專利名稱：超材料的制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超材料領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種超材料的制備工藝。
背景技術(shù)：
超材料是一種新型人工合成材料，具有特殊的電磁響應(yīng)特性，因而可廣泛應(yīng)用在電磁通信等領(lǐng)域。超材料包括至少一材料片層，每一材料片層包括一平板形的基材和附著在基材上的人造金屬微結(jié)構(gòu)，所述基材主要是玻璃纖維環(huán)氧樹脂固化片，所述人造金屬微結(jié)構(gòu)通常為具有一定幾何圖案如“工”字形、雪花形、開口諧振環(huán)等形狀的金屬絲。然而，由于現(xiàn)有超材料的制備工藝是借鑒PCB的加工工藝，即先在基材片層表面 沉積一層金屬箔層，通過曝光制版、顯影后，將要蝕刻區(qū)域的保護膜去除，在蝕刻時該區(qū)域的金屬接觸化學(xué)溶液，被溶解腐蝕，余下的為具有一定幾何形狀圖案的金屬線。因此大部分基材的材質(zhì)只能是主要成分為玻璃纖維的材質(zhì)，不能使用脆性的基材，如陶瓷等，因而極大地降低了超材料基材的選擇性。此外，以玻璃纖維為基材的超材料，其較高的介電常數(shù)(e )和介電損耗正切(TanS)會導(dǎo)致電磁波穿過以該基材制造的超材料時發(fā)生信號衰減。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，提供一種工藝簡單、易于操作和控制的超材料的制備工藝。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種超材料的制備工藝，用于在基材上形成多個人工微結(jié)構(gòu)，該方法包括以下步驟a.制作一絲網(wǎng)印版，所述絲網(wǎng)印版繃緊于一網(wǎng)框上，所述絲網(wǎng)印版的經(jīng)絲、緯絲與網(wǎng)框邊的夾角小于90°，通過照相制版法在所述絲網(wǎng)印版上形成多個與所述多個人工微結(jié)構(gòu)相同的圖案；b.將所述絲網(wǎng)印版覆蓋于所述基材，在所述絲網(wǎng)印版上涂覆導(dǎo)電油墨，并利用壓力使導(dǎo)電油墨通過所述絲網(wǎng)印版的多個圖案部分而轉(zhuǎn)移到所述基材上，即由導(dǎo)電油墨制成所述多個人工微結(jié)構(gòu)，從而制得超材料。優(yōu)選地，所述步驟a包括以下子步驟all.在所述絲網(wǎng)印版上涂布感光膠并經(jīng)干燥而形成一層感光膠膜；al2.對所述具有感光膠膜的絲網(wǎng)印版進行曝光、顯影，從而在所述絲網(wǎng)印版上形成所述多個與所述多個人工微結(jié)構(gòu)相同的圖案。優(yōu)選地，所述感光膠的涂布和干燥在黃光環(huán)境中進行，干燥溫度為35°C -45°c，干燥時間為30分鐘以上。優(yōu)選地，讓裝有感光膠的刮斗傾斜地壓制于以大角度傾斜放置的絲網(wǎng)印版上來涂布感光膠。優(yōu)選地，所述絲網(wǎng)印版的經(jīng)絲、緯絲與網(wǎng)框邊的夾角為15°。優(yōu)選地，涂布導(dǎo)電油墨時利用軟質(zhì)刮板來擠壓導(dǎo)電油墨。
優(yōu)選地，所述導(dǎo)電油墨的成分還包括黏合劑，所述黏合劑為選自環(huán)氧樹脂、醇酸樹月旨、丙烯酸樹脂、聚氨酯樹脂、三聚氰胺甲醛樹脂、酚醛樹脂、氯乙烯-醋酸乙烯共聚樹脂中的至少一種。優(yōu)選地，所述導(dǎo)電油墨的成分還包括選自溶劑、分散劑、滑爽劑、偶聯(lián)劑中的至少一種。優(yōu)選地，在所述步驟b中，所述多個 人工微結(jié)構(gòu)經(jīng)烘干而固著于所述基材上。本發(fā)明的超材料的制備工藝具有以下有益效果通過該制備工藝可選擇多種材料作為超材料的基材，以滿足不同超材料電磁特性的需求；不會像蝕刻工藝那樣產(chǎn)生大量廢液，是一種更環(huán)保、更高效的工藝；可以實現(xiàn)大批量生產(chǎn)，且廢品率比較低，也能使超材料的總體生產(chǎn)成本大大降低；其工藝簡單，易于操作和控制。


下面將結(jié)合附圖及具體實施方式
對本發(fā)明作進一步說明。圖I是本發(fā)明的超材料的制備工藝所要制作的超材料的平面示意圖；圖2是本發(fā)明的超材料的制備工藝的流程圖；圖3是利用本發(fā)明的超材料的制備工藝制得的絲網(wǎng)印版的平面示意圖；圖4是圖3中的一個圖案的示意圖；圖5是利用本發(fā)明的超材料制備工藝來制造超材料時的作業(yè)示意圖。圖中各標(biāo)號對應(yīng)的名稱為10超材料、12基材、14人工微結(jié)構(gòu)、16超材料單元、20絲網(wǎng)印版、26圖案。
具體實施例方式如圖I所示，本發(fā)明的超材料的制備工藝用于在一基材12上形成多個人工微結(jié)構(gòu)14，以制得超材料10。所述基材12由陶瓷或高分子聚合物等材料制成，而每個人工微結(jié)構(gòu)14為由金屬線如銅線或者銀線構(gòu)成的具有一定幾何形狀的平面或立體結(jié)構(gòu)。若將每個人工微結(jié)構(gòu)14及其所在的基材12部分人為定義為一個超材料單元16，則所述超材料10可看作是由這些超材料單元16陣列排布而成，而這些人工微結(jié)構(gòu)14為周期性地排布于所述基材12上。也即，所述超材料10包括所述基材12和周期性地排列于所述基材12上的多個人工微結(jié)構(gòu)14。一般，每個超材料單元16的幾何尺寸與所需響應(yīng)的電磁波波長有關(guān)，如其幾何尺寸是電磁波波長的十分之一。如圖2至圖5所示，為本發(fā)明的超材料的制備工藝的一具體實施方式
，該實施方式包括以下步驟a.制作一絲網(wǎng)印版20，通過照相制版法在所述絲網(wǎng)印版20上形成多個與所述多個人工微結(jié)構(gòu)14相同的圖案26。b.將所述絲網(wǎng)印版20覆蓋于所述基材12，在所述絲網(wǎng)印版20上涂覆導(dǎo)電油墨，并利用壓力使導(dǎo)電油墨通過所述絲網(wǎng)印版20的多個圖案26部分而轉(zhuǎn)移到所述基材12上，即由導(dǎo)電油墨制成所述多個人工微結(jié)構(gòu)14,從而制得所述超材料10。具體地，在所述步驟a中，根據(jù)所述多個人工微結(jié)構(gòu)14的精度以及制造成本等方面選取用于制作所述絲網(wǎng)印版20的絲網(wǎng)的種類、結(jié)構(gòu)、目數(shù)、開度、開孔率等，目前，普遍使用尼龍絲網(wǎng)。所述絲網(wǎng)印版20繃緊于一網(wǎng)框而被拉開，并利用粘網(wǎng)膠將其牢固地黏結(jié)在網(wǎng)框上。一般使用的網(wǎng)框有木框、塑料框、金屬框等，如由硬質(zhì)合金鋁型材制成的網(wǎng)框。而繃網(wǎng)的方法有手動、機械和氣動三種。手動繃網(wǎng)時，應(yīng)先經(jīng)后緯，也即先在經(jīng)線方向拉緊，后在緯線方向拉緊，使絲網(wǎng)達到所需張力。由于所述人工微結(jié)構(gòu)14的幾何尺寸較小，所述絲網(wǎng)印版的經(jīng)絲、緯絲與網(wǎng)框邊的夾角為15°時可有效地防止產(chǎn)生龜紋。目前為了提高效率和加工精確，常用氣動的方式來繃網(wǎng)。繃好網(wǎng)后，對其進行清洗和脫脂處理，以除去灰塵和油脂等物，有時還要對絲網(wǎng)進行粗化處理，用尼龍毛刷和著磨網(wǎng)膠在絲網(wǎng)的兩面反復(fù)摩擦，可利于感光膠的涂布。清洗完后，將絲網(wǎng)放入烘箱內(nèi)并在小于40°C左右的溫度下烘干或室溫涼干，即可用于涂布感光膠。在用照相制版法在所述絲網(wǎng)印版20上形成多個與所述多個人工微結(jié)構(gòu)14相同的圖案26時all.在所述絲網(wǎng)印版20上涂布感光膠并經(jīng)干燥而形成一層感光膠膜；al2.對所述具有感光膠膜的絲網(wǎng)印版20進行曝光、顯影，從而在所述絲網(wǎng)印版20 上形成所述多個與所述多個人工微結(jié)構(gòu)14相同的圖案26。在所述子步驟all中，感光膠的涂布可用刮斗法和旋轉(zhuǎn)法。以刮斗(即上膠器)涂布為例，涂布時將所述絲網(wǎng)印版20以80 90度的傾角放置，將配制好的感光膠倒入刮斗中，把刮斗的前端傾斜地壓制于所述絲網(wǎng)印版20上并由下而上涂布。當(dāng)涂布到距網(wǎng)框邊I 2cm時，讓刮斗接近水平繼續(xù)涂布，直至感光膠全部涂完，再把網(wǎng)框上下顛倒過來重新涂布一次，然后在低溫下干燥，如可在恒溫低溫帶鼓風(fēng)的烘箱內(nèi)干燥。為了形成所需厚度的感光膠膜，要在所述絲網(wǎng)印版20上往返涂布多次感光膠，而刮斗在所述絲網(wǎng)印版20每往返涂布一次后均要進行干燥處理，直到出現(xiàn)光澤。第一次干燥應(yīng)充分，若用熱風(fēng)干燥時應(yīng)掌握好溫度，干燥溫度最好為35V _45°C，干燥時間為30分鐘以上，因為溫度過高會產(chǎn)生熱灰
殹羽o另外，由于感光膠對光相當(dāng)敏感，因此，上述涂布和干燥過程均應(yīng)在光線較暗的環(huán)境中進行，有些感光膠甚至需要在無光的環(huán)境中進行。本實施例中，是在黃光環(huán)境中進行。在所述子步驟al2中，利用設(shè)計輸出的具有所述多個人工微結(jié)構(gòu)14的圖像的底片對所述絲網(wǎng)印版20進行曝光，讓所述感光膠膜上未對應(yīng)所述底片的圖像的部分發(fā)生反應(yīng)而固化、而對應(yīng)所述底片的圖像的部分不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。具體的曝光時間等參數(shù)可通過事先對由感光膠制成的感光膠膜進行曝光實驗而獲得，如曝光時間可借助曝光計算尺來測得。曝光完成后，即可對所述絲網(wǎng)印版20進行顯影。具體地，用無壓力的水(水溫大約為20 30°C )淋濕所述絲網(wǎng)印版20的兩面，并持續(xù)大約I分鐘左右，之后再用高壓水沖洗所述絲網(wǎng)印版20，以沖掉所述絲網(wǎng)印版20上未發(fā)生反應(yīng)的感光膠膜部分，從而在所述絲網(wǎng)印版20上形成所述多個與所述多個人工微結(jié)構(gòu)14相同的圖案26。用吸水布吸干所述絲網(wǎng)印版20上的水分，將所述絲網(wǎng)印版20放進烘箱(溫度為30 40°C)中烘干即可使用。每個圖案26所在的區(qū)域有一定的范圍，與對應(yīng)所述圖案26的人工微結(jié)構(gòu)14所在的超材料單元16的幾何尺寸有關(guān)，一般，兩者相等。在所述步驟b中，可將所述基材12事先放置于一工作臺面如印刷臺上，而將所述絲網(wǎng)印版20覆蓋于所述基材12。
一般，對導(dǎo)電油墨要求的特性有導(dǎo)電性、附著力、印刷適性和耐溶劑性等，其成分包括導(dǎo)電性填料、黏合劑和添加劑。導(dǎo)電性填料可為具有良好導(dǎo)電性的金粉、銀粉、銅粉或鎳粉等，或者為它們的混合物，有時也可用石墨粉、炭黑如導(dǎo)電炭黑粉或碳素纖維等，或者為它們的混合物。黏合劑包括由環(huán)氧樹脂、醇酸樹脂、丙烯酸樹脂、聚氨酯樹脂、三聚氰胺甲醛樹脂、酚醛樹脂或氯乙烯-醋酸乙烯共聚樹脂制成的膠液，或者為它們的混合物。添加劑包括分散劑、滑爽劑或偶聯(lián)劑等。此外，導(dǎo)電油墨還可根據(jù)需要加入某些溶劑。其中銀粉有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，導(dǎo)電性能高，而銅粉、鎳粉等易氧化，導(dǎo)電性不穩(wěn)定，需要將它們放入1，2,3-芐基三氮雜茂的溶液中浸潰后才能使用或配合有機磷使用，以提高其導(dǎo)電的穩(wěn)定性。涂布導(dǎo)電油墨時，可利用軟質(zhì)刮板來擠壓導(dǎo)電油墨。由于所述絲網(wǎng)印版20具有回彈性，在刮板移動的過程中始終與所述絲網(wǎng)印版20和基材12保持線接觸，所述絲網(wǎng)印版20的其余部分與所述基材12處于分離狀態(tài)，這樣，導(dǎo)電油墨通過所述絲網(wǎng)印版20的多個圖案26部分而轉(zhuǎn)移到所述基材12上，當(dāng)刮板刮過所述絲網(wǎng)印版20的整個版面后抬起時，所述絲網(wǎng)印版20也離開所述基材12，轉(zhuǎn)移到所述基材12上的導(dǎo)電油墨便與所述絲網(wǎng)印版20發(fā)生 斷裂，在所述基材12上由導(dǎo)電油墨形成所述多個人工微結(jié)構(gòu)14。這時，即可去除所述絲網(wǎng)印版20，從而制得所述超材料10。對于要形成不同厚度的所述多個人工微結(jié)構(gòu)14來說，由于通過所述絲網(wǎng)印版20的導(dǎo)電油墨的量取決于刮板的硬度、作用力和移動速度以及刮板與所述絲網(wǎng)印版20之間的夾角。一般，刮板與所述絲網(wǎng)印版20的夾角越小，刮板的移動速度越慢，通過的油墨量越大，因此，我們可通過這些參數(shù)來控制所述多個人工微結(jié)構(gòu)14的厚度。另外，所述多個人工微結(jié)構(gòu)14經(jīng)烘干而固著于所述基材12上。烘干時可用烘箱等烘干設(shè)備。由上可知，相比現(xiàn)有的超材料的制備工藝，本發(fā)明的超材料的制備工藝在制造所述人工微結(jié)構(gòu)14的工藝簡單、易于操作和控制，而且所述絲網(wǎng)印版20比較柔軟并具有回彈力,可應(yīng)用在由各種軟、硬材質(zhì)和易碎材質(zhì)制成的基材12上印刷，亦可在具有平面、曲面或球面等各種形狀表面的基材12上印刷，因此具有很大的靈活性和廣泛的適用性。所述基材12可由高分子聚合物材料、陶瓷材料、聚四氟乙烯材料、鐵電材料、鐵氧材料、鐵磁材料或玻璃纖維環(huán)氧樹脂材料制成。在本實施例中，所述基材12由玻璃纖維環(huán)氧樹脂以外的材料如聚四氟乙烯材料制成，因而可獲得較低的介電常數(shù)(e)和介電損耗正切(Tan S)，從而不會導(dǎo)致電磁波穿過以該介電襯底制造的超材料時發(fā)生信號衰減的問題。綜上所述，通過該制備工藝可選擇多種材料作為超材料的基材12，以滿足不同超材料電磁特性的需求；不會像蝕刻工藝那樣產(chǎn)生大量廢液，是一種更環(huán)保、更高效的工藝；可以實現(xiàn)大批量生產(chǎn)，且廢品率比較低，也能使超材料的總體生產(chǎn)成本大大降低；其工藝簡單，易于操作和控制。以上所述僅是本發(fā)明的若干具體實施方式
和/或?qū)嵤├?，不?yīng)當(dāng)構(gòu)成對本發(fā)明的限制。對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明基本思想的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，如制作所述絲網(wǎng)印版20的方法還有有漆膜雕刻法、碳素紙曝光法等手工制版法，而這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種超材料的制備工藝，用于在基材上形成多個人工微結(jié)構(gòu)，其特征在于，該方法包括以下步驟 a.制作一絲網(wǎng)印版，所述絲網(wǎng)印版繃緊于一網(wǎng)框上，所述絲網(wǎng)印版的經(jīng)絲、緯絲與網(wǎng)框邊的夾角小于90°，通過照相制版法在所述絲網(wǎng)印版上形成多個與所述多個人工微結(jié)構(gòu)相同的圖案； b.將所述絲網(wǎng)印版覆蓋于所述基材，在所述絲網(wǎng)印版上涂覆導(dǎo)電油墨，并利用壓力使導(dǎo)電油墨通過所述絲網(wǎng)印版的多個圖案部分而轉(zhuǎn)移到所述基材上，即由導(dǎo)電油墨制成所述多個人工微結(jié)構(gòu)，從而制得超材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超材料的制備工藝，其特征在于，所述步驟a包括以下子步驟 all.在所述絲網(wǎng)印版上涂布感光膠并經(jīng)干燥而形成一層感光膠膜； al2.對所述具有感光膠膜的絲網(wǎng)印版進行曝光、顯影，從而在所述絲網(wǎng)印版上形成所述多個與所述多個人工微結(jié)構(gòu)相同的圖案。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超材料的制備工藝，其特征在于，所述感光膠的涂布和干燥在黃光環(huán)境中進行，干燥溫度為35°C _45°C，干燥時間為30分鐘以上。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超材料的制備工藝，其特征在于，讓裝有感光膠的刮斗傾斜地壓制于傾斜放置的絲網(wǎng)印版上來涂布感光膠。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的超材料的制備工藝，其特征在于，所述絲網(wǎng)印版的經(jīng)絲、緯絲與網(wǎng)框邊的夾角為15°。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的超材料的制備工藝，其特征在于，涂布導(dǎo)電油墨時利用軟質(zhì)刮板來擠壓導(dǎo)電油墨。
7.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的超材料的制備工藝，其特征在于，所述導(dǎo)電油墨的成分包括導(dǎo)電性填料，所述導(dǎo)電性填料為選自金粉、銀粉、銅粉、鎳粉、石墨、炭黑、碳素纖維中的至少一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的超材料的制備工藝，其特征在于，所述導(dǎo)電油墨的成分還包括黏合劑，所述黏合劑為選自環(huán)氧樹脂、醇酸樹脂、丙烯酸樹脂、聚氨酯樹脂、三聚氰胺甲醛樹脂、酚醛樹脂、氯乙烯-醋酸乙烯共聚樹脂中的至少一種。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的超材料的制備工藝，其特征在于，所述導(dǎo)電油墨的成分還包括溶劑、分散劑、滑爽劑、偶聯(lián)劑中的至少一種。
10.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的超材料的制備工藝，其特征在于，在所述步驟b中，所述多個人工微結(jié)構(gòu)經(jīng)烘干而固著于所述基材上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超材料的制備工藝，包括以下步驟制作一絲網(wǎng)印版，所述絲網(wǎng)印版繃緊于一網(wǎng)框上，所述絲網(wǎng)印版的經(jīng)絲、緯絲與網(wǎng)框邊的夾角小于90°，通過照相制版法在所述絲網(wǎng)印版上形成多個人工微結(jié)構(gòu)圖案；將所述絲網(wǎng)印版覆蓋于所述基材，在所述絲網(wǎng)印版上涂覆導(dǎo)電油墨，并利用壓力使導(dǎo)電油墨通過所述絲網(wǎng)印版的多個圖案部分而轉(zhuǎn)移到所述基材上，從而制得超材料。通過該制備工藝可選擇多種材料作為超材料的基材，以滿足不同超材料電磁特性的需求；不會像蝕刻工藝那樣產(chǎn)生大量廢液，是一種更環(huán)保、更高效的工藝；可以實現(xiàn)大批量生產(chǎn)，且廢品率比較低，也能使超材料的總體生產(chǎn)成本大大降低；其工藝簡單，易于操作和控制。
文檔編號H01Q15/00GK102683876SQ20121013300
公開日2012年9月19日 申請日期2012年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月28日
發(fā)明者劉若鵬, 季春霖, 李雪, 林云燕, 黃新政 申請人:深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司