本发明涉及超材料领域，更具体地说，涉及一 种高强度超材料及其制备方 法。 背景技术

超材料是一种新型人工合成材料，具有特殊的 电磁响应特性， 因而可广泛 应用在电磁通信等领域。

超材料包括基材和附着在基材上的人造微结构 ，通常人造微结构为具有一 定几何图案如 "工"字形、 开口谐振环等形状的金属丝， 基材为平板形， 通常 选用陶瓷等介电常数和磁导率接近于空气的材 料，也就是说基材对电磁响应的 影响比较小。

超材料通常包括多个基材平板， 通常将各个基材相互平行地堆叠到一起， 然后通过封装工艺将它们组成一个整体。 这种平板叠加的结构具有定位简单、 封装简易的好处， 但是缺点是强度不够大、 厚重、 基材材料耗用大。 发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术 的上述缺陷，提供一种高强 度超材料及其制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： 构造一种高强度超材料，包 括基材和附着在所述基材上的人造微结构， 所述基材的横截面成栅格形。

在本发明所述的高强度超材料中，所述栅格的 各个格单元为矩形或者菱形 或圆形。

本发明还提供一种高强度超材料的制备方法， 包括以下步骤：

Sl、 制成平板形基材片层； 52、 在所述基材片层上附着人造微结构， 得到超材料片层；

53、 将所述超材料片层弯折成锯齿形；

54、 将多个锯齿形超材料片层叠加起来， 并结合成一体。

在本发明所述的制备方法中， 所述步骤 S2通过蚀刻或印刷工艺附着人造 微结构。

在本发明所述的制备方法中， 所述步骤 S3通过热压成型工艺制成。

在本发明所述的制备方法中，所述锯齿的每个 齿牙为矩形或三角形或半圆 形。

在本发明所述的制备方法中， 所述步骤 S4包括以下步骤：

541、 将多个锯齿形超材料片层自下而上堆叠放置；

542、 对所述多个锯齿形超材料片层加热， 且加热温度低于所述基材片层 的熔点；

543、 挤压所述多个锯齿形超材料片层， 使相邻两锯齿形超材料片层的接 触点融合到一起， 从而将二者连接结合。

在本发明所述的制备方法中， 所述步骤 S4是通过点焊工艺将任意相邻两 锯齿形超材料片层连接而实现的。

在本发明所述的制备方法中， 所述步骤 S4通过超材料片层上的螺紋孔和 螺栓配合， 实现各锯齿形超材料片层的连接结合。

在本发明所述的制备方法中， 所述基材的材料为聚四氟乙烯或环氧树脂。 采用本发明的高强度超材料及其制备方法，具 有以下有益效果：采用本发 明方法，可以一次将多个超材料片层粘合而直 接制得高强度超材料，操作简单， 无需特别设备， 制造成本低， 且制得的超材料， 其基材具有栅格形横截面， 抗 冲击强度高、 质量轻便。 附图说明

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 1是本发明的高强度超材料的制备方法的流程� �；

图 2是图 1所示步骤 S4的具体流程图； 图 3是经过步骤 SI得到的基材片层的侧视图；

图 4是图 3所述基材片层经过步骤 S2得到的超材料片层的侧视图； 图 5是图 4所示超材料片层的俯视图；

图 6是图 4、 图 5所示超材料片层经过步骤 S3后的侧视图；

图 7是图 6所示锯齿形超材料片层的俯视图；

图 8是多个图 7所示锯齿形超材料片层堆叠的侧视图；

图 9是图 8所示多个锯齿形超材料片层结合到一起所构� �的高强度超材料 图 10是图 9所示高强度超材料的立体结构图。

图 11为本发明的高强度超材料另一实施例的横截� ��示意图；

图 12是本发明的高强度超材料又一实施例的横截� ��示意图。 具体实施方式

本发明涉及一种高强度超材料， 包括基材和附着在基材上的人造微结构。 现有的基材通常选用介电常数和磁导率接近于 空气的材料，例如塑料、陶 瓷等。本发明优选热塑性塑料材料， 并利用其受热可变形的能力， 来形成具有 特殊横截面结构的基材。

如图 9所示，本发明的基材以一直线为轴线，垂直� �该轴线的一切面截得 的基材切面为横截面， 本发明的基材其横截面为栅格形。栅格形， 为由一封闭 曲线以一规律阵列且相邻的两封闭曲线相接触 而组成的图形，每个封闭曲线即 为一个栅格单元。 如图 8、 图 9所示的高强度超材料， 其栅格单元为矩形， 可 以看作是由 形和一条直线 "一"构成的。 又如图 11所示的基材横截面， 其栅格单元为菱形， 可以看作是以菱形对角线为对称轴的两个三角 形构成的。 又如图 12基材横截面， 其栅格单元为圆环， 可以看作是由两个半圆相接而成。 当然， 本发明的栅格单元并不必然为规则的几何图形 ， 也可以是其它任意封闭 曲线， 且所组成的栅格形横截面并不必然其每个栅格 单元都完全相同， 允许存 在一定的变形， 或者有局部为实心填充。

采用本发明的栅格形结构的基材，使超材料的 主体为空心结构，大大减小 了超材料的重量， 而这种栅格形结构， 类似于蜂窝， 各个栅格单元之间相互支 撑， 一旦受到冲击或挤压， 又会相互牵制， 阻止变形， 因此， 采用这样的结构 能大大提高抗冲击能力， 不易变形。

人造微结构 2分布在基材表面上，通常为具有一定几何形� �的金属丝，例 如 "工"字形、 雪花形、 开口谐振环等。 因为人造微结构 2的存在， 使得基材 和人造微结构 2构成的超材料能够对电场和磁场产生响应，� �而改变电磁波的 传播方向， 引起电磁波汇聚、 发散、 偏折等效果。

而由于人造微结构 2是附着在基材上的，如果采用传统的注塑、� �注等工 艺一次成型得到栅格形基材的话， 人造微结构 2很难再一一制造到基材上， 因 为每个栅格都沿轴线方向有一定的纵深，很难 保证在纵深内部附着人造微结构 的同时可以不破坏到旁边的基材。而且现在传 统的附着人造微结构的工艺是电 镀、沉淀、蚀刻等， 在已经成型的栅格形基材上很难划分需要附着 人造微结构 的区域和空白区域。

因此， 对于本发明这样的栅格形超材料， 需要设计一种新的制备方法， 如 图 1所示。 本发明的高强度超材料的制备工艺依次包括如 下步骤：

51、 制成平板形基材片层 1 ;

52、 在所述基材片层 1上附着人造微结构， 得到超材料片层 3 ;

53、 将所述超材料片层 3弯折成锯齿形；

54、 将多个锯齿形超材料片层 3叠加起来， 并结合成一体。

步骤 S1中， 基板片层选用热塑性塑料材料， 包括环氧树脂、 聚四氟乙烯 等。 利用普通的塑料成型工艺例如注塑成型来实现 ， 制得的基材片层 1如图 3 所示。

步骤 S2中， 在基材片层 1上附着人造微结构可以通过电镀、沉积、蚀� �、 印刷等工艺实现。 例如， 步骤 S2采用蚀刻工艺实现。 这里的蚀刻工艺， 通常 是指光化学蚀刻 （photochemical etching ) , 类似于 PCB的制作， 即先在基 材片层表面沉积一层金属箔层， 通过曝光制版、 显影后， 将要蚀刻区域的 保护膜去除， 在蚀刻时该区域的金属接触化学溶液， 被溶解腐蚀， 余下的 为具有一定几何形状图案的金属线， 即为人造微结构， 得到的超材料片层 3如图 4、 图 5所示。

步骤 S2也可采用印刷工艺印制到基材片层上。 类似于传统的打印机， 将 一定粒度范围的金属粉末颗粒放置于一打印机 器中，在需要设置人造微结构的 区域，将金属颗粒推到基材片层的该区域上并 加热融化， 使金属颗粒融化成一 体形成一条金属丝线， 形成 "打印"人造微结构 2的效果。

采用印刷工艺制作人造微结构的具体工艺， 还可以参考专利 "Fabrication of electronic components in plastic" (申请号 EP20060752653 , 发明人 David Victor Thiel禾口 Neeli Madhusudanrao )， 其米用压花机 (embossing machine) 在 塑料基材片层 1上印制具有一定几何图案的导电人造微结构� �这个发明专利说 明本发明的步骤 S2是可行的。

依次制得各个人造微结构，则基板片层及其上 的人造微结构共同构成一个 超材料片层 3。

步骤 S3中， 锯齿形是指具有一定形状的齿牙沿一直线方向 重复循环地延 伸而形成的曲线， 齿牙不为直线且不封闭。 如图 5所示的锯齿形超材料片层 3 中， 每个齿牙为一个" U "形线的末端接有一个 "一"形直线组成的形状， 为 开口的近似矩形， 其对应的锯齿形为这样的齿牙沿平行于 "一"形直线的方向 循环延伸得到的曲线。

图 10所示的超材料， 其栅格形横截面可以看成由两条锯齿形曲线依 次交 替地沿垂直于其齿牙延伸方向堆叠而形成的， 且这两条锯齿形曲线对称设置， 每个锯齿形的齿牙为开口的近似的三角形， 即 " Λ "形。 每两个对称的 " Λ " 形即构成一个栅格单元的菱形。

又如图 11所示的超材料， 其横截面为圆形栅格， 也可以看作是由两条对 称的半圆形锯齿形曲线依次交替堆叠而成， 每个锯齿形曲线的齿牙为半圆形。

要将平板形的超材料片层 3 弯折成上述锯齿形， 对于热塑性塑料基材片 层， 通常采用热压成型工艺。为了更好的成型， 在成型机的凹模侧可设置抽负 压， 以使各拐角处充分成型， 得到的锯齿形超材料片层 3如图 6、 图 7所示。

步骤 S4中， 将多个锯齿形超材料片层 3结合成一体， 有多种实现方式， 可以用机械连接， 也可采用物理化学粘接。 例如，本发明可采用点焊工艺将相邻两个超材 料片层 3焊接到一起，然后 多个依次焊接， 这样操作比较复杂， 且只能点焊超材料片层 3最外侧的位置， 稳固性不佳。另外， 也可采用在相邻两超材料片层 3上打螺紋孔然后用螺栓连 接的方式， 同样存在操作复杂的问题。

因此， 本发明提出一种优选的连接方式， 如图 2所示， 包括以下步骤：

541、 将多个锯齿形超材料片层 3自下而上堆叠放置， 如图 8所示；

542、 对所述多个锯齿形超材料片层 3加热， 且加热温度低于所述基材片 层的熔点；

543、 挤压所述多个锯齿形超材料片层 3， 使相邻两锯齿形超材料片层 3 的接触点融合到一起， 如图 9所示， 从而将二者连接结合。

采用这种方法，可以一次将多个超材料片层 3粘合，制得的高强度超材料 如图 10所示。 这样制得的超材料， 其基材是由多个锯齿形基材片层构成的， 具有栅格形横截面， 因而具有抗冲击强度高、质量轻的特点。通过 设计平板形 基材片层 1上的人造微结构，可以设计出具有不同电磁� �应特性的超材料从而 实现各种功能， 例如透镜、 光束压缩器、 光束移动器等。

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。