【技术领域】

本发明涉及超材料领域，尤其涉及一种各向同 性的全介电超材料及其制 备方法， 以及一种复合材料说的制备方法。

【背景技术】

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， 可以突破某 些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界 书固有的普通性质的超常材料功 能。超材料的性质和功能主要来自于其内部的 结构而非构成它们的材料， 因 此， 为设计和合成超材料， 人们进行了很多研究工作。 2000 年， 加州大学 的 Smith等人指出周期性排列的金属线和开环共振� ��（SRR) 的复合结构可 以实现介电常数 ε和磁导率 μ同时为负的双负材料， 也称左手材料。之后他 们又通过在印刷电路板 (PCB)上制作金属线和 SRR 复合结构实现了二维的 双负材料。

现有的超材料一般是在介质基板上制造金属微 结构，其金属微结构是在 二维的平面内进行有规律的排布，现有技术很 难将微结构做成三维的立体结 构， 也很难实现将三维结构的微结构很精确地排布 到介质基体中。

另外， 现有技术中， 人造复合材料的制备主要采用以下方式： 在基板上 打立方体的孔， 然后在孔中填充所需介电常数的材料来实现。 但是在对现有 技术的研究和实践过程中， 发明人发现现有技术制备的超材料， 能实现各向 异性， 但是不能实现各向同性。

【发明内容】

本发明为解决上述技术问题是提供一种各向同 性的全介电超材料及其 制备方法。 本发明实现发明目的采用的技术方案是， 一种各向同性的全介电超材 料， 包括多个层叠的介质基板， 所述介质基板上设置有多个半球形凹槽， 相 邻的两个介质基板上的半球形凹槽对称设置形 成多个球形空穴，所述球形空 穴内填充有球形颗粒状的介电材料。

更好地， 所述介电材料为具有球形结构的陶瓷微球颗粒 。

更好地， 所述多个球形空穴的大小不同。

更好地， 所述介质基板为特氟龙材料。

本发明还提供一种各向同性的全介电超材料的 制备方法， 包括以下歩 骤：

a.通过机械加工的方法在第一介质基板上加工� ��多个半球形凹槽结构； b.在所述多个半球形凹槽结构内分别放入球形� ��粒状的介电材料； c.在第二介质基板加工出与第一介质基板对称� ��多个半球形凹槽结构， 并将第二介质基板层叠在第一介质基板上，使 球形颗粒状的介电材料处于对 称设置的多个半球形凹槽结构形成的球形空穴 之中；

d.重复歩骤£1、 b、 c， 将多个介质基板依次层叠， 得到各向同性的全介 电超材料。

更好地， 所述 a歩骤还包括： 控制所述多个半球形凹槽结构具有预定的 排布规律。

更好地， 所述 a歩骤还包括： 控制所述多个半球形凹槽结构具有不同的 大小。

更好地， 所述 b歩骤还包括： 控制在各个半球形凹槽结构内放入的球形 颗粒状的介电材料不同。

更好地， 所述介电材料为陶瓷材料。

更好地， 所述介质基板为特氟龙材料。

根据本发明制备方法制得的各向同性的全介电 超材料具有损耗低，易于 实现各向同性和应用于红外光频段的优点。 并且， 本发明加工制造方便， 通 过控制球形状介电材料的大小、排布规律和选 择合适的材料等， 可以对超材 料各个基板单元的电磁特性能实现精确控制， 具有灵活的电磁特性设计途 径。 本发明又提供了一种复合材料的制备方法， 该方法包括：

在第一基板上成型出预设阵列的半球形凹槽；

在第一基板的半球形凹槽中填充预置的球形介 电材料，球形介电材料的 直径与所填充的半球形凹槽的直径相同；

在第二基板上成型出与第一基板相同的半球形 凹槽；

将第二基板与第一基板进行拼接，使球形介电 材料内嵌到第一基板与第 二基板拼接所得的球形空腔中， 获得以球形介电材料为微结构的复合材料。

通过在两块基板上成型出预设阵列的半球型凹 槽，当两块基板进行拼接 时可获得球形空腔，将直径与所填充空腔直径 相同的球形介电材料内嵌到球 形空腔中， 从而得到以球形空腔形状为微结构的复合材料 ， 制备简单， 并且 由于微结构是球形的， 因此可实现各向同性。

【附图说明】

图 1， 本发明一实施例中的介质基板的结构示意图。

图 2， 超材料实施例 1的制备示意图。

图 3， 超材料实施例 2的制备示意图。

图 4， 超材料实施例 3的制备示意图。

图 5， 本发明一实施例中的复合材料的制备状态图。

图 6， 本发明提供的复合材料制备方法的实施例 1的流程图。

图 7， 本发明提供的复合材料制备方法的实施例 2的流程图。

图 8， 本发明提供的复合材料制备方法的实施例 3的流程图。

【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 。

图 1-4中描述了本发明的超材料及其制备过程。

超材料实施例 1

一种各向同性的全介电超材料， 包括多个层叠的介质基板， 介质基板的 结构示意图参看附图 1， 介质基板 1上设置有多个半球形凹槽 2， 在超材料 中， 相邻的两个介质基板 1上的半球形凹槽对称设置形成多个球形空穴� � 球 形空穴内填充有球形颗粒状的介电材料 3，超材料的制备示意图参看附图 2。 本实施例中， 各个球形空穴具有相同的大小， 球形颗粒状的介电材料 3也选 择同一的陶瓷微球颗粒， 介质基板 1 采用玻璃纤维环氧树脂基板。 附图 1 和附图 2中的半球形凹槽 2均为放大后的示意图，其个数不代表实际的� �量。

本实施例各向同性的全介电超材料的制备方法 包括以下歩骤：

a.通过机械加工的方法在第一介质基板上加工� ��多个半球形凹槽结构， 具体实施时可以采用数控机床进行加工，加工 出来的半球形凹槽结构的尺寸 范围在毫米量级；

b.在多个半球形凹槽结构内分别放入陶瓷微球� ��粒；

c.在第二介质基板加工出与第一介质基板对称� ��多个半球形凹槽结构， 并将第二介质基板层叠在第一介质基板上，使 球形颗粒状的介电材料处于对 称设置的多个半球形凹槽结构形成的球形空穴 之中；

d.重复歩骤£1、 b、 c， 将多个介质基板依次层叠， 由于陶瓷微球颗粒为 球形结构， 在将多个介质基板依次层叠后， 相当于在介质基板的内部形成了 具有三维结构的球形微结构， 其球形结构保证了微结构的各向同性的特性， 而同时， 微结构和介质基板均属于介电材料， 从而得到各向同性的全介电超 材料。

根据本发明制备方法制得的各向同性的全介电 超材料具有损耗低，易于 实现各向同性和应用于红外光频段的优点，为 在介质基体材料中制备三维结 构的微结构提供了一种途径和方法。 超材料实施例 2

一种各向同性的全介电超材料， 包括多个层叠的介质基板， 介质基板 1 上设置有多个半球形凹槽 2， 在超材料中， 相邻的两个介质基板 1上的半球 形凹槽对称设置形成多个球形空穴， 球形空穴内填充有陶瓷微球颗粒 3， 多 层介质基板层叠后， 形成的多层球形空穴， 本实施例中各层球形空穴中的陶 瓷微球颗粒呈大小交替重复， 超材料的制备示意图参看附图 3。 附图 3中的 半球形凹槽 2为放大后的示意图， 其个数不代表实际的数量。

本实施例各向同性的全介电超材料的制备方法 包括以下歩骤： a.通过机械加工的方法在第一介质基板上加工� ��多个半球形凹槽结构， 具体实施时可以采用数控机床进行加工，加工 出来的半球形凹槽结构的尺寸 范围在毫米量级；

b.在多个半球形凹槽结构内分别放入陶瓷微球� ��粒；

c.在第二介质基板加工出与第一介质基板对称� ��多个半球形凹槽结构， 并将第二介质基板层叠在第一介质基板上，使 球形颗粒状的介电材料处于对 称设置的多个半球形凹槽结构形成的球形空穴 之中；

d.重复歩骤£1、 b、 c， 将多个介质基板依次层叠， 并使各层球形空穴中 的陶瓷微球颗粒呈大小交替重复， 由于陶瓷微球颗粒为球形结构， 在将多个 介质基板依次层叠后，相当于在介质基板的内 部形成了具有三维结构的球形 微结构， 其球形结构保证了微结构的各向同性的特性， 而同时， 微结构和介 质基板均属于介电材料， 从而得到各向同性的全介电超材料。

本实施例中， 各层球形空穴中的陶瓷微球颗粒呈大小交替重 复， 可以实 现负介电常数和负磁导率， 其原理是： 由于陶瓷微球颗粒的介电常数远大于 介质基板， 波长和陶瓷微球颗粒的尺寸相近的电磁波可以 在球内产生米共 振， 大量同一尺寸的陶瓷微球颗粒可以加强这种共 振， 而两种不同尺寸的陶 瓷微球颗粒， 可以分别提供有效负介电常数和有效负磁导率 。

根据本发明制备方法制得的各向同性的全介电 超材料具有损耗低，易于 实现各向同性和应用于红外光频段的优点，为 在介质基体材料中制备三维结 构的微结构提供了一种途径和方法。 超材料实施例 3

一种各向同性的全介电超材料， 包括多个层叠的介质基板， 介质基板上 设置有多个半球形凹槽， 在超材料中， 相邻的两个介质基板 1上的半球形凹 槽对称设置形成多个球形空穴， 球形空穴内填充有陶瓷微球颗粒 3， 超材料 的制备示意图参看附图 4。 本实施例中， 各个球形空穴具有非均匀的大小， 陶瓷微球颗粒 3的大小由周边向中间逐渐增大，介质基板 1采用特氟龙材料。 图 4中的半球形凹槽 2以及陶瓷微球颗粒 3为放大后的示意图，其个数不代 表实际的数量。 本实施例各向同性的全介电超材料的制备方法 包括以下歩骤： a.通过机械加工的方法在第一介质基板上加工� ��多个半球形凹槽结构， 具体实施时可以采用数控机床进行加工，加工 出来的半球形凹槽结构的尺寸 范围在毫米量级， 加工时， 精确控制半球形凹槽结构的直径， 使其直径大小 由周边向中间逐渐增大；

b.在多个半球形凹槽结构内分别放入陶瓷微球� ��粒， 陶瓷微球颗粒； c.在第二介质基板加工出与第一介质基板对称� ��多个半球形凹槽结构， 并将第二介质基板层叠在第一介质基板上，使 球形颗粒状的介电材料处于对 称设置的多个半球形凹槽结构形成的球形空穴 之中；

d.重复歩骤£1、 b、 c， 将多个介质基板依次层叠， 由于陶瓷微球颗粒为 球形结构， 在将多个介质基板依次层叠后， 相当于在介质基板的内部形成了 具有三维结构的球形微结构， 其球形结构保证了微结构的各向同性的特性， 而同时， 微结构和介质基板均属于介电材料， 从而得到各向同性的全介电超 材料。

具体实施时， 本实施例中陶瓷微球颗粒可以选择不同的材料 ， 以进一歩 实现对超材料各个基板单元的电磁参数如介电 常数的精确控制。

根据本发明制备方法制得的各向同性的全介电 超材料具有损耗低，易于 实现各向同性和应用于红外光频段的优点。 并且， 本发明加工制造方便， 通 过控制球形状介电材料的大小、排布规律和选 择合适的材料等， 可以对超材 料各个基板单元的电磁特性能实现精确控制， 具有灵活的电磁特性设计途 径。 图 5-8中描述了本发明的复合材料及其制备过程。 参见图 5， 为本发明 实施例提供的复合材料的制备状态图， 包括：

在第一基板上成型出预设阵列的半球形凹槽后 所示的状态图 11 ; 在第 一极板的半球形凹槽中填充预置的球形介电材 料后所示的状态图 12 ; 在第 二基板上成型出与第一基板相同的半球形凹槽 后所示的状态图 13; 将第二 基板与第一基板进行拼接，使球形介电材料内 嵌到第一基板与第二基板拼接 所得的球形空腔中，获得以球形介电材料为微 结构的复合材料后所示的状态 图 14。

以上可以看出，本发明实施例制备的复合材料 以第一基板与第二基板为 基材， 在基材中嵌入了球形介电材料， 由于球形介电材料的介电常数与基材 的介电常数不同， 因此球形介电材料可以看作在其材上形成的微 结构。在具 体的实施过程中， 可根据所需的电磁特性， 选择球形介电材料的尺寸及材料 的种类，制备简单，并且由于微结构的形状是 球形的， 因此可实现各向同性。 复合材料制备实施例 1、

参见图 6， 是本发明实施例一提供的一种复合材料的制备 方法流程图， 该制备方法包括：

S21 : 在第一基板上成型出预设阵列的半球形凹槽。

具体的， 可采用数控机床或者电火花机床加工。

S22 : 在第一基板的半球形凹槽中填充预置的球形介 电材料， 球形介电 材料的直径与所填充的半球形凹槽的直径相同 。

其中， 球形介电材料的介电常数大于第一基板材料的 介电常数； 各球形 介电材料的直径为毫米量级。

S23 : 在第二基板上成型出与第一基板相同的半球形 凹槽。

其中， 第二基板与第一基板的材料种类相同或者不同 ， 在具体的实施过 程中， 根据所需的复合材料性质进行选择。

S24 : 将第二基板与第一基板进行拼接， 使球形介电材料内嵌到第一基 板与第二基板拼接所得的球形空腔中， 获得复合材料。

其中， 球形介电材料的介电常数大于第二基板材料的 介电常数。

本实施例中，通过在第一基板和第二基板上分 别成型出预设阵列的半球 型凹槽， 当第一基板和第二基板进行拼接时可获得球形 空腔， 将直径与所填 充空腔直径相同的球形介电材料内嵌到球形空 腔中，从而得到以球形空腔形 状为微结构的复合材料， 制备简单， 并且由于微结构是球形的， 因此可实现 各向同性。 复合材料制备实施例 2 参见图 7， 是本发明实施例二提供的一种复合材料的制备 方法流程图， 该制备方法包括：

S31 : 在第一基板上成型出预设阵列的半球形凹槽。 具体的， 可采用数 控机床或者电火花机床加工。

其中， 第一基板为介电材料基板。 例如， 第一基板的材料为铁氟龙。 S32 : 在第一基板的所有半球形凹槽中填充预置的球 形介电材料， 球形 介电材料的直径与所填充的半球形凹槽的直径 相同。

其中， 各球形介电材料的直径为毫米量级； 各球形介电材料的介电常数 均大于第一基板的介电常数； 各球形介电材料的材料种类相同， 例如各球形 介电材料为陶瓷微球， 各球形介电材料也可以不同。

其中， 各半球形凹槽的直径可以相同， 也可以不同。

S33 : 在第二基板上成型出与第一基板相同的半球形 凹槽。

其中， 第二基板为介电材料基板， 第二基板与第一基板的材料种类相同 或者不同， 在具体的实施过程中， 根据所需的复合材料性质进行选择。

S34 : 将第二基板与第一基板进行拼接， 使球形介电材料内嵌到第一基 板与第二基板拼接所得的球形空腔中，获得以 球形介电材料为微结构的复合 材料。

S35 : 将至少两个拼接后的第一基板和第二基板进行 叠层， 获得以球形 微介电材料为微结构的三维结构的复合材料。

具体的，可采用粘结剂将至少两个拼接后的第 一基板和第二基板进行叠 层， 获得以球形介电材料为微结构的三维结构的复 合材料。

其中， 球形介电材料的介电常数大于第二基板材料的 介电常数。

本实施例中，第一基板与第二基板拼接所得的 球形空腔中全部填充球形 介电材料。 复合材料制备实施例 3、

参见图 8， 是本发明实施例三提供的一种复合材料的制备 方法流程图， 该制备方法包括：

S41 : 在第一基板上成型出预设阵列的半球形凹槽。 具体的， 可采用数 控机床或者电火花机床加工。

其中， 第一基板为介电材料基板。 例如， 第一基板的材料为铁氟龙。

S42 : 在第一基板的部分半球形凹槽中填充预置的球 形介电材料， 球形 介电材料的直径与所填充的半球形凹槽的直径 相同，剩余部分半球型凹槽中 填充空气。

其中， 各球形介电材料的介电常数均大于第一基板的 介电常数； 各球形 介电材料的材料种类相同， 例如各球形介电材料为陶瓷微球， 各球形介电材 料也可以不同。

其中， 半球形凹槽的直径为毫米量级； 各半球形凹槽的直径可以相同， 也可以不同。

S43 : 在第二基板上成型出与第一基板相同的半球形 凹槽。

其中， 第二基板为介电材料基板， 第二基板与第一基板的材料种类相同 或者不同， 在具体的实施过程中， 根据所需的复合材料性质进行选择。

S44 : 将第二基板与第一基板进行拼接， 使球形介电材料内嵌到第一基 板与第二基板拼接所得的球形空腔中，获得以 球形介电材料以及球形空腔为 微结构的复合材料。

其中， 球形介电材料的介电常数大于第二基板材料的 介电常数。

S45 : 将至少两个拼接后的第一基板和第二基板进行 叠层， 获得以球形 微介电材料和空腔为微结构的三维结构的复合 材料。

本实施例中，第一基板与第二基板拼接所得的 球形空腔中部分填充球形 介电材料， 剩余部分填充空气。 在具体的实施过程中， 根据需要选择适合的 实施例。 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。