一種吸波超材料的制作方法

專利名稱：一種吸波超材料的制作方法
技術領域：
本發明涉及超材料領域，更具體地說，涉及一種吸波超材料。
背景技術：
目前，隨著現代科學的發展，電磁輻射對環境的影響日益增大，尋找一種能抵擋并削弱電磁波輻射的材料——吸波材料，成為當今材料科學的一大課題。人類對吸波材料的研究始于二戰期間，西方國家為實現軍事領先，投入巨資研究吸波材料。而今，隨著電子產品的迅速發展，吸波材料的應用被深入到通信、抗干擾、環保及人體防護等諸多領域。電磁波吸波材料作為材料科學的分支，其應用的廣泛，很可能使之在世紀之交變為新產業，成為電子等各行業的基礎產業，也必將為重塑人類潔凈空間作出巨大貢獻。超材料(metamaterial)作為一種材料設計理念以及研究前沿,越來越引起人們的關注，所謂超材料，是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工復合結構或 復合材料。通過在材料的關鍵物理尺度上的結構有序設計，可突破某些表觀自然規律的限制，從而獲得超出自然界固有的普通的超常材料功能。迄今發展出的“超材料”包括“左手材料”、光子晶體、“超磁性材料”等，超材料性質往往不主要決定與構成材料的本征性質,而決定于其中的人工結構。超材料影響電磁波主要關注以下幾個方面的指標I)高性能。對電磁波的影響應具有較高的性能，接近所需要的影響狀態。2)低損耗。具有較高的能量影響效率，以實現節能降耗的目標。3)尺寸小。不占用過多空間。此外，對電磁波的影響應易于實現，設計不應太復雜，器件成本不應過高。超材料由介質基材和設置上基材上的多個人為結構組成，可以提供各種普通材料具有和不具有的材料特性。單個人為結構大小一般小于1/10個波長，其對外加電場和/或磁場具有電響應和/或磁響應，從而具有表現出等效介電常數和/或等效磁導率，或者等效折射率和波阻抗。人為的結構的等效介電常數和等效磁導率(或等效折射率和波阻抗)由單元幾何尺寸參數決定，可人為設計和控制。并且，人為結構可以具有人為設計的各向異性的電磁參數，從而產生許多新奇的現象，為實現電磁波的影響提供了可能。

發明內容
本發明要解決的技術問題在于，提供一種體積小、簡單、易于實現以及成本低的對電磁波進行影響的一種吸波超材料。本發明解決其技術問題所采用的第一技術方案是一種吸波超材料，包括基材以及多個小孔，所述基材分成若干晶格，所述小孔置于所述晶格中形成一個單元，所述小孔中填充有損耗電磁波的材質。在本發明所述的吸波超材料中，所述超材料由多個片狀基板堆疊形成，每個片狀基板均由基材以及多個小孔組成，所有的小孔在基材上形成周期陣列。
在本發明所述的吸波超材料中，所述小孔在所述的基材上呈周期性均勻分布。在本發明所述的吸波超材料中，電磁波由第一介質通過所述的超材料進入第二介質時，在基材選定的情況下，改變小孔的圖案、設計尺寸和/或小孔在空間中的排列通過仿真而獲得所述單元的等效介電常數e與等效磁導率U數值，以滿足阻抗匹配要求。在本發明所述的吸波超材料中，所述第一介質及第二介質均為空氣。在本發明所述的吸波超材料中，所述小孔中損耗電磁波的材質為電介質材料、磁介質材料、電阻材料。在本發明所述的吸波超材料中，所述電介質材料為鈦酸鋇瓷、鐵電陶瓷。在本發明所述的吸波超材料中，所述磁介質材料為鐵氧體材料、羰基鐵。在本發明所述的吸波超材料中，所述電阻材料為炭黑、碳化硅。 在本發明所述的吸波超材料中，所述的小孔形狀為圓柱型、圓錐型、橢圓型。在本發明所述的吸波超材料中，所述小孔通過打孔、蝕刻、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻的方法在基材上形成。在本發明所述的吸波超材料中，所述基材由陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料制得。實施本發明的吸收電磁波的超材料，具有以下有益效果I.體積小，不占用過多的空間；2.簡單、易于實現、低成本，通過超材料對電磁波加以影響，不依賴設備的種類及形狀。


圖I是本發明實施例一種吸波超材料結構方框圖；圖2為圖I的另一個視角。
具體實施例方式為詳細說明本發明的技術內容、構造特征、所實現目的及效果，以下結合實施方式并配合附圖詳予說明。“超材料"是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工復合結構或復合材料。通過在材料的關鍵物理尺度上的結構有序設計，可以突破某些表觀自然規律的限制，從而獲得超出自然界固有的普通性質的超常材料功能。 “超材料"重要的三個重要特征(I) “超材料"通常是具有新奇人工結構的復合材料；(2) “超材料"具有超常的物理性質(往往是自然界的材料中所不具備的)；(3) “超材料"性質往往不主要決定與構成材料的本征性質，而決定于其中的人工結構。請參閱圖I及圖2，在本發明實例中，一種吸波超材料30，包括基材10以及多個小孔20，小孔20中填充有損耗電磁波的材質，基材10及多個小孔20組成一個超材料片狀基板，圖I為本發明實施例吸波超材料的結構示意圖，其實際上是多個超材料片狀基板沿與水平面垂直的方向層疊而成，圖2為一個超材料片狀基板的正視圖。基材10分成多個晶格，“晶格”的概念來自固體物理，這里的“晶格”是指在超材料30中每個小孔20所占用的尺寸。“晶格”尺寸取決于小孔20需要響應的電磁波頻率，通常小孔20的尺寸為所需響應的電磁波波長的十分之一。在本實施例中，所有的小孔20在基材10上形成周期陣列，優選地，小孔20在基材10上呈周期性均勻分布。在本實施例中，電磁波由第一介質通過超材料30進入第二介質時，在基材10選定的情況下，改變小孔20的形狀、設計尺寸和/或小孔20在空間中的排列通過仿真而獲得所述單元的等效介電常數e與等效磁導率U數值，以滿足阻抗匹配要求，第一介質與第二介質均可為空氣，實際應用中，也可為其它的介 質，如液態的物質水、油等，也可為固態的物質，如玻璃以及塑料等。由公知常識，我們可知波比全稱為電壓駐波比,又名VSWR和SWR，為英文VoltageStanding Wave Ratio的簡寫,在無線電通信中，天線與饋線的阻抗不匹配或天線與發信機的阻抗不匹配，高頻能量就會產生反射折回，并與前進的部分干擾匯合發生駐波。為了表征和測量天線系統中的駐波特性，也就是天線中正向波與反射波的情況，有以下的公式SWR=R/r = (1+K)/(I-K);反射系數K= (R-r)/(R+r) (K為負值時表明相位相反)，式中R和r分別是輸出阻抗和輸入阻抗。當兩個阻抗數值一樣時，即達到完全匹配，反射系數K等于0，駐波比為I。這是一種理想的狀況，實際上總存在反射，所以駐波比總是大于I的。由于駐波比是行波系數的倒數，其值在I到無窮大之間。駐波比為1，表示完全匹配；駐波比為無窮大表示全反射，完全失配。在移動通信系統中，一般要求駐波比小于I. 5，但實際應用中VSWR應小于I. 2。過大的駐波比會減小基站的覆蓋并造成系統內干擾加大，影響基站的服務性能。在本發明中，利用超材料30自身的電磁參數的可變性，調節介電常數和磁導率，從而調節超材料30之特性阻抗，實現電磁波從第一介質進入超材料30后阻抗達到的阻抗匹配，將反射降到最低，駐波比為1，實現基本無反射。因為超材料30的電磁參數可以人為控制，所以可以適用于實現阻抗匹配，達到寬頻帶的要求。在本實施例中，小孔20中損耗電磁波30的材質為電介質材料、磁介質材料或電阻材料。在本實施例中，電介質材料為鈦酸鋇瓷或鐵電陶瓷。在本實施例中，磁介質材料為鐵氧體材料或羰基鐵。在本實施例中，電阻材料為炭黑或碳化硅。小孔20中的材質用某些技術文獻曾提到的有序介孔碳和二氧化硅復合陶瓷材料亦可。在本實施例中，小孔20形狀為立方形、圓柱型、圓錐型或橢圓型。在本實施例中，小孔20通過小孔通過打孔、高溫燒結、沖壓或注塑的方法在基材10上形成。在本實施例中，所述基材10由陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料制得。優選地，聚四氟乙烯的電絕緣性非常好，因此不會對電磁波的電場產生干擾，并且具有優良的化學穩定性、耐腐蝕性、使用壽命長，作為小孔20附著的基材10是很好的選擇。
其中，若干小孔20附在介質基板10上，根據要接收的電磁波的波長\，可將基材20分成若干晶格，其長度和寬度不能超過波長\的1/10，將若干小孔20置于晶格中。若干人工小孔20通過可由人工仿真技術實現，即可由人工對具有特定電磁特性的小孔進行設計。電磁波的折射率跟物質的介電常數e和磁導率U的乘積反應有關系，當一束電磁波由一種介質傳播到另外一種介質時，電磁波會發生折射，而且折射率越大的位置偏折角度越大，當物質內部的折射率分布非均勻時，電磁波就會向折射率比較大的位置偏折，通過改變折射率在材料中的分布，可以改變電磁波的傳播路徑。超材料可以對電場或者磁場，或者兩者同時進行相應。對電場的響應取決于超材料的介電常數e，而對磁場的響應取決于超材料的磁導率U。通過對超材料空間中每一點的介電常數e與磁導率U的精確控制，我們可以實現通過超材料對電磁波的影響。超材料的電磁參數在空間中的均勻或者非均勻的分布是超材料的重要特征之一。電磁參數在空間中的均勻分布為非均勻分布的一種特殊形式，但其具體特性，仍然是由空·間中排列的各個單元結構的特性所決定。因此，通過設計空間中排列的每個結構的特性，就可以設計出整個新型超材料在空間中每一點的電磁特性。這種電磁材料系統將會具有眾多奇異特性，對電磁波的傳播可以起到特殊的引導作用。小孔與基板的等效介電常數e與等效磁導率U的選擇方法為第一步，通過計算機仿真和實驗測試，對若干不同幾何參數的單元結構(包括小孔以及介質基板)在一定范圍內的電磁特性進行測量，存儲測量得到的電磁響應曲線，確定各種不同的單元結構之介電常數以及磁導率并存在于一個數據庫中；第二步，根據需要的影響電磁波的效果確定相應的介電常數以及磁導率，存在一個數據庫中。第三步，根據上述的介電常數以及磁導率從數據庫中選擇超材料相應點的單元結構。本領域的技術人員應該想到，上述的方法是用軟件程序的方法實現的，該軟件程序可以存在于硬盤、軟盤、U盤以及光盤中。本發明中，對小孔20的具體形狀沒有要求，因為只要其符合我們最終的阻抗匹配效果，即可行。一般情況下，小孔在空間中呈周期陣列，優選地，所有的小孔在空間中呈均勻性的周期陣列。鑒于此，小孔20在超材料上的組合是無限的。可以是小孔的圖形狀相同，但是其設計尺寸不同；也可以是形狀和設計尺寸均不相同。這個根據具體需要會有所不同，都是計算機仿真后的結果，也就是說整個超材料中小孔的形狀、設計尺寸及空間排布都是通過計算機逆向得到的，因為整個超材料中小孔的數量龐大，因此如果正向設計，是根本無法實現的。本發明利用小孔的有序排列，通過對基材10以及小孔20的等效介電常數e以及等效磁導率U的乘積非均勻分布(一般要求折射率先從小變大，后又從大變小)，從而達到阻抗匹配的目的，使電磁波一邊傳播一邊吸收。實施本發明的吸收電磁波的超材料，具有以下有益效果I.體積小，不占用過多的空間；2.簡單、易于實現、低成本，通過超材料對電磁波加以吸收，不依賴電磁波設備的種類及形狀；
上面結合附圖對本發明的實施例進行了描述，但是本發明并不局限于上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發明的保護之內。
權利要求
1.一種吸波超材料，其特征在于，包括基材以及多個小孔，所述基材分成多個晶格，所述小孔置于所述晶格中形成一個單元，所述小孔中填充有損耗電磁波的材質。
2.如權利要求I所述的吸波超材料，其特征在于，所述超材料由多個片狀基板堆疊形成，每個片狀基板均由基材以及多個小孔組成，所有的小孔在基材上形成周期陣列。
3.如權利要求2所述的吸波超材料，其特征在于，所述小孔在所述的基材上呈周期性均勻分布。
4.如權利要求I所述的吸波超材料，其特征在于，電磁波由第一介質通過所述的超材料進入第二介質時，在基材選定的情況下，改變小孔的形狀、設計尺寸和/或小孔在空間中的排列通過仿真而獲得所述單元的等效介電常數e與等效磁導率U數值，以滿足阻抗匹配要求。
5.如權利要求4所述的吸波超材料，其特征在于，所述第一介質及第二介質均為空氣。
6.如權利要求I所述的吸波超材料，其特征在于，所述小孔中損耗電磁波的材質為電介質材料、磁介質材料、電阻材料。
7.如權利要求6所述的吸波超材料，其特征在于，所述電介質材料為鈦酸鋇瓷或鐵電陶瓷。
8.如權利要求6所述的吸波超材料，其特征在于，所述磁介質材料為鐵氧體材料或羰基鐵。
9.如權利要求6所述的吸波超材料，其特征在于，所述電阻材料為炭黑或碳化硅。
10.如權利要求I所述的吸波超材料，其特征在于，所述的小孔形狀為立方形、圓柱型、圓錐型或橢圓型。
11.如權利要求10所述的吸波超材料，其特征在于，所述小孔打孔、高溫燒結、沖壓或注塑的方法在基材上形成。
12.如權利要求I所述的吸波超材料，其特征在于，所述基材由陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料制得。
全文摘要
本發明公開了一種吸波超材料，包括基材以及多個小孔，所述基材分成多個晶格，所述小孔置于所述晶格中形成一個單元，所述小孔中填充有損耗電磁波的材質。本發明提供的一種吸波超材料體積小、簡單、易于實現、成本低、具有廣泛的應用前景。
文檔編號H05K9/00GK102770009SQ20111011392
公開日2012年11月7日 申請日期2011年5月4日 優先權日2011年5月4日
發明者劉若鵬, 季春霖, 岳玉濤, 徐冠雄 申請人:深圳光啟創新技術有限公司, 深圳光啟高等理工研究院