專利名稱：一種吸波超材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種吸波材料，尤其涉及一種吸波超材料。
背景技術(shù)：
吸波材料是指能夠吸收衰減入射電磁波能量，并通過材料的介質(zhì)損耗使其電磁能轉(zhuǎn)換成熱能或其他能量形式的一類功能復(fù)合材料。吸波材料在治理電磁污染、制造隱身材料等方面具有巨大的應(yīng)用前景。目前常用的吸波材料有鐵氧體、鈦酸鋇、金屬微粉、石墨、碳化硅、導(dǎo)電纖維等，其中又已鐵氧體吸波材料是研究將多且比較成熟的吸波材料。鐵氧體在高頻下有較高的磁導(dǎo)率和電阻率，電磁波易于進(jìn)入并能快速衰減。但是，以鐵氧體為代表的此類吸波材料存在高溫特性差、面密度大且電磁參數(shù)匹配困難等缺陷。

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)的上述不足提出一種質(zhì)量輕、厚度薄、電磁參數(shù)易于調(diào)節(jié)且對三維各方向入射電磁波均具有良好吸波性能的吸波超材料。本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是提出一種吸波超材料，其包括基材、周期排列于該基材內(nèi)部的多個人造金屬微結(jié)構(gòu)；當(dāng)電磁波通過該超材料時該超材料的相對介電常數(shù)和相對磁導(dǎo)率大致相等。當(dāng)該電磁波通過該超材料時該超材料的相對介電常數(shù)和/或相對磁導(dǎo)率的虛部大于該基材的相對介電常數(shù)和/或相對磁導(dǎo)率的虛部使得該電磁波被吸收。該人造金屬微結(jié)構(gòu)由三個相同的平面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在三維空間共中心點(diǎn)兩兩垂直相交而成。該平面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括相互垂直相交呈“十”字形的兩條第一金屬分支；分別連接于該兩條第一金屬分支兩端、長度小于該第一金屬分支并垂直于該第一金屬分支的四條第二金屬分支；從該第二金屬分支兩端向內(nèi)延伸的八條第三金屬分支；一邊具有缺口并設(shè)置于該四條第二金屬分支圍成的平面內(nèi)的四邊形狀的第四金屬分支，該第四金屬分支的四邊長度小于該第二金屬分支且具有該缺口的一邊不與該第一金屬分支相交，其他三邊均與該第一金屬分支相交。該平面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還包括從該缺口兩端向內(nèi)延伸的兩條第五金屬分支。該第三金屬分支與與其相連的該第二金屬分支形成的角度為45°該第四金屬分支中心點(diǎn)與兩條該第一金屬分支交點(diǎn)重合。該基材為高分子聚合物、陶瓷、鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料。該基材由多個片狀基材組合而成，每一片狀基材上附著有多個金屬分支；當(dāng)多個該片狀基材組合后，附著在多個該片狀基材上的多個該金屬分支組合為該人造金屬微結(jié)構(gòu)。該多個金屬分支是通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻、離子刻附著于該片狀基材上。本發(fā)明采用不同于傳統(tǒng)吸波材料的吸波原理，通過將各種人造金屬微結(jié)構(gòu)周期排列于基材中并調(diào)整人造金屬微結(jié)構(gòu)的尺寸以達(dá)到理想吸波效果，其具有質(zhì)量輕、厚度薄且電磁參數(shù)易于調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)。進(jìn)一步地，本發(fā)明的人造金屬微結(jié)構(gòu)為三維結(jié)構(gòu)，其對三維空間任意入射方向的電磁波均能有效吸收，提高了吸波超材料的實(shí)用性。更進(jìn)一步地，本發(fā)明采用片狀基材組合成整體基材的方法來構(gòu)成超材料，使得超材料內(nèi)部人造金屬微結(jié)構(gòu)的尺寸和間隔均可分別地方便地調(diào)節(jié)即本發(fā)明超材料的相對介電常數(shù)和相對磁導(dǎo)率調(diào)節(jié)方便。


圖1為本發(fā)明吸波超材料人造金屬微結(jié)構(gòu)立體結(jié)構(gòu)的平面拓?fù)鋱D；圖2為本發(fā)明吸波超材料人造金屬微結(jié)構(gòu)立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明吸波超材料人造金屬微結(jié)構(gòu)平面拓?fù)鋱D對應(yīng)三維空間垂直于該平面入射的電磁波而拆分的可對電場響應(yīng)的多個等效拓?fù)鋱D；圖4為本發(fā)明吸波超材料人造金屬微結(jié)構(gòu)平面拓?fù)鋱D對應(yīng)三維空間垂直于該平面入射的電磁波而拆分的可對磁場響應(yīng)的多個等效拓?fù)鋱D；圖5本發(fā)明吸波超材料相對介電常數(shù)ε與電磁波頻率f的ε _f關(guān)系示意圖；圖6為本發(fā)明吸波超材料相對磁導(dǎo)率μ與電磁波頻率f的μ _f關(guān)系示意圖；圖7為本發(fā)明吸波超材料人造金屬微結(jié)構(gòu)立體結(jié)構(gòu)平面拓?fù)鋱D的衍生圖。
具體實(shí)施例方式吸波材料的基本物理原理是材料對入射電磁波實(shí)現(xiàn)有效吸收，將電磁波能量轉(zhuǎn)換為熱能或其他形式的能量而耗散掉，該材料應(yīng)具備兩個特性即阻抗匹配特性和衰減特性。 阻抗匹配特性是指入射電磁波在吸波材料表面表現(xiàn)出來的反射現(xiàn)象，理想的吸波材料要達(dá)到完美阻抗匹配時應(yīng)使得該吸波材料的相對介電常數(shù)ε和相對磁導(dǎo)率μ相等，其中由于吸波材料存在損耗，因此相對介電常數(shù)ε = ε，_j ε ”，相對磁導(dǎo)率μ = μ，μ ”。衰減特性是指進(jìn)入材料內(nèi)部的電磁波產(chǎn)生損耗而被吸收的現(xiàn)象，損耗大小可用電損耗因子fan δ6= ε ”/ ε ’和磁損耗因子fan δ m = μ ”/ μ，來表征。既滿足阻抗匹配特性又滿足盡可能大的衰減特性是各類吸波材料追求的目標(biāo)。超材料是由具有一定圖案形狀的人造金屬微結(jié)構(gòu)按照特定方式周期排列于基材中而構(gòu)成。人造金屬微結(jié)構(gòu)不同的圖案形狀和排列方式使得超材料具有不同的介電常數(shù)和不同的磁導(dǎo)率從而使得超材料具有不同的電磁響應(yīng)。本發(fā)明利用超材料上述原理設(shè)計(jì)一種能強(qiáng)烈吸收特定頻段電磁波的超材料。該超材料包括基材、周期排列于該基材內(nèi)部的多個人造金屬微結(jié)構(gòu)。當(dāng)基材內(nèi)部未附著人造金屬微結(jié)構(gòu)時，其對電磁場表現(xiàn)出具有初始相對介電常數(shù)ε ！和初始相對磁導(dǎo)率μ ?。划?dāng)基材內(nèi)部附著有人造金屬微結(jié)構(gòu)后，人造金屬微結(jié)構(gòu)會對入射電磁場產(chǎn)生響應(yīng)從而使得基材和人造金屬微結(jié)構(gòu)整體構(gòu)成一種超材料，超材料對電磁場的響應(yīng)會因人造金屬微結(jié)構(gòu)尺寸的變化而變化，即超材料的相對介電常數(shù)ε和相對磁導(dǎo)率μ會因人造金屬微結(jié)構(gòu)尺寸的變化而變化。當(dāng)超材料用作吸波材料時，需要結(jié)合基材的初始相對介電常數(shù)S1和初始相對磁導(dǎo)率μ ！設(shè)計(jì)初始人造金屬結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋱D案和尺寸使之達(dá)到吸波材料的設(shè)計(jì)要求，即阻抗匹配特性和衰減特性均十分優(yōu)良。另外，本發(fā)明采用立體的人造金屬微結(jié)構(gòu)，其獨(dú)特的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得人造微結(jié)構(gòu)對任意入射方向的電磁波的電場和磁場均能產(chǎn)生相同的電磁響應(yīng)，因此任意入射方向的電磁波通過該吸波超材料時均能被吸收，極大地提高了該吸波超材料的實(shí)用范圍。下面詳細(xì)描述一種能滿足本發(fā)明吸波要求的人造金屬微結(jié)構(gòu)。該人造金屬微結(jié)構(gòu)周期排列于基材內(nèi)部，由于本發(fā)明解決的技術(shù)問題是吸收電磁波，因此本發(fā)明的基材可采用高分子聚合物、陶瓷、鐵電材料、鐵氧材料、鐵磁材料等能量損耗大的材料，其中高分子聚合物優(yōu)選FR-4或F4B材料。在基材內(nèi)部構(gòu)成人造金屬微結(jié)構(gòu)的方法通常包括兩種，一種是通過蝕刻、電鍍、鉆亥IJ、光刻、電子刻、離子刻等將整個人造金屬微結(jié)構(gòu)周期排列于基材內(nèi)部；另一種是采用片狀基材，其中多個片狀基材上按照所需人造金屬微結(jié)構(gòu)的立體和平面方位排列要求分別蝕亥IJ、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻、離子刻有各種形狀的金屬分支，該些片狀基材組合后，附著于各個片狀基材上的各種形狀的金屬分支構(gòu)成了所需的人造金屬微結(jié)構(gòu)，此種方法工藝簡單、能非常方便的分別調(diào)節(jié)人造金屬微結(jié)構(gòu)各金屬分支的尺寸和圖案。下面結(jié)合幾種人造金屬微結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D案詳細(xì)說明本發(fā)明設(shè)計(jì)原理。請參照圖1和圖2。圖2為本實(shí)施例人造金屬微結(jié)構(gòu)三維立體結(jié)構(gòu)示意圖，其由三個圖1所示的平面拓?fù)鋱D案在三維空間共中心點(diǎn)兩兩垂直相交而成。如圖1所示，平面拓?fù)鋱D案包括相互垂直相交呈“十”字形的兩條第一金屬分支101 ；分別連接于兩條第一金屬分支101兩端，長度小于第一金屬分支101并垂直于第一金屬分支101的四條第二金屬分支102 ；從第二金屬分支102兩端以相同角度向內(nèi)延伸的八條第三金屬分支103 ；—邊具有缺口 1041并設(shè)置于第二金屬分支102圍成的平面內(nèi)的四邊形狀的第四金屬分支104，第四金屬分支104的四邊長度小于第二金屬分支102，具有缺口 1041的一邊不與第一金屬分支 101相交，其他三邊均與第一金屬分支101相交。當(dāng)三維空間任意入射方向的電磁波通過該超材料時，電磁波的電場方向?qū)?yīng)的平面的金屬分支之間的間隔等效為容性元件。根據(jù)公式ε= i可知，超材料的相對介電常數(shù)
τ嚴(yán)
ε可通過調(diào)整具有間隔的金屬分支的面積S以及間距d來調(diào)整；電磁波的磁場極化方向?qū)?yīng)的平面整體等效為感性元件并在其上形成環(huán)形電流，根據(jù)右手螺旋定則，環(huán)形電流產(chǎn)生磁場從而影響超材料的相對磁導(dǎo)率μ。具體到本實(shí)施例中，將圖1所示的二維拓?fù)鋱D案看作為本發(fā)明人造金屬微結(jié)構(gòu)其中的一個平面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)入射方向垂直于該平面的電磁波通過該超材料時，該平面拓?fù)鋱D案響應(yīng)三維空間垂直于該平面的任意入射方向的電磁波可等效拆分為如圖3和圖4所示的多個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中圖3為平面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)響應(yīng)電場而拆分的多個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖4為平面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)響應(yīng)磁場而拆分的多個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖3中被拆分的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是由三類組成(1)兩對第二金屬分支102，(2)四隊(duì)第三金屬分支103，(3)缺口 1041相對的第二金屬分支102 以及缺口 1041相對的對邊1042。圖4中平面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)拆分為多個開口環(huán)形金屬分支，主要由兩類組成(1)第一金屬分支101、第三金屬分支103以及連接第一金屬分支101和第三金屬分支103的部分第二金屬分支102，(2)第四金屬分支104。從圖3和圖4中可以看出，由于本發(fā)明特殊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得入射方向?yàn)槿S空間垂直于平面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)任意方向的電磁波通過超材料時，超材料都可以通過調(diào)整人造金屬微結(jié)構(gòu)各個金屬分支的面積和 /或長度來調(diào)整超材料整體的相對介電常數(shù)和相對磁導(dǎo)率。進(jìn)一步地，本發(fā)明整體人造微結(jié)構(gòu)由三個相同的該平面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在三維空間兩兩共交點(diǎn)垂直相交而成，因此本發(fā)明人造金屬微結(jié)構(gòu)對應(yīng)三維空間任意入射方向的電磁波均可調(diào)整其相對介電常數(shù)和相對磁導(dǎo)率。超材料整體的相對介電常數(shù)ε和相對磁導(dǎo)率μ的與電磁波頻率f的關(guān)系圖如圖 5、圖6所示。在圖5和圖6中我們可以發(fā)現(xiàn)，相對介電常數(shù)ε和相對磁導(dǎo)率μ在遠(yuǎn)離諧振頻點(diǎn)處，其變化是微小的，因此調(diào)整人造金屬微結(jié)構(gòu)金屬尺寸改變相對介電常數(shù)ε和相對磁導(dǎo)率μ所起到的作用也十分微小。但是在接近諧振頻點(diǎn)的頻段處，相對介電常數(shù)ε 和相對磁導(dǎo)率μ均成指數(shù)變化，此時調(diào)整人造金屬微結(jié)構(gòu)金屬尺寸將極大影響超材料整體的相對介電常數(shù)ε和相對磁導(dǎo)率μ，因此可以達(dá)到本發(fā)明的阻抗匹配要求，即一頻段處相對介電常數(shù)ε和相對磁導(dǎo)率μ相等。因此，本發(fā)明所需的電磁波頻段通常為偏離人造金屬微結(jié)構(gòu)諧振頻點(diǎn)且可使相對介電常數(shù)ε和相對磁導(dǎo)率μ成指數(shù)衰減的頻段。當(dāng)然， 此段說明僅為描述本發(fā)明實(shí)驗(yàn)過程中的規(guī)律，并非用以限定本發(fā)明電磁波入射頻段。當(dāng)人造金屬微結(jié)構(gòu)的尺寸使得具有一頻段的入射電磁波通過超材料時，超材料的相對介電常數(shù)ε和相對磁導(dǎo)率μ大致相等時即滿足本發(fā)明阻抗匹配的設(shè)計(jì)要求。所謂大致相等是指相對介電常數(shù)ε和相對磁導(dǎo)率μ只存在不影響阻抗匹配效果的誤差。同時， 為了達(dá)到優(yōu)良的吸波性能還需要繼續(xù)調(diào)整人造金屬微結(jié)構(gòu)的尺寸使超材料對入射電磁波有最大的能量損耗。能量損耗主要是通過電損耗因子fan δ ε和磁損耗因子fan δ m來表征，不同的基材對應(yīng)不同的主要損耗，例如鐵電材料主要為電損耗、鐵磁材料主要為磁損耗而鐵氧材料則兩者皆有。人造金屬微結(jié)構(gòu)對超材料整體衰減特性的影響是通過改善基材的衰減特性，即提高超材料整體相對介電常數(shù)和/或相對磁導(dǎo)率的虛部從而提高超材料整體的衰減特性?？梢岳斫獾模{(diào)整人造金屬微結(jié)構(gòu)的尺寸使超材料滿足相對介電常數(shù)ε和相對磁導(dǎo)率μ大致相等以及改善基材衰減特性的過程是交互的，并非調(diào)整完一個條件以后再在原有基礎(chǔ)上調(diào)整第二個條件。圖7為本發(fā)明吸波超材料平面二維拓?fù)鋱D案的衍生圖。其與第一較佳實(shí)施例的不同點(diǎn)在于，缺口 1041兩端還向內(nèi)延伸有兩條相對的第五金屬分支105。第五金屬分支105 使得人造微結(jié)構(gòu)對應(yīng)三維空間各方向入射的電磁波形成的等效容性元件增加一類，并改變第四金屬分支104中開口環(huán)形電流分布。使得調(diào)整整個超材料相對介電常數(shù)ε和相對磁導(dǎo)率μ的參數(shù)增加一個，更容易實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的。上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的較佳實(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
1.一種吸波超材料，其特征在于包括基材、周期排列于該基材內(nèi)部的多個人造金屬微結(jié)構(gòu)；當(dāng)電磁波通過該超材料時該超材料的相對介電常數(shù)和相對磁導(dǎo)率大致相等。
2.如權(quán)利要求1所述的吸波超材料，其特征在于當(dāng)該電磁波通過該超材料時該超材料的相對介電常數(shù)和/或相對磁導(dǎo)率的虛部大于該基材的相對介電常數(shù)和/或相對磁導(dǎo)率的虛部使得該電磁波被吸收。
3.如權(quán)利要求1或2所述的吸波超材料，其特征在于該人造金屬微結(jié)構(gòu)由三個相同的平面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在三維空間共中心點(diǎn)兩兩垂直相交而成。
4.如權(quán)利要求3所述的吸波超材料，其特征在于該平面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括相互垂直相交呈“十”字形的兩條第一金屬分支；分別連接于該兩條第一金屬分支兩端、長度小于該第一金屬分支并垂直于該第一金屬分支的四條第二金屬分支；從該第二金屬分支兩端向內(nèi)延伸的八條第三金屬分支；一邊具有缺口并設(shè)置于該四條第二金屬分支圍成的平面內(nèi)的四邊形狀的第四金屬分支，該第四金屬分支的四邊長度小于該第二金屬分支且具有該缺口的一邊不與該第一金屬分支相交，其他三邊均與該第一金屬分支相交。
5.如權(quán)利要求4所述的吸波超材料，其特征在于該平面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還包括從該缺口兩端向內(nèi)延伸的兩條第五金屬分支。
6.如權(quán)利要求4所述的吸波超材料，其特征在于該第三金屬分支與與其相連的該第二金屬分支形成的角度為45°。
7.如權(quán)利要求4所述的吸波超材料，其特征在于該第四金屬分支中心點(diǎn)與兩條該第一金屬分支交點(diǎn)重合。
8.如權(quán)利要求1或2所述的吸波超材料，其特征在于該基材為高分子聚合物、陶瓷、 鐵電材料、鐵氧材料或鐵磁材料。
9.如權(quán)利要求1或2所述的吸波超材料，其特征在于該基材由多個片狀基材組合而成，每一片狀基材上附著有多個金屬分支；當(dāng)多個該片狀基材組合后，附著在多個該片狀基材上的多個該金屬分支組合為該人造金屬微結(jié)構(gòu)。
10.如權(quán)利要求9所述的吸波超材料，其特征在于該多個金屬分支是通過蝕刻、電鍍、 鉆刻、光刻、電子刻、離子刻附著于該片狀基材上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種吸波超材料，其包括基材、周期排列于基材內(nèi)部的多個人造金屬微結(jié)構(gòu)；當(dāng)電磁波通過吸波超材料時超材料的相對介電常數(shù)和相對磁導(dǎo)率大致相等。本發(fā)明采用不同于傳統(tǒng)吸波材料的吸波原理，通過將各種人造金屬微結(jié)構(gòu)周期排列于基材中并調(diào)整人造金屬微結(jié)構(gòu)的尺寸以達(dá)到理想吸波效果，其具有質(zhì)量輕、厚度薄且電磁參數(shù)易于調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)。進(jìn)一步地，本發(fā)明的人造金屬微結(jié)構(gòu)為三維結(jié)構(gòu)，且三維結(jié)構(gòu)的人造金屬微結(jié)構(gòu)對三維空間任意入射方向的電磁波均能有效吸收，提高了吸波超材料的實(shí)用性。
文檔編號H05K9/00GK102480909SQ20111008101
公開日2012年5月30日 申請日期2011年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月31日
發(fā)明者劉若鵬, 欒琳, 王文劍, 趙治亞 申請人:深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司, 深圳光啟高等理工研究院