折角線ZJ2形狀尺寸相同，第一直角折角線ZJ1、第二直角折角線ZJ2的兩個(gè)角邊分別平行于水平線，第一主線Z1、第二主線Z2為第一直角折角線ZJ1、第二直角折角線ZJ2的角平分線。該幾何圖案還可為其他形狀，例如開口圓環(huán)形、十字形、工字形、方片形、六邊形、六邊環(huán)形、十字孔形、十字環(huán)形、Y孔形、Y環(huán)形、圓孔形、圓環(huán)形等。四、分析三維結(jié)構(gòu)超材料仿真模型曲面的高斯曲率變化，按照高斯曲率將三維結(jié)構(gòu)超材料仿真模型劃分為多個(gè)幾何區(qū)域。
本實(shí)施例中幾何區(qū)域的劃分方式與實(shí)施例I相同。每一幾何區(qū)域內(nèi)的最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值一般小于100，也可為可小于80，小于50或小于30等。優(yōu)選地，每一幾何區(qū)域內(nèi)的最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值小于20。更優(yōu)選地，每一幾何區(qū)域內(nèi)的最大聞斯曲率與最小聞斯曲率的比值小于10。五、曲面展開。曲面展開的方式與實(shí)施例I相同。三、在柔性基板上排布人造微結(jié)構(gòu)并將柔性基板按照曲面展開后的平面尺寸剪切為多個(gè)柔性子基板。本實(shí)施例中，柔性基板上的人造微結(jié)構(gòu)的排布依照步驟三得到，因此柔性基板上各處的人造微結(jié)構(gòu)不全相同。當(dāng)柔性基板被剪切為多個(gè)柔性子基板時(shí)，若某一電磁區(qū)域恰 好覆蓋某一柔性子基板，則該柔性子基板上的人造微結(jié)構(gòu)形狀相同、尺寸不同；若某一電磁區(qū)域覆蓋多個(gè)柔性子基板，則每一柔性子基板上的人造微結(jié)構(gòu)形狀和尺寸都不全相同。圖9示出了某一柔性子基板上部分區(qū)域的人造微結(jié)構(gòu)排布示意圖。本實(shí)施例中，通過激光雕刻的方式將人造微結(jié)構(gòu)排布于柔性基板上。四、制備三維結(jié)構(gòu)超材料。將碳纖維布鋪覆于模具中，該模具根據(jù)三維結(jié)構(gòu)超材料仿真模型加工而成。在碳纖維布上均勻涂覆聚酯樹脂并重復(fù)鋪覆碳纖維布和聚酯樹脂而后將多層涂覆有聚酯樹脂的碳纖維布放入烘箱中在100°c溫度下固化10分鐘得到的成型基材。在該成型基材表面對應(yīng)區(qū)域貼附柔性子基板。在該成型基材表面對應(yīng)區(qū)域貼附柔性子基板。在柔性子基板上再次覆蓋成型基材。本實(shí)施例中,成型基材的厚度不同。在溫度為200°C條件下抽真空固化5小時(shí)后脫模得到三維結(jié)構(gòu)超材料。實(shí)施例3通過如下方式制備三維結(jié)構(gòu)超材料一、計(jì)算三維結(jié)構(gòu)超材料仿真模型各處的一種或多種電磁參數(shù)值。電磁參數(shù)可為電磁波入射角度、軸比值、相位值或電磁波電場入射角度等。選用何種電磁參數(shù)值由三維結(jié)構(gòu)超材料需實(shí)現(xiàn)功能決定。本實(shí)施例中，三維結(jié)構(gòu)超材料需實(shí)現(xiàn)極化轉(zhuǎn)換，即對不同電場入射角度的電磁波均能轉(zhuǎn)換為所需的極化方式也即電場出射角度。電場入射角度的確定方式與實(shí)施例2中電磁波入射角度的確定方式相似，不同點(diǎn)為將入射角度改為電場入射角度即可。二、根據(jù)電場入射角度值將三維結(jié)構(gòu)超材料劃分為多個(gè)電磁區(qū)域。本實(shí)施例中，每一電磁區(qū)域的電場入射角度的跨度范圍可不同。例如當(dāng)已知某種微結(jié)構(gòu)對0° -30°電場入射角度的電磁波均有較好的電磁響應(yīng)時(shí),則可將電場入射角度0° -30°劃分為一個(gè)電磁區(qū)域，其他電磁區(qū)域依然可按照電場入射角度10°跨度來劃分。三、針對每一電磁區(qū)域的電磁波電場入射角度范圍信息設(shè)計(jì)每一電磁區(qū)域的人造微結(jié)構(gòu)形狀。在本實(shí)施例中，人造微結(jié)構(gòu)需改變電場出射角度，因此不同的電磁區(qū)域的人造微結(jié)構(gòu)需使得該電磁區(qū)域能滿足對應(yīng)電磁區(qū)域的電場方向角度差。與實(shí)施例2相似，由于劃分了電磁區(qū)域，使得能單獨(dú)滿足一電磁區(qū)域電場方向角度差的人造微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)變得可行和簡單。四、在柔性基板上排布步驟三中設(shè)計(jì)好的人造微結(jié)構(gòu)。五、制備三維結(jié)構(gòu)超材料。將多片芳綸纖維增強(qiáng)氰酸酯預(yù)浸料層鋪于模具中形成一層成型基材，該模具根據(jù)三維結(jié)構(gòu)超材料仿真模型加工而成。將步驟四中制得的附著有人造微結(jié)構(gòu)的柔性基板開設(shè)孔或槽后貼附于成型基材表面。在柔性基板上再次層鋪片芳綸纖維增強(qiáng)氰酸酯預(yù)浸料并重復(fù)上述步驟直至得到具有多層成型基材和多層柔性基板的三維結(jié)構(gòu)超材料。合模后在溫度為300°C，真空度為2. OMPa條件下固化5小時(shí)后脫模得到三維結(jié)構(gòu)超材料。柔性基板開設(shè)孔或槽后，三維結(jié)構(gòu)超材料固化成型時(shí)，槽或孔之間填充的部分成型基材原料也固化成型使得相鄰成型基材緊密連接。此種方式結(jié)構(gòu)簡單且無需額外設(shè)置其 他結(jié)構(gòu)和工序，在成型基材成型時(shí)即可同時(shí)形成增大層間結(jié)合力的結(jié)構(gòu)。在上述各實(shí)施方式中，纖維主要用于增強(qiáng)制成的三維結(jié)構(gòu)超材料的機(jī)械強(qiáng)度，因此纖維并不限于實(shí)施例I至實(shí)施例3列舉的石英纖維、碳纖維和芳綸纖維，還可為玻璃纖維、聚乙烯纖維、聚酯纖維等。樹脂也不限于實(shí)施例I至實(shí)施例3列舉的環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂和氰酸酯，還可為各類熱固性樹脂，例如環(huán)氧類型、氰酸酯類型、雙馬來酰亞胺樹脂及它們的改性樹脂體系或混合體系，也可為各類熱塑性樹脂，例如聚酰亞胺、聚醚醚酮、聚醚酰亞胺、聚苯硫醚或聚酯等。人造微結(jié)構(gòu)材料可為金屬導(dǎo)電材料或非金屬導(dǎo)電材料，其中金屬導(dǎo)電材料可為金、銀、銅、鋁、鋅等或者各種金合金、鋁合金、鋅合金等，非金屬導(dǎo)電材料可為導(dǎo)電石墨、銦錫氧化物或摻鋁氧化鋅等。上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式
，上述的具體實(shí)施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種三維結(jié)構(gòu)超材料的制備方法，其特征在于，包括步驟 根據(jù)三維結(jié)構(gòu)超材料形狀制備成型基材； 將人造微結(jié)構(gòu)排布于柔性基板上； 將柔性基板貼附于成型基材上； 加熱固化成型。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備方法，其特征在于，所述三維結(jié)構(gòu)超材料包括至少兩層所述柔性基板和至少兩層所述成型基材。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備方法，其特征在于，所述三維結(jié)構(gòu)超材料至少包括三層成型基材和三層柔性基板，所述柔性基板設(shè)置于相鄰兩層成型基材之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的制備方法，其特征在于，所述成型基材與所述柔性基板間隔設(shè)置。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的制備方法，其特征在于，每一柔性基板緊貼設(shè)置，柔性功能層緊貼于成型基材的表面。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備方法，其特征在于，所述成型基材由多片樹脂和纖維構(gòu)成的預(yù)浸料層鋪而成。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備方法，其特征在于，所述成型基材為在纖維布上涂覆樹脂制成。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備方法，其特征在于，所述三維結(jié)構(gòu)超材料表面由至少兩個(gè)可展開為平面的幾何區(qū)域組成。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備方法，其特征在于，所述三維結(jié)構(gòu)超材料表面上可展開為平面的幾何區(qū)域內(nèi)最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值小于100。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備方法，其特征在于，所述三維結(jié)構(gòu)超材料表面上可展開為平面的幾何區(qū)域內(nèi)最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值小于80。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備方法，其特征在于，所述三維結(jié)構(gòu)超材料表面上可展開為平面的幾何區(qū)域內(nèi)最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值小于50。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備方法，其特征在于，所述三維結(jié)構(gòu)超材料表面上可展開為平面的幾何區(qū)域內(nèi)最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值小于20。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備方法，其特征在于，所述三維結(jié)構(gòu)超材料表面上可展開為平面的幾何區(qū)域內(nèi)最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值小于10。
14.根據(jù)權(quán)利要求8至13任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于，通過如下步驟將柔性基板貼附于成型基材表面將三維結(jié)構(gòu)超材料展開為多個(gè)平面，將柔性基板對應(yīng)該多個(gè)平面剪切成多個(gè)柔性子基板，將柔性子基板貼附于成型基材對應(yīng)表面區(qū)域。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的制備方法，其特征在于，不同柔性子基板上的人造微結(jié)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的制備方法，其特征在于，不同柔性子基板上的人造微結(jié)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同。
17.根據(jù)權(quán)利要求I或8所述的制備方法，其特征在于，通過如下步驟確定柔性基板上的人造微結(jié)構(gòu)排布計(jì)算三維結(jié)構(gòu)超材料各處的一種或多種電磁參數(shù)值；根據(jù)其中一種或多種電磁參數(shù)值將三維結(jié)構(gòu)超材料劃分為多個(gè)電磁區(qū)域；每一電磁區(qū)域?qū)?yīng)一種或多種電磁參數(shù)的一參數(shù)值范圍；設(shè)計(jì)每一電磁區(qū)域內(nèi)的人造微結(jié)構(gòu)使三維結(jié)構(gòu)超材料對應(yīng)該電磁區(qū)域的部分相對入射至該電磁區(qū)域的電磁波能產(chǎn)生預(yù)設(shè)的電磁響應(yīng)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的制備方法，其特 征在于，各個(gè)電磁區(qū)域?qū)?yīng)的電磁波參數(shù)值范圍的最大值與最小值的差值相等。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的制備方法，其特征在于，各個(gè)電磁區(qū)域?qū)?yīng)的電磁波參數(shù)值范圍的最大值與最小值的差值不等。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的制備方法，其特征在于，所述每一電磁區(qū)域位于一柔性子基板中，或每一電磁區(qū)域橫跨多個(gè)柔性子基板。
21.根據(jù)權(quán)利要求17所述的制備方法，其特征在于，所述電磁參數(shù)為電磁波入射角度、軸比值、相位值或電磁波電場入射角度。
22.根據(jù)權(quán)利要求17所述的制備方法，其特征在于，每一電磁區(qū)域內(nèi)的至少一層柔性功能層上的人造微結(jié)構(gòu)拓?fù)湫螤钕嗤?，尺寸不同?br> 23.根據(jù)權(quán)利要求17所述的制備方法，其特征在于，每一電磁區(qū)域內(nèi)的柔性功能層上的人造微結(jié)構(gòu)拓?fù)湫螤钕嗤?br> 24.根據(jù)權(quán)利要求17所述的制備方法，其特征在于，每一電磁區(qū)域內(nèi)的至少一層柔性功能層上的人造微結(jié)構(gòu)與其它柔性功能層的人造微結(jié)構(gòu)拓?fù)湫螤畈煌?br> 25.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備方法，其特征在于，還包括在柔性基板上開設(shè)孔或槽的步驟。
26.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備方法，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)為導(dǎo)電材料構(gòu)成的具有幾何圖案的結(jié)構(gòu)。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的制備方法，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)通過蝕刻、鉆刻、電子刻或離子刻排布于柔性基板上。
28.根據(jù)權(quán)利要求26所述的制備方法，其特征在于，所述導(dǎo)電材料為金屬或非金屬導(dǎo)電材料。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的制備方法，其特征在于，所述金屬為金、銀、銅、金合金、銀合金、銅合金、鋅合金或招合金。
30.根據(jù)權(quán)利要求28所述的制備方法，其特征在于，所述非金屬導(dǎo)電材料為導(dǎo)電石墨、銦錫氧化物或摻鋁氧化鋅。
31.根據(jù)權(quán)利要求28所述的制備方法，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)的幾何圖案為方片形、雪花形、工字形、六邊形、六邊環(huán)形、十字孔形、十字環(huán)形、Y孔形、Y環(huán)形、圓孔形或圓環(huán)形。
32.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備方法，其特征在于，所述柔性基板材料為聚酰亞胺、聚酯、聚四氟乙烯、聚氨酯、聚芳酯、PET膜、PE膜或PVC膜。
33.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的制備方法，其特征在于，所述纖維為玻璃纖維、石英纖維、芳綸纖維、聚乙烯纖維、碳纖維或聚酯纖維。
34.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的制備方法，其特征在于，所述樹脂為熱固性樹脂。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的制備方法，其特征在于，所述熱固性樹脂包括環(huán)氧類型、氰酸酯類型、雙馬來酰亞胺樹脂及它們的改性樹脂體系或混合體系。
36.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的制備方法，其特征在于，所述樹脂為熱塑性樹脂。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的制備方法，其特征在于，所述熱塑性樹脂包括聚酰亞胺、聚醚醚酮、聚醚酰亞胺、聚苯硫醚或聚酯。
全文摘要
本發(fā)明公開一種三維結(jié)構(gòu)超材料的制備方法，其包括根據(jù)三維結(jié)構(gòu)超材料形狀制備成型基材；將人造微結(jié)構(gòu)排布于柔性基板上；將柔性基板貼附于成型基材表面；加熱固化成型。本發(fā)明通過采用柔性基板和成型基材的方式制備三維結(jié)構(gòu)超材料，無需三維雕刻或蝕刻步驟，減少了工藝復(fù)雜度，加工成本低，工藝精度控制簡單，采用本發(fā)明制備方法得到的三維結(jié)構(gòu)超材料可以替代各種具有復(fù)雜曲面且需要有一定電磁調(diào)制功能的結(jié)構(gòu)件，也可以貼附于各種具有復(fù)雜曲面的結(jié)構(gòu)件上實(shí)現(xiàn)需要的電磁調(diào)制功能。而且通過曲面展開和電磁分區(qū)的方式使得三維結(jié)構(gòu)超材料具有較好的電磁響應(yīng)和較寬的應(yīng)用范圍。
文檔編號(hào)H01Q15/00GK102969573SQ20121047038
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月20日
發(fā)明者劉若鵬, 趙治亞, 金晶 申請人:深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司