一種大尺寸超材料的制備方法及超材料與流程

本發明涉及超材料技術領域，尤其涉及一種大尺寸超材料的制備方法及超材料。

背景技術：
光，作為電磁波的一種，其在穿過玻璃的時候，因為光線的波長遠大于原子的尺寸，因此我們可以用玻璃的整體參數，例如折射率，而不是組成玻璃的原子的細節參數來描述玻璃對光線的響應。相應的，在研究材料對其他電磁波響應的時候，材料中任何尺度遠小于電磁波波長的結構對電磁波的響應也可以用材料的整體參數，例如介電常數ε和磁導率μ來描述。通過設計材料每點的結構使得材料各點的介電常數和磁導率都相同或者不同從而使得材料整體的介電常數和磁導率呈一定規律排布，規律排布的磁導率和介電常數即可使得材料對電磁波具有宏觀上的響應，例如匯聚電磁波、發散電磁波等。該類具有規律排布的磁導率和介電常數的材料稱之為超材料。如圖1所示，圖1為構成超材料的基本單元的立體結構示意圖。超材料的基本單元包括人造微結構2以及該人造微結構附著的基材1。人造微結構為人造金屬微結構，人造金屬微結構具有能對入射電磁波電場和/或磁場產生響應的平面或立體拓撲結構，改變每個超材料基本單元上的人造金屬微結構的圖案和/或尺寸即可改變每個超材料基本單元對入射電磁波的響應。優選地，人造微結構2上還覆蓋有覆蓋層3，覆蓋層3、人造微結構2以及基材1構成超材料的基本單元。多個超材料基本單元按一定規律排列即可使得超材料對電磁波具有宏觀的響應。由于超材料整體需對入射電磁波有宏觀電磁響應因此各個超材料基本單元對入射電磁波的響應需形成連續響應，這要求每一超材料基本單元的尺寸小于入射電磁波波長的五分之一，優選為入射電磁波波長的十分之一。本段描述中，我們人為的將超材料整體劃分為多個超材料基本單元，但應知此種劃分方法僅為描述方便，不應看成超材料由多個超材料基本單元拼接或組裝而成，實際應用中超材料是將人造金屬微結構周期排布于基材上即可構成，工藝簡單且成本低廉。周期排布即指上述人為劃分的各個超材料基本單元上的人造金屬微結構能對入射電磁波產生連續的電磁響應。現有的超材料的制備方法是通過在剛性PCB或PS板上周期排布人造金屬微結構，而現有的PCB板尺寸最大一般為560mm*1200mm。PCB板的加工尺寸主要受限于現有的PCB加工設備的尺寸限制。現有的應用于PCB加工的設備的加工尺寸一般為：水平線加工尺寸為24英寸(609.6mm)寬，長度不限；貼膜機加工尺寸為24英寸(609.6mm)寬，長度不限；自動曝光機加工尺寸為24英寸*30英寸(609.6mm*762mm)；手動曝光機加工尺寸為600mm*1200mm。當需要制備大尺寸的超材料時，需要定制設備，加大了設備成本和維護成本。

技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題在于，針對現有技術的上述不足，提出一種能加工大尺寸超材料的制備方法。其主要利用超材料為平板狀的特性，將大尺寸超材料分割為小尺寸超材料，再通過拼板、壓合等方式得到所需尺寸的超材料板。本發明解決其技術問題采用的技術方案是，提出一種大尺寸超材料的制備方法，其包括括步驟：S1：將周期排布于大尺寸超材料上的人造金屬微結構所構成的拓撲圖形劃分為多個尺寸小于500*600毫米的子圖形；S2：根據拆分后的子圖形制備具有人造金屬微結構的子超材料板；S3：將子超材料板拼板，拼板后的子超材料構成大尺寸超材料；在子超材料上下表面覆蓋粘結材料同時在粘結材料另一表面分別覆蓋封裝材料，封裝材料、粘結材料以及子超材料構成預疊超材料；S4：將預疊超材料壓合。進一步地，步驟S2包括如下步驟：S21：利用粘結劑并通過熱壓的方式將金屬箔固定于基材上；S22：將金屬箔去除不需要的部分后，在基材上形成周期排布的人造金屬微結構。進一步地，步驟S21中，所述粘結劑為熱熔膠，熱壓溫度為60至120℃，熱壓壓力為5至35kg/cm2，熱壓時間為15至80分鐘。進一步地，步驟S21中，所述粘結劑為環氧基粘結劑或丙烯酸基粘結劑，熱壓溫度為200至280℃，熱壓壓力為30至40kg/cm2，熱壓時間為60至120分鐘。進一步地，通過蝕刻方式將金屬箔去除不需要的部分，所述蝕刻方式包括步驟：預貼干膜、曝光、顯影、蝕刻、酸洗以及退膜。進一步地，步驟S3中還包括在所述子超材料上形成多個第一定位孔，所述封裝材料上對應于所述多個第一定位孔設置有多個第二定位孔。進一步地，步驟S4中，采用真空熱壓機壓合所述預疊超材料，所述真空熱壓機壓合多塊預疊超材料。進一步地，所述各塊預疊超材料上下表面貼附有牛皮紙，所述牛皮紙另一表面設置有鋼板。進一步地，所述鋼板厚度為1.0-2.0毫米，所述牛皮紙厚底為0.1-0.3毫米。本發明還提供一種由上述的制備方法制備的超材料，所述超材料尺寸大于500*600毫米。本發明通過將大尺寸超材料劃分多個小尺寸子超材料，從而無需額外購買大型加工設備，節約了生產工藝和生產成本。附圖說明圖1為構成超材料的基本單元的結構示意圖；圖2為構成吸收電磁波超材料的基本單元上附著的人造金屬微結構的拓撲結構示意圖；圖3為圖2所示人造金屬微結構拓撲結構的拆分示意圖；圖4為超材料天線的結構示意圖；圖5為超材料天線中人造金屬微結構的基本拓撲圖案；圖6為圖5所示拓撲圖案的一種衍生結構；圖7為圖5所示拓撲圖案的一種變形結構；圖8為平面雪花狀的金屬微結構的拓撲形狀演變的第一階段；圖9為平面雪花狀的金屬微結構的拓撲形狀演變的第二階段；圖10為本發明大尺寸超材料的制備方法的工藝流程圖；圖11為預疊超材料的結構示意圖；圖12為壓合多塊預疊超材料時的結構示意圖。具體實施方式利用超材料能調制電磁波的原理，可以設計各種類型的超材料。根據超材料內部折射率分布是否均勻可將超材料分為功能超材料和超材料天線兩大類。功能超材料是指超材料內部折射率分布均勻，具體地，即構成功能超材料的基本單元上所有的金屬微結構的拓撲圖案和尺寸均相同。根據拓撲圖案和尺寸的不同，導致功能超材料具有不同的功能。例如吸收電磁波、電磁波透明、高介電常數超材料、高磁導率超材料、負磁導率超材料等。下面以吸收電磁波超材料說明此類功能超材料設計原理，其他功能超材料可依據該原理通過計算機仿真設計得到。如圖2所示，圖2為構成吸收電磁波超材料的基本單元上附著的人造金屬微結構的拓撲結構示意圖。該人造金屬微結構30包括第一金屬分支301，該第一金屬分支301成一邊具有缺口3011的四邊形狀；一端設于缺口3011相對的四邊形邊上并向缺口3011延伸且突出缺口3011的第二金屬分支302；垂直于第二金屬分支302另一端的第三金屬分支303。優選地，人造金屬微結構30以第二金屬分支302為對稱軸成左右對稱結構。其對入射電磁波響應的原理為：相對的金屬分支等效為電容元件從而調整超材料的相對介電常數ε，環形金屬分支上感生的電流根據右手螺旋定則感生磁場從而調整超材料的相對磁導率μ。具體到本實施例可表現為，如圖3所示，人造金屬微結構30拆分為呈“工”字形的第一部分30’以及成一邊缺口的四邊形狀的第二部分30”。根據公式ε＝CS/4πkd可知，其中ε為超材料相對介電常數、S為第三金屬分支303面積、d為第二金屬分支302長度、k為常數、C為等效電容量，超材料的相對介電常數ε可通過調整第三金屬分支303的面積S與第二金屬分支302的間距長度來調整；成一邊缺口的四邊形狀的第二部分30”上形成環形電流，根據右手螺旋定則，環形電流產生磁場從而影響超材料的相對磁導率μ。分別調節人造金屬微結構各金屬分支的尺寸即可調節人造金屬微結構對入射電場和入射磁場的響應從而調節超材料整體的相對介電常數ε和相對磁導率μ，使得超材料達到吸收電磁波的效果。超材料天線是利用超材料原理調制電磁波，使得超材料能接收遠處傳來的微弱信號，并將該信號匯聚到饋源中，或者將饋源輻射的電磁波經過超材料調制后以平面波的方式輻射出去。根據電磁波原理，超材料天線內部的折射率分布必然不均勻，又由于超材料天線呈平板狀，如圖4所示，超材料天線300包括基材3003，周期排布于基材3003上的多個拓撲結構和/或尺寸不全相同的多個人造金屬微結構3002，覆蓋于人造金屬微結構3002上的覆蓋層3001。超材料天線折射率符合一定規律排布n(x，y)。xy平面指平板超材料所在平面。為獲得超材料天線的折射率排布n(x，y)，可先確定一人造金屬微結構的基本拓撲形狀，而后通過將該拓撲形狀按比例縮小或放大以得到所需折射率分布，也可通過由一基本點逐漸演變至人造金屬微結構基本拓撲形狀以得到所需折射率分布。下面介紹由基本點逐漸演變至人造金屬微結構基本拓撲形狀以得到所需折射率分布的方式。如圖5所示，其為本發明一實施例中的人造微結構的拓撲圖案。該人造微結構拓撲結構為呈各向同性的平面雪花型。各向同性是指沿微結構中心點將微結構在微結構所在平面上，按任意方向旋轉90°后得到的新圖案都與原圖案重合。采用各向同性的微結構能簡化設計，其對垂直微結構所在平面入射的各個方向的電磁波均具有相同的電磁響應，具有很好的一致性。平面雪花型的微結構具有相互垂直平分的第一金屬線J1及第二金屬線J2，所述第一金屬線J1與第二金屬線J2的長度相同，所述第一金屬線J1兩端連接有相同長度的兩個第一金屬分支F1，所述...