专利名称：一种超材料制备方法及超材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及超材料领域，具体地涉及超材料的复合制备技术。背景技术：
所谓超材料，是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通的超常材料功能。如，超材料有多层超材料功能板层叠或阵列而成，超材料功能板由介质基板和设置在介质基板上的多个金属微结构组成，超材料可以提供各种普通材料具有和不具有的材料特性。单个金属微结构大小一般小于1/10 个波长，其对外加电场或磁场具有电响应或磁响应，从而具有表现出等效介电常数或等效磁导率，或者波阻抗。金属微结构的等效介电常数和等效磁导率(或波阻抗)由单元几何尺寸参数决定，可人为设计和控制。并且，金属微结构可以具有人为设计的电磁参数，从而产生许多新奇的现象。现有超材料功能板的人造微结构一般阵列在介质基板的表面或里面，各层超材料功能板紧密结合形成整个超材料，其各个单元的等效介电常数或等效磁导率为介质基板和人造微结构两者的介电常数或磁导率的叠加，由于介质基板的选材受超材料功能应用的限制，其介电常数和磁导率的可选择性有限，所以只能通过改变人造微结构来实现整个超材料的等效介电常数或等效磁导率的改变，而人造微结构通过特定的排布规律虽然能实现对电磁波产生特定的响应，但不能较大范围的影响整个超材料的介电常数和磁导率，因此整个超材料整体介电常数和磁导率的大小的设计依然灵活性不够，具有很多局限性。
发明内容本发明所要解决的技术问题是提供一种能灵活设定超材料介电常数和磁导率大小的超材料制备方法，并提供一种由该制备方法得到的超材料。本发明实现发明目的采用的技术方案是，一种超材料制备方法，包括以下步骤a.在超材料功能板的介质基板上阵列多个人造微结构，形成超材料功能板；b.将多个超材料功能板按预定的间距固定在模具内；c.根据超材料需要的介电常数和/或磁导率选择用于溶胶凝胶反应的反应物；d.将反应物混合均勻得到溶胶凝胶反应的前驱液；e.将前驱液注入所述模具内，进行溶胶凝胶反应；f.对模具内溶胶凝胶反应完全后的超材料进行干燥，脱模后得到超材料。所述e步骤中的溶胶凝胶反应过程为前驱液先经水解反应得到溶胶，然后经缩合或聚合反应得到湿凝胶。优选地，所述f步骤中的干燥步骤后还包括一热处理步骤，所述热处理步骤为对所述超材料的高温烧结步骤。优选地，所述步骤a中，通过化学蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法
3在超材料功能板的介质基板上阵列多个人造微结构。本发明还提供一种超材料，由多层超材料功能板组合而成，所述超材料功能板包括介质基板以及阵列在介质基板上的多个人造微结构，其特征在于所述超材料功能板之间形成有一体化成型材料，所述一体化成型材料由溶胶凝胶工艺制备。使用本发明的超材料制备方法及超材料，可以通过溶胶凝胶工艺技术对超材料的介电常数和磁导率进行任意地设计，具有更广泛的材料选择性，从而极大地扩展了超材料的功能应用范围，同时本发明通过溶胶凝胶工艺技术所制得的超材料功能板之间的间隔材料能达到纳米级别，具有很好的均一性，从而使超材料在整体介电常数和磁导率的控制上更为精确。
图1，超材料功能板的结构图。图2，装入模具内的超材料功能板。图3，溶胶凝胶反应中的超材料。图4，超材料的内部结构图。图中，1超材料功能板、2干凝胶材料、3、溶胶凝胶、4模具、11介质基板、12人造微结构。
具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。超材料由多层超材料功能板组合而成，超材料功能板包括介质基板以及阵列在介质基板上的多个人造微结构，介质基板主要的作用是在机械性能上适应应用环境的需要以固定人造微结构阵列，在选材上可选用陶瓷、高分子材料、聚四氟乙烯、铁电材料、铁氧材料、铁磁材料等等，根据不同的应用领域可以按需要选择。人造微结构可选择各种金属材料，通过设计各个人造微结构的具体结构，可以使人造微结构在整体上呈现出一定的排布规律，进而对电磁波形成某些特殊响应，以达到具体的功能应用。现有的超材料在结构上一般是多层超材料功能板紧密层叠而成，在满足了功能应用的同时其整体介电常数和磁导率的大小取决于介质基板的材料，因而选择性有限。实施例1以具有高分子材料介质基板的超材料为例，虽然高分子材料具有良好的机械性能，但高分子材料普遍介电常数低，为获得更高的介电常数，采用本发明的方法可以很方便地选择具有高介电常数的钛酸铜钙(CaCu3Ti4O12)通过溶胶凝胶工艺制备超材料，其具体制备过程如下a.在超材料功能板的介质基板上阵列多个人造微结构，形成超材料功能板；b.将多个超材料功能板按预定的间距固定在模具内；c.按摩尔比Ca Cu Ti为1 3 4的比例准确称量硝酸钙(浓度99% )、硝酸铜(浓度99.5%)、钛酸丁酯(分析纯)待用，以无水乙醇作为溶剂，以冰醋酸为螯合剂， 以柠檬酸为胶体络合剂准备待用；d.将钛酸丁酯快速加入无水乙醇中，快速搅拌后加入一定量的冰醋酸，得到均勻透明的混合溶液，然后加入硝酸控制溶液体系为酸性，1小时后将硝酸钙和硝酸铜缓慢加入到钛酸丁酯溶液中，缓慢搅拌反应1小时后加入柠檬酸，柠檬酸的摩尔数与溶液中金属离子的摩尔数相当，得到溶胶凝胶反应的前驱液；e.将前驱液注入模具内，在室温下进行溶胶凝胶反应得到透明呈蓝绿色的湿凝胶；f.对湿凝胶置于35度的干燥箱内约18小时，脱模后得到超材料。本实施例的工艺示意图可参看附图1-附图3，图1为超材料功能板的结构图，图 2为装入模具内的超材料功能板，图3为溶胶凝胶反应中的超材料，由上述方法制得的超材料的内部结构图可参考附图4，由多层超材料功能板1以及一体化成型于各层超材料功能板1之间的干凝胶材料2组成，超材料功能板1包括介质基板11以及阵列在介质基板上的多个人造微结构12，因为超材料功能板1之间形成有干凝胶材料2，所以通过上述方法制得的该超材料在整体的介电常数上得到提高，不仅材料选择性大，而且制备工艺简单方便。应当理解，当超材料需要较小介电常数时，本领域技术人员完全可以根据材料的性能参数，进行适当选择后由溶胶凝胶工艺进行制备。实施例2有时候，为使超材料获得更高的磁导率，采用本发明的方法后可以很方便地实现， 以具有高磁导率的钴镍铁氧体(COl_xNi/e204)为例，通过溶胶凝胶工艺制备超材料的具体过程如下a.在超材料功能板的介质基板上阵列多个人造微结构，形成超材料功能板；b.将多个超材料功能板按预定的间距固定在模具内；c.首先称取一定量的柠檬酸加入到蒸馏水中在80°C的恒温水浴中恒温加热， 待柠檬酸完全溶解后依次加入硝酸铁、硝酸钴以及硝酸镍，其中，钴镍离子的摩尔比为 0.5 0.5，硝酸铁与柠檬酸的摩尔比为1 1;d.将上述溶液强力搅拌使其混合均勻，得到前驱液；e.将前驱液注入模具内，在室温下进行溶胶凝胶反应得到棕黄色的透明的湿凝胶，将模具置于80°C的烘箱中干燥得到干凝胶；f.将模具置于马弗炉中在300°C的温度下煅烧1小时，脱模后得到超材料。由上述方法制得的超材料由于超材料功能板之间形成有具有高磁导率的钴镍铁氧体(Coa5Nia5Fe2O4)，所以超材料的整体磁导率得到提高，应当理解，通过溶胶凝胶工艺可以为超材料提供各种合适的磁导率选择，其设计相当灵活，制备工艺简单方便。在上述实施例中，仅对本发明进行了示范性描述，但是本领域技术人员在阅读本专利申请后可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改。
权利要求
1.一种超材料制备方法，包括以下步骤a.在超材料功能板的介质基板上阵列多个人造微结构，形成超材料功能板；b.将多个超材料功能板按预定的间距固定在模具内；c.根据超材料需要的介电常数和/或磁导率选择用于溶胶凝胶反应的反应物；d.将反应物混合均勻得到溶胶凝胶反应的前驱液；e.将前驱液注入所述模具内，进行溶胶凝胶反应；f.对模具内溶胶凝胶反应完全后的超材料进行干燥，脱模后得到超材料。
2.根据权利要求1所述的一种超材料制备方法，其特征在于所述e步骤中的溶胶凝胶反应过程为前驱液先经水解反应得到溶胶，然后经缩合或聚合反应得到湿凝胶。
3.根据权利要求1所述的一种超材料制备方法，其特征在于所述f步骤中的干燥步骤后还包括一热处理步骤，所述热处理步骤为对所述超材料的高温烧结步骤。
4.根据权利要求1至3任一所述的一种超材料制备方法，其特征在于所述步骤a中， 通过化学蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法在超材料功能板的介质基板上阵列多个人造微结构。
5.一种超材料，由多层超材料功能板组合而成，所述超材料功能板包括介质基板以及阵列在介质基板上的多个人造微结构，其特征在于所述超材料功能板之间形成有一体化成型材料，所述一体化成型材料由溶胶凝胶工艺制备。
全文摘要
本发明提供一种能灵活设定超材料介电常数和磁导率大小的超材料制备方法及超材料，由该方法制得的超材料，由多层超材料功能板组合而成，所述超材料功能板包括介质基板以及阵列在介质基板上的多个人造微结构，所述超材料功能板之间形成有一体化成型材料，所述一体化成型材料由溶胶凝胶工艺制备。使用本发明的超材料制备方法及超材料，可以对超材料的介电常数和磁导率进行任意地设计，具有更广泛的材料选择性，从而极大地扩展了超材料的功能应用范围。
文档编号H01Q15/00GK102480003SQ20111007409
公开日2012年5月30日 申请日期2011年3月25日 优先权日2011年3月25日
发明者刘若鹏, 王文剑, 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