专利名称：用作绝缘体的超材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及超材料领域，更具体地说，涉及一种用作绝缘体的超材料。
背景技术：
介电常数(permittivity)是材料对电场响应的一个参数,材料在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原真空中的外加电场与最终材料中电场的比值即为介电常数，又称诱电率。自然界中，任何一种材料在特定的条件下，都有它特定的介电常数值或者介电常数曲线。介电常数较高的材料放在电场中，场的强度会在电介质材料内有可观的下降。因此，介电常数高的材料，通常用来制造电容。随着技术日新月异的发展，人们对材料的应用要求越来越高，在某些场合，所需要的介电常数值远高于自然界已有的材料的介电常数值，现有的介电常数较高的绝缘体也不能达到要求，这将为技术和产品研发造成瓶颈。实际上，自然存在的材料都很难实现这种要求，因此，人们转向人工制造的超材料，以期实现上述技术目的。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中自然界材料不能达到所需的较高介电常数的缺陷，提供一种可放大介电常数从而使整体达到较高介电常数的超材料。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是构造一种用作绝缘体的超材料，所述超材料包括绝缘体制成的基材和附着在所述基材上的多个人造微结构，每个所述人造微结构在电场中等效为一个电容。在本发明所述的用作绝缘体的超材料中，所述基材为片状，所述超材料由多个片状基材叠加而成，每个所述片状基材上均附着有多个同样阵列排布的人造微结构。在本发明所述的用作绝缘体的超材料中，所述绝缘体为塑料、橡胶、陶瓷、玻璃中的一种或几种。在本发明所述的用作绝缘体的超材料中，每个所述人造微结构的金属丝呈“工”字形，包括直线形的第一金属丝、分别连接在所述第一金属丝两端且垂直于第一金属丝的第二金属丝。在本发明所述的用作绝缘体的超材料中，所述金属丝为所述“工”字形人造微结构的衍生结构。在本发明所述的用作绝缘体的超材料中，所述第二金属丝被第一金属丝平分，且
长度小于第一金属丝。在本发明所述的用作绝缘体的超材料中，每个所述人造微结构的金属丝为二维雪 花形，包括相互垂直而连接成“十”字形的两个第一金属丝、分别连接在每个第一金属丝两端且垂直于第一金属丝的第二金属丝。在本发明所述的用作绝缘体的超材料中，所述人造微结构为所述平面雪花形人造微结构的衍生结构。在本发明所述的用作绝缘体的超材料中，每个所述人造微结构为三维雪花形，包括在三维空间内两两垂直且共一交点的三个第一金属丝、分别连接在每个第一金属丝两端且垂直于第一金属丝的第二金属丝。在本发明所述的用作绝缘体的超材料中，所述人造微结构为所述三维雪花形人造微结构的衍生结构。实施本发明的用作绝缘体的超材料，具有以下有益效果本发明通过在绝缘体制成的基材上附着金属丝构成的微型人造微结构，电场经过金属丝，使得金属丝沿电场方向的两端分别聚集正负电荷从而具有两极，即形成等效电容，该等效电容附着在具有较高介电常数的绝缘体上，使得整体形成的超材料的介电常数成倍于绝缘体本身的介电常数，在一定应用场合下可以实现常规材料所无法实现的特殊功能。
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中图Ia是本发明的用作绝缘体的超材料的第一实施例、其人造微结构为“工”字形时的结构示意图；图Ib是图Ia所示实施例经过一维电场时的等效原理图；图Ic是由图Ia所示人造微结构衍生的第二实施例的示意图；图Id是由图Ic所示人造微结构衍生的第三实施例的示意图；图2a是人造微结构为类似“十”字形的第四实施例的示意图；图2b是由图2a所示人造微结构衍生的第五实施例的示意图；图2c是由图2b所示人造微结构衍生的第六实施例的示意图；图3a是人造微结构为三维结构的第七实施例的示意图；图3b是由图3a所示人造微结构衍生的第八实施例的示意图；图4是人造微结构的第九实施例的示意图。图中各标号对应的名称为I基材，2人造微结构，201第一金属丝，202第二金属丝，203第三金属丝，204第四金属丝，超材料单元3。
具体实施例方式超材料是一种以人造微结构为基本单元并以特定方式进行空间排布、具有特殊电磁响应的新型材料，包括由具有一定图案形状的金属丝构成的人造微结构和人造微结构所附着的基材。多个人造微结构在基材上阵列排布，基材对人造微结构起到支撑作用，可为任何与人造微结构不同的材料。这两种材料的叠加会在空间中产生一个等效介电常数与磁导率，这两个物理参数分别对应了材料整体的电场响应与磁场响应。超材料对电磁响应的特征是由人造微结构的特征所决定，而人造微结构的电磁响应很大程度上取决于其金属丝的图案所具有的拓扑特征和超材料单元尺寸。这里的超材料单元是指在超材料中每个人造微结构所占用的尺寸。超材料单元尺寸取决于人造微结构需要响应的电磁波频率，通常人造微结构的尺寸为所需响应的电磁波波长的十分之一，否则空间中由人造微结构所组成的排列在空间中不能被视为连续。本发明中，即运用以上超材料的基本原理，通过人造微结构与基材的组合设计出一种介电常数高的超材料，其介电常数比自然界现有材料的介电常数高得多，使得基材的介电常数得到放大增益，以达到某些特定应用场合的要求。如图Ia所示，本发明的超材料包括绝缘体制成的基材I和附着在基材I上的多个人造微结构2，这些人造微结构2以一定的阵列方式相互间隔地排布。每个人造微结构2以及其所附着的基材I部分构成一个超材料单元3，整个超材料即可认为是由无数个这样的超材料单元3阵列排布而成的。其中，作为基材I的绝缘体可以选用橡胶、陶瓷、塑料、玻璃中的一种或几种，例如环氧树脂、聚四氟乙烯、聚丙烯塑料、玻璃纤维、氧化铝陶瓷、氮化物陶瓷等。本发明的基材I优选介电常数值在15 25之间的陶瓷。 在基材I上附着人造微结构2的制造工艺有多种，蚀刻是较优的制造工艺，其步骤是在设计好合适的人造微结构2的平面图案后，先将一张金属箔片整体地附着在基材I上，然后通过蚀刻设备，利用溶剂与金属的化学反应去除掉人造微结构2预设图案以外的箔片部分，余下的即可得到阵列排布的人造微结构2。上述金属箔片的材质可以是铜、银等任何金属。基材I通常采用片状结构，多个片状基材I无间隙的叠加而紧密结合构成一个整体，或者多个片状基材I可相互间隔地拼接成栅格形，栅格的大小与每个人造微结构2的超材料单元3相同。同时，通过调整各个基材I的尺寸，使得基材I组合后的超材料整体呈现出不同的立体三维形状，以适用于不同的应用场合。由于人造微结构2很大程度上决定了超材料的电磁相应特征，因此本发明对人造微结构2的金属丝的拓扑图案进行了独特的设计。本发明的人造微结构需要对电场进行响应，因此，人造微结构2的图案必须沿电场方向有极性。这里的图案有极性，是指人造微结构2的图案沿电场方向必须有投影，例如当电场为竖直方向，而人造微结构为水平方向上的一条平直金属丝，则该人造微结构在竖直方向上没有投影，因而不具有极性，不能对电场产生响应，进而也不能实现本发明的放大介电常数的功能。可实现本发明目的的人造微结构，如图Ia至2c所示。图la、lc、Id显示的是主要用来对一维电场进行响应的人造微结构2。图Ia的人造微结构2为“工”字形，包括直线形的第一金属丝201、分别连接在第一金属丝201两端且垂直于第一金属丝201的第二金属丝202。当电场平行于第一金属丝201或者沿第一金属丝201的方向有投影分量时，在电场的作用下，“工”字形人造微结构2的两端的两个第二金属丝202上分别聚集了等量的正负电荷，如图Ib所示，从而形成了一个等效电容，而人造微结构2附着在具有较高介电常数的基材I上，则等效电容的电容值正比于基材I的介电常数，因此该等效电容值增大，人造微结构2与绝缘体所组成的超材料其产生的等效介电常数将成倍于绝缘体自身的介电常数。图lc、Id是图Ia的“工”字形人造微结构2的衍生结构。图Ic的人造微结构2的金属丝除了如图Ia —样具有构成“工”字形的第一金属丝201、第二金属丝202外，还包括分别连接在每个第二金属丝202两端且垂直于第二金属丝202的第三金属丝203。图Id是在图Ic的金属丝的基础上，还包括分别连接在每个第三金属丝203两端且垂直于第三金属丝203的第四金属丝204。以此类推，本发明的人造微结构2还可包括分别连接在每个第四金属丝204两端且垂直于第 四金属丝204的第五金属丝，……，分别连接在每个第(M1-I)两端且垂直于第(M1-I)金属丝的第M1金属丝，等等。这里的M1为大于等于4的自然数。这些由“工”字形衍生出的结构都属于本发明的“工”字形人造微结构的衍生结构。采用以上实施例的人造微结构2，主要是对平行于第一金属丝201方向的电场分量进行响应，形成等效电容；当空间中有垂直于第一金属丝201方向的少量电场分量时，垂直于第一金属丝201的其他金属丝也可进行响应。当外加电场为二维电场，即在水平和竖直两个方向都有较大的电场强度时，或者不确定二维电场的方向是水平还是竖直时，可采用图2a、2b、2c所示的人造微结构2制成的超材料。如图2a所示，每个人造微结构2为二维雪花形，其包括相互垂直而连接成“十”字形的两个第一金属丝201、分别连接在每个第一金属丝201两端且垂直于第一金属丝201的第二金属丝202 ;图2b所示的金属丝为二维雪花形的衍生结构，其除具有图2a所示的第一、第二金属丝202外，还包括分别连接在每个第二金属丝202两端且垂直于第二金属丝202的第三金属丝203 ;图2c所示的人造微结构为图2b所示人造为机构的进一步衍生，其除具有图2b所示的第一、第二、第三金属丝203外，还包括分别连接在每个第三金属丝203两端且垂直于第三金属丝203的第四金属丝204。依此类推，本发明的人造微结构2还可包括分别连接在每个第四金属丝204两端且垂直于第四金属丝204的第五金属丝，……，分别连接在每个第(M2-I)两端且垂直于第(M2-I)金属丝的第M2金属丝，等等。这里的M2为大于等于4的自然数。这些人造微结构2均属于二维雪花形人造微结构的衍生结构。采用图2a至2c所示的人造微结构2，能够对平面上的二维电场均能够实现良好的响应，在水平方向和竖直方向的两组第二金属丝202分别形成等效电容叠加，从而使超材料整体体现出较高的介电常数。进一步的，当电场为三维电场，其在相互垂直的X轴、y轴和z轴三个方向上都有相当的分量时，或者不确定电场来自三维空间的哪个方向时，可采用图3a、3b所示的三维的人造微结构2。图3a所示的实施例中，人造微结构2为三维雪花形，包括在三维空间内两两相互垂直且共一交叉连接点的三个第一金属丝201，还包括分别连接在每个第一金属丝201两端且垂直于相应第一金属丝201的第二金属丝202 ;图3b所示的另一实施例为图3a所示三维雪花形人造微结构的衍生结构，人造微结构2除具有与图3a所示结构相同的第一、第二金属丝202外，还包括分别连接在每个第二金属丝202两端且垂直于相应第二金属丝202的第三金属丝203 ;依次类推，三维的人造微结构2还可包括分别连接在每个第三金属丝203两端且垂直于相应第三金属丝203的第四金属丝，……，分别连接在每个第(M3-I)金属丝两端且垂直于相应第(M3-I)金属丝的第M3金属丝，等等。这里的M3为大于等于4的自然数。这些人造微结构均属于三维雪花形人造微结构的衍生结构。与前述一维、二维人造微结构2不同,三维的人造微结构2阵列在基材I内部。以上所有实施例和可行的衍生人造微结构2中，每个第N金属丝被第(N-I)金属丝平分，且长度小于第(N-I)金属丝，这里N为大于I的自然数，例如第四金属丝204被第三金属丝203垂直平分，其长度设置为第三金属丝203长度的1/4。在设计人造微结构2之初，即设计各金属丝之间的长度关系，从而可实现调节最终材料的介电常数的目的。图3a、3b所示的实施例中，x轴、y轴和z轴三个第一金属丝201两端所设的三组第二金属丝202能够分别对来自X轴、y轴和z轴三个方向的电场进行相应，形成有效电容，从而提高超材料整体的介电常数。图4所示实施例是图2a所示实施例的人造微结构的衍生结构，其除具有图2a所示的第一金属丝201和第二金属丝202，且还包括从各第二金属丝202两端分别斜45度向外延伸的斜向金属丝204。本实施例同样能够对电场响应，形成等效电容，提高超材料整体的介电常数。当然，本发明的人造微结构并不仅限于上述实施例所列举的结构，只要是能对电场有响应的人造微结构，均属于本发明的保护范围之内，例如，上述实施例中的第一金属 丝、第二金属丝等并不必然为直线，可以为曲线；或者，人造微结构可以为环形、矩形以及其他任意可实现的结构；每个超材料单元上的人造微结构可以不相同，甚至相互都完全不同。凡是利用在基材上附着金属的人造微结构，使其对电场响应，从而形成等效电容以提高超材料整体的介电常数，这样的材料均属于本发明所要保护的范围。采用本发明的超材料，虽然其结构主体是具有普通介电常数的基材，但是通过与具有极性图案的人造微结构组合，所形成的材料最终的介电常数要远高于基材本身的介电常数，通常为基材的介电常数的5 6倍。因此，本发明的超材料相当于放大了基材的介电常数，以满足现代电磁应用的需求，例如介电常数大有利于减小电容的体积、提高绝缘层的隔离度、缩小器件的尺寸。上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式
，上述的具体实施方式
仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
权利要求
1.一种用作绝缘体的超材料，其特征在于，所述超材料包括绝缘体制成的基材(I)和附着在所述基材(I)上的多个人造微结构(2)，每个所述人造微结构在电场中等效为ー个电容。
2.根据权利要求I所述的用作绝缘体的超材料，其特征在于，所述基材(I)为片状，所述超材料由附着有多个人造微结构(2)的多个片状基材(I)叠加而成。
3.根据权利要求I所述的用作绝缘体的超材料，其特征在于，所述绝缘体为塑料、橡胶、陶瓷、玻璃中的ー种或几种。
4.根据权利要求I所述的用作绝缘体的超材料，其特征在于，每个所述人造微结构(2)的金属丝呈“エ”字形，包括直线形的第一金属丝(201)、分别连接在所述第一金属丝(201)两端且垂直于第一金属丝(201)的第二金属丝(202)。
5.根据权利要求4所述的用作绝缘体的超材料，其特征在于，所述金属丝为所述“エ”字形人造微结构的衍生结构。
6.根据权利要求4所述的用作绝缘体的超材料，其特征在于，所述第二金属丝(202)被第一金属丝(201)平分，且长度小于第一金属丝(201)。
7.根据权利要求I所述的用作绝缘体的超材料，其特征在于，每个所述人造微结构(2)的金属丝为ニ维雪花形，包括相互垂直而连接成“十”字形的两个第一金属丝(201)、分别连接在每个第一金属丝(201)两端且垂直于第一金属丝(201)的第二金属丝(202)。
8.根据权利要求7所述的用作绝缘体的超材料，其特征在于，所述人造微结构(2)为所述平面雪花形人造微结构的衍生结构。
9.根据权利要求I所述的用作绝缘体的超材料，其特征在于，每个所述人造微结构(2)为三维雪花形，包括在三维空间内两两垂直且共ー交点的三个第一金属丝(201)、分别连接在每个第一金属丝(201)两端且垂直于第一金属丝(201)的第二金属丝(202)。
10.根据权利要求9所述的用作绝缘体的超材料，其特征在于，所述人造微结构(2)为所述三维雪花形人造微结构的衍生结构。
全文摘要
本发明涉及一种用作绝缘体的超材料，所述超材料包括绝缘体制成的基材(1)和附着在所述基材(1)上的多个人造微结构(2)，每个所述人造微结构(2)在电场中等效为一个电容。当有电场经过人造微结构，使得人造微结构沿电场方向的两端分别聚集正负电荷从而具有两极，即形成等效电容，该等效电容附着在具有绝缘体上，使得超材料整体的介电常数成倍于绝缘体本身的介电常数。
文档编号B82Y30/00GK102683869SQ20111006180
公开日2012年9月19日 申请日期2011年3月15日 优先权日2011年3月15日
发明者刘若鹏, 栾琳, 王今金, 赵治亚 申请人:深圳光启创新技术有限公司, 深圳光启高等理工研究院