三維結構超材料的制作方法

專利名稱：三維結構超材料的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種超材料，尤其涉及一種三維結構超材料。
背景技術：
超材料是近十年來發展起來的對電磁波起調制作用的一種新型人工材料，基本原理是人為設計材料的微結構(或稱人造“原子”)，讓這樣的微結構具有特定的電磁特性，從而由海量數目的微結構組成的材料宏觀上可具有人們所需要的電磁功能。與傳統材料技術根據自然界中已有材料的天然性質來開發電磁利用途徑的傳統材料技術不同，超材料技術是根據需要來人為設計材料的性質并制造材料。超材料一般是由一定數量的人造微結構附在具有一定力學、電磁學的基板上，這些具有特定圖案和材質的微結構會對經過其身的特定頻段的電磁波產生調制作用。現有的超材料，例如公開號為“US7570432B1 ”的美國專利“METAMATERIALGRADIENT INDEX LENS”，又如公開號為 “US2010/0225562A1 ”的美國專利 “BROADBANDMETAMATERIALAPPARTUS, METHODS, SYSTEMS, AND COMPUTER READABLE MEDIA”，其都是通過將微結構附著于平板的基材上形成。平板狀的超材料雖然帶來了體積小、厚度薄的優點，但是又限制了超材料的應用范圍。當超材料需制成曲面時，曲面的微結構加工工藝難度較大且精確度不高，例如現有的申請號為“EP0575848A2”的歐洲專利，其公開了一種在三維曲面加工金屬微結構的方法，具體實現方式為采用激光探頭曝光成像的方式一個一個地逐一蝕刻出微結構。此種方式加工成本和工藝精度控制成本均較高。

發明內容
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，提出一種加工工藝簡單、電磁響應效果優良的三維結構超材料。本發明解決其技術問題采用的技術方案為，提出一種三維結構超材料，其包括至少一層成型基材、至少一層柔性功能層，所述柔性功能層設置于成型基材表面或者設置于多層成型基材之間；所述每層柔性功能層包括由至少一個柔性子基板構成的柔性基板以及設置于每個柔性子基板上的多個能響應電磁波的人造微結構；所述三維結構超材料具有電磁波調制功能。進一步地，所述三維結構超材料包括至少兩層所述柔性功能層和至少兩層所述成型基材。進一步地，所述三維結構超材料包括至少三層所述柔性功能層和至少三層所述成型基材。進一步地，所述成型基材與所述柔性功能層間隔設置。進一步地，每一柔性基板緊貼設置，柔性功能層緊貼于成型基材的表面。進一步地，所述柔性基板是熱塑性材料或加入柔性纖維的熱塑性復合材料。
進一步地，所述柔性基板的材料為聚酰亞胺、聚酯、聚四氟乙烯、聚氨酯、聚芳酯、PET膜、PE膜或PVC膜。進一步地，所述三維結構超材料可實現對電磁波進行透波、吸波、波束賦形、極化轉化或方向圖調制的電磁波調制功能。進一步地，所述三維結構超材料可實現對電磁波進行頻選透波、頻選吸波、寬頻透波或寬頻吸波。進一步地，所述三維結構超材料可實現對電磁波進行垂直極化轉水平極化、水平極化轉垂直極化、水平極化轉圓極化或圓極化轉水平極化。·進一步地，所述三維結構超材料可實現對電磁波進行波束發散、波束匯聚或波束偏折。進一步地，所述三維結構超材料表面由至少兩個可展開為平面的幾何區域組成。進一步地，所述三維結構超材料表面上可展開為平面的幾何區域內最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值小于100。進一步地，所述三維結構超材料表面上可展開為平面的幾何區域內最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值小于80。進一步地，所述三維結構超材料表面上可展開為平面的幾何區域內最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值小于50。進一步地，所述三維結構超材料表面上可展開為平面的幾何區域內最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值小于20。進一步地，所述三維結構超材料表面上可展開為平面的幾何區域內最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值小于10。進一步地，所述柔性功能層包括多個柔性子基板，一個柔性子基板對應所述三維結構超材料表面展開后的一個平面。進一步地，不同柔性子基板上的人造微結構的拓撲結構相同。進一步地，不同柔性子基板上的人造微結構的拓撲結構不同。進一步地，所述三維結構超材料包括多個電磁區域，入射至每一電磁區域內的電磁波具有一種或多種電磁參數范圍；每一電磁區域內的人造微結構對入射至該電磁區域的電磁波產生預設的電磁響應。進一步地，入射至每一電磁區域內的電磁波的一種或多種電磁參數的最大值與最小值的差值相等。進一步地，入射至每一電磁區域內的電磁波的一種或多種電磁參數的最大值與最小值的差值不等。進一步地，所述每一電磁區域位于一柔性子基板中，或者每一電磁區域橫跨多個柔性子基板。進一步地,所述電磁參數范圍為入射角度范圍、軸比值范圍、相位值范圍或電磁波電場入射角度范圍。進一步地，每一電磁區域內的至少一層柔性功能層上的人造微結構拓撲形狀相同，尺寸不同。進一步地，每一電磁區域內的柔性功能層上的人造微結構拓撲形狀相同。
進一步地，每一電磁區域內的至少一層柔性功能層上的人造微結構與其它柔性功能層的人造微結構拓撲形狀不同。進一步地，所述柔性基板上還設置有用于增強其與相鄰成型基材層間結合力的結構。進一步地，所述結構為開設于柔性基板上的孔或槽。進一步地，所述人造微結構為導電材料構成的具有幾何圖案的結構。進一步地，所述導電材料為金屬或非金屬導電材料。進一步地,所述金屬為金、銀、銅、金合金、銀合金、銅合金、鋅合金或招合金。進一步地，所述非金屬導電材料為導電石墨、銦錫氧化物或摻鋁氧化鋅。進一步地，所述人造微結構的幾何圖案為方片形、雪花形、工字形、六邊形、六邊環形、十字孔形、十字環形、Y孔形、Y環形、圓孔形或圓環形。進一步地，所述每層成型基材的厚度相等。進一步地，所述每層成型基材的厚度不相等。進一步地，所述成型基材的材料為纖維增強樹脂復合材料或纖維增強陶瓷基復合材料。進一步地，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。進一步地，所述纖維增強樹脂復合材料中的樹脂為熱固性樹脂。進一步地，所述熱固性樹脂包括環氧類型、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。進一步地，所述纖維增強樹脂復合材料中的樹脂為熱塑性樹脂。進一步地，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。進一步地,所述陶瓷包括氧化招、氧化娃、氧化鋇、氧化鐵、氧化鎂、氧化鋅、氧化鈣、氧化鍶、氧化鈦或上述材料的混合物。本發明還提供一種天線罩，所述天線罩為上述的三維結構超材料。本發明還提供一種吸波材料，其包括上述的三維結構超材料。本發明還提供一種濾波器，其包括上述的三維結構超材料。本發明還提供一種天線，其包括上述的三維結構超材料。本發明還提供一種極化器，其包括上述的三維結構超材料。根據本發明的三維結構超材料，其制備工藝簡單，加工成本低、工藝精度控制簡單，可以替代各種具有復雜曲面且需要有一定電磁調制功能的結構件，也可以貼附于各種具有復雜曲面的結構件上實現需要的電磁調制功能。而且通過曲面展開和電磁分區的方式使得三維結構超材料具有較好的電磁響應和較寬的應用范圍。


圖I為本發明三維結構超材料一較佳實施方式中的部分剖視示意圖；圖2為一較佳實施方式中三維結構超材料的立體結構示意圖；圖3為圖2中的三維結構超材料依照高斯曲率展開后的平面示意圖4為電磁波入射至三維結構超材料表面某點P的入射角度示意圖；圖5為三維結構超材料表面按照入射角度范圍劃分為多個電磁區域的結構示意圖；圖6為十字雪花型人造微結構示意圖；圖7為人造微結構另一幾何圖形不意圖；圖8為某一柔性子基板上部分區域的人造微結構排布示意圖；圖9為本發明三維結構超材料另一較佳實施方式中的部分剖視示意圖。
具體實施例方式請參照圖1，圖I為本發明三維結構超材料一較佳實施方式中的部分剖視示意圖。圖I中，三維結構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柔性子基板210構成的柔性基板21以及設置于每個柔性子基板210上的多個能響應電磁波的人造微結構22 ;所述三維結構超材料具有電磁波調制功能。在本發明一實施例中，三維結構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。一優選實施例中，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使得三維結構超材料的機械性能更強，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，通過優化相鄰柔性功能層20之間的距離可以優化整個三維結構超材料對電磁波的響應。相鄰柔性功能層20之間的距離即為成型基材10的厚度，因此可根據需要調整每一成型基材10的厚度，即成型基材10厚度可相同也可不同。如圖I所示，當三維結構超材料包括多個柔性功能層20時，柔性功能層20與成型基材10間隔設置。在本發明另一實施例中，如圖9所示，當三維結構超材料二層成型基材10之間包括多層柔性功能層20時，每一柔性功能層20緊貼設置，而緊貼的柔性功能層再設置于成型基材10的表面。三維結構超材料可通過如下方式制備制備未固化的成型基材10，將柔性基板貼附于未固化的成型基材10上，而后一體固化成型。成型基材10的材料可為多層纖維增強樹脂復合材料或纖維增強陶瓷基復合材料。未固化的成型基材10可為在模具上層鋪的多層石英纖維增強環氧樹脂預浸布，也可通過在模具上鋪覆碳纖維布而后在碳纖維布上均勻涂覆聚酯樹脂并重復上述過程形成。上述增強纖維并不限于已列舉的石英纖維和碳纖維，還可為玻璃纖維、芳綸纖維、聚乙烯纖維、聚酯纖維等；上述樹脂不限于已列舉的環氧樹脂和聚酯樹脂，還可為其他熱固性樹脂或熱塑性樹脂，例如可為氰酸酯類樹脂、雙馬來酰亞胺樹脂以及它們的改性樹脂或混合體系，還可為聚酰亞胺、聚醚醚銅、聚醚醚亞胺、聚苯硫醚或聚酯等；上述陶瓷包括氧化鋁、氧化硅、氧化鋇、氧化鐵、氧化鎂、氧化鋅、氧化鈣、氧化鍶、氧化鈦等成分及其混合物。柔性基板可為熱塑性材料或加入柔性纖維的熱塑性復合材料，優選地，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 (Polyethyleneterephthalate)膜、PE (Polyethylene)膜或 PVC (polyvinyl chloride)膜等。柔性纖維可為聚酯纖維、聚乙烯纖維等。優選地，所述柔性功能層20的柔性基板21上設置用于增強柔性基板與相鄰成型基材10層間結合力的結構。該結構可為鉤狀結構或扣狀結構等，其中優選為開設于柔性基板21上的一個或多個的槽或孔。在柔性基材21上開設槽或孔后，在制備三維結構超材料時，相鄰的成型基材10的部分原料填充于槽或孔中，成型基材10固化時，槽或孔之間的原料也固化使得相鄰成型基材10緊密連接。此種方式結構簡單且無需額外設置其他結構和工序，在成型基材10成型時即可同時形成該增大層間結合力的結構。當三維結構超材料表面較復雜時，若僅采用一個柔性子基板210并將其貼附于成型基材10上時，該柔性基板210在部分區域會形成皺褶，該皺褶既會使得柔性子基板210貼合不夠緊密同時還會影響設置在柔性子基板210上的人造微結構對電磁波的響應。圖2示出了一較佳實施方式中三維結構超材料的立體結構示意圖。該三維結構超材料表面各處的高斯曲率相差較大，不能展開為一個平面，即當制備三維結構超材料時，若僅采用一個柔性子基板則會出現上述的皺褶現象。 為解決上述問題，本實施例在設計時將三維結構超材料表面劃分為多個幾何區域，每一幾何區域可展開為一個平面，每一平面可對應一個柔性子基板210。在制備時，將每一平面對應的柔性子基板210相應地貼附于成型基材表面區域。三維結構超材料固化成型時，每一柔性子基板210既能緊密貼附于成型基材表面又不會產生皺褶，同時所有的柔性子基板210構成的柔性基板的電磁響應能滿足需求。在一實施例中，三維結構超材料表面由至少兩個可展開為平面的幾何區域組成。本實施例中采用如下方式將三維結構超材料表面劃分為多個幾何區域分析三維結構超材料表面的高斯曲率分布，將相近高斯曲率分布的部分劃分為一個幾何區域。幾何區域劃分越多，對應幾何區域的每一柔性子基板210在貼附于成型基材表面時產生皺褶的概率越小、工藝精度越高，但是工藝成形難度越大。為平衡二者的關系，一般根據高斯曲率將三維結構超材料表面劃分為5-15個幾何區域。根據三維結構超材料整體最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值，在劃分幾何區域時，每一幾何區域內的最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值一般小于100，也可為小于80，小于50或小于30等。優選地，每一幾何區域內的最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值小于20。更優選地，每一幾何區域內的最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值小于10。請繼續參照圖2、圖3，圖2中示出了依據高斯曲率劃分為多個幾何區域的三維結構超材料。圖2中，三維結構超材料依據高斯曲率劃分為5個幾何區域J1-J5。圖3為圖2中多個幾何區域展開后形成的平面示意圖。圖3中，對應圖2劃分的5個幾何區域相應地展開有5個平面P1-P5，優選地，在圖3中，為使得制作更為方便，將長度較長的幾何區域切開成多個子平面。依據展開后的平面制備柔性子基板，并在柔性子基板上排布人造微結構，而后將排布了人造微結構的多個柔性子基板按照上述劃分的幾何區域對應貼附于成型基材對應表面形成三維結構超材料。在該實施例中，人造微結構是在柔性子基板上形成，因此可采用現有的平板超材料制備方法而無需采用三維蝕刻、雕刻等方法從而節省成本，同時本實施例采用區域劃分的方式保證多個柔性子基板相互拼接構成柔性基板時，多個柔性子基板不會發生皺褶也即人造微結構不會發生扭曲從而保證了三維結構超材料的工藝精度。多個柔性子基板上的人造微結構的拓撲形狀和尺寸可均相同。但是由于三維結構超材料的表面不規則，因此入射到三維結構超材料表面各處的電磁波的參數值存在差異。入射到三維結構超材料表面各處的電磁波可由不同的電磁參數表征，選用何種電磁參數表征電磁波取決于該三維結構超材料的功能，例如若三維結構超材料需實現對不同入射角度的電磁波具有相同的電磁響應，則入射到三維結構超材料表面各處的電磁波可用入射角度來表征；又如若三維結構超材料需實現將電磁波轉換為平面波或將電磁波匯聚、發散等波束賦形功能，則入射到三維結構超材料表面各處的電磁波可用相位值來表征；再若三維結構超材料需實現將電磁波的極化方式轉變，則入射到三維結構超材料表面各處的電磁波可用軸比值或電場入射角度來表征。可以想象地，當三維結構超材料需要同時實現多個功能時，則可用多個電磁參數來表征入射到三維結構超材料表面的電磁波。若柔性基板上采用相同的人造微結構拓撲結構使得該人造微結構拓撲結構對某一電磁參數不同的參數值具有預期的響應，則該人造微結構設計難度太大甚至是不可實現。另外，在實際應用中，三維結構超材料為達到某種功能通常需要同時滿足多種電磁參數，此時設計一種既能滿足某一電磁參數不同的參數值的電磁響應又能滿足不同電磁參數的電磁響應的人造微結構拓撲相同的難度則更大。
為解決上述問題，本發明根據入射到三維結構超材料不同區域的電磁波的不同電磁參數值將三維結構超材料劃分為多個電磁區域。每一電磁區域可對應一個電磁參數的一個參數值范圍，針對該參數值范圍來設計該電磁區域內的人造微結構的拓撲結構從而既能簡化設計又能使得三維結構超材料不同區域均具有預設的電磁響應能力。下面以三維結構超材料需對不同入射角度的電磁波具有相同的電磁響應來介紹三維結構超材料的電磁區域設計方式。電磁波入射至三維結構超材料表面某點P的入射角度可由圖4所示的方式定義，即由電磁波波矢K的信息與該點P對應的切面的法線N計算出該點P上的電磁波入射角9。波矢K的信息不局限于某個特定角度值，其也可為某一角度值范圍。依據上述方式得出三維結構超材料表面所有點的入射角度值，并依據不同點的入射角度值將三維結構超材料表面劃分為多個電磁區域。圖5示出了一具體實施例中電磁區域的劃分方式。圖5中，按照入射角度相差11°的劃分方式將三維結構超材料表面劃分為八個電磁區域91-98，即電磁區域Ql對應入射角度為0° -11°的電磁波，電磁區域Q2對應入射角度為12° -23°的電磁波，電磁區域Q4對應入射角度為24° -35°的電磁波，依此類推。本實施例中，各電磁區域的入射角度最大值與最小值的差值相同以簡化設計。但是某些時候，例如已知某種人造微結構的拓撲結構對入射角度為0° -30°的電磁波均具有良好的電磁響應，則在劃分電磁區域時，可劃分為0° -30° ,31° -40° ,41° -50°，等等。具體的劃分方式可依據具體的需求來進行設置，本發明對此不做限制。針對每一電磁區域的入射角度范圍信息設計每一電磁區域的人造微結構形狀使得其滿足需求，例如吸收電磁波、透過電磁波等。由于每一電磁區域的入射角度范圍跨度較小，因此針對該電磁區域設計人造微結構變得簡單。在一優選實施例中，每一電磁區域的人造微結構的拓撲結構相同，尺寸不同。通過將相同拓撲結構的人造微結構尺寸漸變的方式使得其能滿足一電磁區域的電磁響應要求，此種設計方式能簡化工藝難度，降低設計成本。當然可以想象地，也可以使得每一電磁區域內的人造微結構的拓撲結構和尺寸均不同，只要其滿足該電磁區域對應的入射角度范圍所需的電磁響應即可。當三維結構超材料包含多層柔性功能層時，電磁區域就是一個立體的概念，即圖5所示的每一電磁區域的邊界是三維結構超材料按照電磁分區的邊界。在一優選實施例中，為了簡化設計，三維結構超材料內部的多層柔性功能層上的電磁分區的邊界重合。柔性功能層上的某電磁區域的邊界(即某電磁區域映射在該柔性功能層上的電磁分區的邊界)可能位于一柔性子基板中，也可能是橫跨多個柔性子基板。也就是說幾何區域與電磁區域是兩種不同的劃分方式，二者沒有必然聯系。通常，根據需要以及設計的復雜度，每一電磁區域內的至少一層柔性功能層上的人造微結構拓撲形狀相同，尺寸不同；亦或，每一電磁區域內的柔性功能層上的人造微結構拓撲形狀相同；亦或，每一電磁區域內的至少一層柔性功能層上的人造微結構與其它柔性功能層的人造微結構拓撲形狀不同。人造微結構可為由導電材料構成的具有幾何圖案的結構，人造微結構拓撲形狀可采用計算機仿真得到，針對不同的電磁響應需求設計不同的人造微結構拓撲結構即可。該幾何圖案可為圖6所示的十字雪花型，十字雪花型微結構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第一金屬分支Fl，所述第一金屬線Pl兩端連接在兩個第一金屬分支Fl的中點上，所述第二金屬線P2兩端連接有 相同長度的兩個第二金屬分支F2，所述第二金屬線P2兩端連接在兩個第二金屬分支F2的中點上，所述第一金屬分支Fl與第二金屬分支F2的長度相等。該幾何圖案也可為圖7所示幾何圖形，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兩端連接有兩個相同的第一直角折角線ZJ1，第一主線Zl兩端連接在兩個第一直角折角線ZJl的拐角處，第二主線Z2兩端連接有兩個第二直角折角線ZJ2，第二主線Z2兩端連接在兩個第二直角折角線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，例如開口圓環形、十字形、工字形、方片形、六邊形、六邊環形、十字孔形、十字環形、Y孔形、Y環形、圓孔形、圓環形等。人造微結構材料可為金屬導電材料或非金屬導電材料，其中金屬導電材料可為金、銀、銅、鋁、鋅等或者各種金合金、鋁合金、鋅合金等，非金屬導電材料可為導電石墨、銦錫氧化物或摻鋁氧化鋅等。人造微結構可通過蝕刻、鉆刻或雕刻等方式附著于柔性子基板上。當三維結構超材料需要實現波束賦形功能時，對入射至三維結構超材料表面的電磁波則用相位值表征。由于三維結構超材料表面為形狀復雜的表面，則三維結構超材料表面各處的相位值不全相同，選取合適的相位值范圍將三維結構超材料劃分為多個電磁區域。根據最終波束賦形需要實現的功能，例如匯聚電磁波、發散電磁波、偏折電磁波、球面波轉為平面波等計算出三維結構超材料各處最終需要的相位，在每個電磁區域排布人造微結構使得該電磁區域能滿足對應該電磁區域的相位差。當三維結構超材料需要實現極化轉化時，對入射至三維結構超材料表面的電磁波則用軸比值或電磁波電場入射角度表征。本領域技術人員可知，電磁波的極化方式即為電磁波電場方向，極化的效果以軸比表示。電磁波電場入射角度的確定方式與圖4中電磁波入射角度的確定方式相似，僅需要將圖4中的波矢K方向變化為電場E方向即可。根據電磁波電場入射角度信息將三維結構超材料表面劃分為多個電磁區域。根據最終極化轉化需要實現的功能，例如轉化為垂直極化、轉化為水平極化、轉化為圓極化等確定出三維結構超材料各處最終需要的電場方向角度，在每個電磁區域排布人造微結構使得該電磁區域能滿足對應電磁區域的電場方向角度差。若三維結構超材料需要滿足兩種或兩種以上的電磁參數，例如既需要三維結構超材料響應電磁波角度較大，又需要滿足波束賦性，則可將三維結構超材料表面劃分多個能滿足上述兩種電磁參數的電磁區域。對比圖5和圖2可知，針對相同形狀的三維結構超材料，可具有不同的幾何區域和電磁區域，因此每一幾何區域對應的柔性子基板上可存在多種不同的人造微結構，例如如圖8所示的某一柔性子基板上部分區域的人造微結構排布示意圖。當然，若某一三維結構超材料的幾何區域與電磁區域重合時，則每一幾何區域對應的柔性子基板上的人造微結構可均相同，這樣設計和加工的復雜度就會降低很多。對于某些表面并不復雜的三維結構超材料，則可以僅采用電磁分區的方式，將不同的微結構附著于一個柔性基板上，使得三維結構超材料具有較好的電磁響應。將上述三維結構超材料應用于特定領域的產品時，該三維結構超材料可根據特定產品的形狀而設置，使得三維結構超材料成為該產品的配件；同時該三維結構超材料由于具有成型基材，若選擇能滿足產品應用要求的成型基材材料，則三維結構超材料自身可構成產品的主要構成部分。例如當采用三維結構超材料制備天線罩時，可直接將該三維結構超材料制備成天線罩本體，還可在原有的普通材料制成的天線罩本體表面設置該三維結構超材料以增強原天線罩本體的電磁性能。根據三維結構超材料的不同功能，三維結構超材料還可制成天線、濾波器、極化器等，從而滿足不同的應用需求。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
1.一種三維結構超材料，其特征在于，包括至少一層成型基材、至少一層柔性功能層，所述柔性功能層設置于成型基材表面或者設置于多層成型基材之間；所述每層柔性功能層包括由至少一個柔性子基板構成的柔性基板以及設置于每個柔性子基板上的多個能響應電磁波的人造微結構；所述三維結構超材料具有電磁波調制功能。
2.根據權利要求I所述的三維結構超材料，其特征在于，所述三維結構超材料包括至少兩層所述柔性功能層和至少兩層所述成型基材。
3.根據權利要求I所述的三維結構超材料，其特征在于，所述三維結構超材料包括至少三層所述柔性功能層和至少三層所述成型基材。
4.根據權利要求2或3所述的三維結構超材料，其特征在于，所述成型基材與所述柔性功能層間隔設置。
5.根據權利要求2或3所述的三維結構超材料，其特征在于，每一柔性基板緊貼設置，柔性功能層緊貼于成型基材的表面。
6.根據權利要求I所述的三維結構超材料，其特征在于，所述柔性基板是熱塑性材料或加入柔性纖維的熱塑性復合材料。
7.根據權利要求6所述的三維結構超材料，其特征在于，所述柔性基板的材料為聚酰亞胺、聚酯、聚四氟乙烯、聚氨酯、聚芳酯、PET膜、PE膜或PVC膜。
8.根據權利要求I所述的三維結構超材料，其特征在于，所述三維結構超材料可實現對電磁波進行透波、吸波、波束賦形、極化轉化或方向圖調制的電磁波調制功能。
9.根據權利要求8所述的三維結構超材料，其特征在于，所述三維結構超材料可實現對電磁波進行頻選透波、頻選吸波、寬頻透波或寬頻吸波。
10.根據權利要求8所述的三維結構超材料，其特征在于，所述三維結構超材料可實現對電磁波進行垂直極化轉水平極化、水平極化轉垂直極化、水平極化轉圓極化或圓極化轉水平極化。
11.根據權利要求8所述的三維結構超材料，其特征在于，所述三維結構超材料可實現對電磁波進行波束發散、波束匯聚或波束偏折。
12.根據權利要求I所述的三維結構超材料，其特征在于，所述三維結構超材料表面由至少兩個可展開為平面的幾何區域組成。
13.根據權利要求12所述的三維結構超材料，其特征在于，所述三維結構超材料表面上可展開為平面的幾何區域內最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值小于100。
14.根據權利要求13所述的三維結構超材料，其特征在于，所述三維結構超材料表面上可展開為平面的幾何區域內最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值小于80。
15.根據權利要求13所述的三維結構超材料，其特征在于，所述三維結構超材料表面上可展開為平面的幾何區域內最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值小于50。
16.根據權利要求13所述的三維結構超材料，其特征在于，所述三維結構超材料表面上可展開為平面的幾何區域內最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值小于20。
17.根據權利要求13所述的三維結構超材料，其特征在于，所述三維結構超材料表面上可展開為平面的幾何區域內最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值小于10。
18.根據權利要求12所述的三維結構超材料，其特征在于，所述柔性功能層包括多個柔性子基板，一個柔性子基板對應所述三維結構超材料表面展開后的一個平面。
19.根據權利要求18所述的三維結構超材料，其特征在于，不同柔性子基板上的人造微結構的拓撲結構相同。
20.根據權利要求18所述的三維結構超材料，其特征在于，不同柔性子基板上的人造微結構的拓撲結構不同。
21.根據權利要求I或12所述的三維結構超材料，其特征在于，所述三維結構超材料包括多個電磁區域，入射至每一電磁區域內的電磁波具有一種或多種電磁參數范圍；每一電磁區域內的人造微結構對入射至該電磁區域的電磁波產生預設的電磁響應。
22.根據權利要求21所述的三維結構超材料，其特征在于，入射至每一電磁區域內的電磁波的一種或多種電磁參數的最大值與最小值的差值相等。
23.根據權利要求21所述的三維結構超材料，其特征在于，入射至每一電磁區域內的電磁波的一種或多種電磁參數的最大值與最小值的差值不等。
24.根據權利要求21所述的三維結構超材料，其特征在于，所述每一電磁區域位于一柔性子基板中，或者每一電磁區域橫跨多個柔性子基板。
25.根據權利要求21所述的三維結構超材料，其特征在于，所述電磁參數范圍為入射角度范圍、軸比值范圍、相位值范圍或電磁波電場入射角度范圍。
26.根據權利要求21所述的三維結構超材料，其特征在于，每一電磁區域內的至少一層柔性功能層上的人造微結構拓撲形狀相同，尺寸不同。
27.根據權利要求21所述的三維結構超材料，其特征在于，每一電磁區域內的柔性功能層上的人造微結構拓撲形狀相同。
28.根據權利要求21所述的三維結構超材料，其特征在于，每一電磁區域內的至少一層柔性功能層上的人造微結構與其它柔性功能層的人造微結構拓撲形狀不同。
29.根據權利要求I所述的三維結構超材料，其特征在于，所述柔性基板上還設置有用于增強其與相鄰成型基材層間結合力的結構。
30.根據權利要求29所述的三維結構超材料，其特征在于，所述結構為開設于柔性基板上的孔或槽。
31.根據權利要求I所述的三維結構超材料，其特征在于，所述人造微結構為導電材料構成的具有幾何圖案的結構。
32.根據權利要求31所述的三維結構超材料，其特征在于，所述導電材料為金屬或非金屬導電材料。
33.根據權利要求32所述的三維結構超材料，其特征在于，所述金屬為金、銀、銅、金合金、銀合金、銅合金、鋅合金或鋁合金。
34.根據權利要求32所述的三維結構超材料，其特征在于，所述非金屬導電材料為導電石墨、銦錫氧化物或摻鋁氧化鋅。
35.根據權利要求31所述的三維結構超材料，其特征在于，所述人造微結構的幾何圖案為方片形、雪花形、工字形、六邊形、六邊環形、十字孔形、十字環形、Y孔形、Y環形、圓孔形或圓環形。
36.根據權利要求2或3所述的三維結構超材料，其特征在于，所述每層成型基材的厚度相等。
37.根據權利要求2或3所述的三維結構超材料，其特征在于，所述每層成型基材的厚度不相等。
38.根據權利要求I所述的三維結構超材料，其特征在于，所述成型基材的材料為纖維增強樹脂復合材料或纖維增強陶瓷基復合材料。
39.根據權利要求38所述的三維結構超材料，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。
40.根據權利要求38所述的三維結構超材料，其特征在于，所述纖維增強樹脂復合材料中的樹脂為熱固性樹脂。
41.根據權利要求40所述的三維結構超材料，其特征在于，所述熱固性樹脂包括環氧類型、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。
42.根據權利要求38所述的三維結構超材料，其特征在于，所述纖維增強樹脂復合材料中的樹脂為熱塑性樹脂。
43.根據權利要求42所述的三維結構超材料，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。
44.根據權利要求38所述的三維結構超材料，其特征在于，所述陶瓷包括氧化鋁、氧化硅、氧化鋇、氧化鐵、氧化鎂、氧化鋅、氧化鈣、氧化鍶、氧化鈦或上述材料的混合物。
45.一種天線罩，其特征在于，所述天線罩為權利要求I至44任一項所述的三維結構超材料。
46.一種吸波材料，其特征在于，包括權利要求I至44任一項所述的三維結構超材料。
47.一種濾波器，其特征在于，包括權利要求I至44任一項所述的三維結構超材料。
48.—種天線,其特征在于,包括權利要求I至44任一項所述的三維結構超材料。
49.一種極化器，其特征在于，包括權利要求I至44任一項所述的三維結構超材料。
全文摘要
本發明公開一種三維結構超材料，其包括至少一層成型基材、設置于成型基材表面的至少一層柔性功能層，所述每層柔性功能層包括由至少一個柔性子基板構成的柔性基板以及設置于每個柔性子基板表面的多個能響應電磁波的人造微結構；所述三維結構超材料具有電磁波調制功能。根據本發明的三維結構超材料，其制備工藝簡單，加工成本低、工藝精度控制簡單，可以替代各種具有復雜曲面且需要有一定電磁調制功能的結構件，也可以貼附于各種具有復雜曲面的結構件上實現需要的電磁調制功能。而且通過曲面展開和電磁分區的方式使得三維結構超材料具有較好的電磁響應和較寬的應用范圍。
文檔編號H01Q15/00GK102983407SQ20121047040
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月20日 優先權日2012年11月20日
發明者劉若鵬, 趙治亞, 金晶 申請人:深圳光啟創新技術有限公司