三維結(jié)構(gòu)超材料實施方式

請參照圖1，圖1為《三維結(jié)構(gòu)超材料》三維結(jié)構(gòu)超材料一較佳實施方式中的部分剖視示意圖。圖1中，三維結(jié)構(gòu)超材料包括多層成型基材10，緊貼于成型基材10表面的柔性功能層20，所述柔性功能層包括由至少一個柔性子基板210構(gòu)成的柔性基板21以及設(shè)置于每個柔性子基板210上的多個能響應(yīng)電磁波的人造微結(jié)構(gòu)22；所述三維結(jié)構(gòu)超材料具有電磁波調(diào)制功能。

在《三維結(jié)構(gòu)超材料》一實施例中，三維結(jié)構(gòu)超材料可以包括至少兩層柔性功能層和至少兩層成型基材。一優(yōu)選實施例中，圖1中包括了三層成型基材10以及二層柔性功能層20，多層成型基材10使得三維結(jié)構(gòu)超材料的機械性能更強，另外多層柔性功能層20使得相鄰的柔性功能層20之間形成電磁耦合，通過優(yōu)化相鄰柔性功能層20之間的距離可以優(yōu)化整個三維結(jié)構(gòu)超材料對電磁波的響應(yīng)。相鄰柔性功能層20之間的距離即為成型基材10的厚度，因此可根據(jù)需要調(diào)整每一成型基材10的厚度，即成型基材10厚度可相同也可不同。

如圖1所示，當三維結(jié)構(gòu)超材料包括多個柔性功能層20時，柔性功能層20與成型基材10間隔設(shè)置。在《三維結(jié)構(gòu)超材料》另一實施例中，如圖9所示，當三維結(jié)構(gòu)超材料二層成型基材10之間包括多層柔性功能層20時，每一柔性功能層20緊貼設(shè)置，而緊貼的柔性功能層再設(shè)置于成型基材10的表面。

三維結(jié)構(gòu)超材料可通過如下方式制備：制備未固化的成型基材10，將柔性基板貼附于未固化的成型基材10上，而后一體固化成型。成型基材10的材料可為多層纖維增強樹脂復合材料或纖維增強陶瓷基復合材料。未固化的成型基材10可為在模具上層鋪的多層石英纖維增強環(huán)氧樹脂預浸布，也可通過在模具上鋪覆碳纖維布而后在碳纖維布上均勻涂覆聚酯樹脂并重復上述過程形成。

上述增強纖維并不限于已列舉的石英纖維和碳纖維，還可為玻璃纖維、芳綸纖維、聚乙烯纖維、聚酯纖維等；上述樹脂不限于已列舉的環(huán)氧樹脂和聚酯樹脂，還可為其他熱固性樹脂或熱塑性樹脂，例如可為氰酸酯類樹脂、雙馬來酰亞胺樹脂以及它們的改性樹脂或混合體系，還可為聚酰亞胺、聚醚醚銅、聚醚醚亞胺、聚苯硫醚或聚酯等；上述陶瓷包括氧化鋁、氧化硅、氧化鋇、氧化鐵、氧化鎂、氧化鋅、氧化鈣、氧化鍶、氧化鈦等成分及其混合物。

柔性基板可為熱塑性材料或加入柔性纖維的熱塑性復合材料，優(yōu)選地，柔性基板的材料可為聚酰亞胺、聚酯、聚四氟乙烯、聚氨酯、聚芳酯、PET（Polyethyl enetereph thalate）膜、PE（Poly ethylene）膜或PVC（poly vinyl chloride）膜等。柔性纖維可為聚酯纖維、聚乙烯纖維等。

優(yōu)選地，所述柔性功能層20的柔性基板21上設(shè)置用于增強柔性基板與相鄰成型基材10層間結(jié)合力的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可為鉤狀結(jié)構(gòu)或扣狀結(jié)構(gòu)等，其中優(yōu)選為開設(shè)于柔性基板21上的一個或多個的槽或孔。在柔性基材21上開設(shè)槽或孔后，在制備三維結(jié)構(gòu)超材料時，相鄰的成型基材10的部分原料填充于槽或孔中，成型基材10固化時，槽或孔之間的原料也固化使得相鄰成型基材10緊密連接。此種方式結(jié)構(gòu)簡單且無需額外設(shè)置其他結(jié)構(gòu)和工序，在成型基材10成型時即可同時形成該增大層間結(jié)合力的結(jié)構(gòu)。

當三維結(jié)構(gòu)超材料表面較復雜時，若僅采用一個柔性子基板210并將其貼附于成型基材10上時，該柔性基板210在部分區(qū)域會形成皺褶，該皺褶既會使得柔性子基板210貼合不夠緊密同時還會影響設(shè)置在柔性子基板210上的人造微結(jié)構(gòu)對電磁波的響應(yīng)。

圖2示出了一較佳實施方式中三維結(jié)構(gòu)超材料的立體結(jié)構(gòu)示意圖。該三維結(jié)構(gòu)超材料表面各處的高斯曲率相差較大，不能展開為一個平面，即當制備三維結(jié)構(gòu)超材料時，若僅采用一個柔性子基板則會出現(xiàn)上述的皺褶現(xiàn)象。

為解決上述問題，該實施例在設(shè)計時將三維結(jié)構(gòu)超材料表面劃分為多個幾何區(qū)域，每一幾何區(qū)域可展開為一個平面，每一平面可對應(yīng)一個柔性子基板210。在制備時，將每一平面對應(yīng)的柔性子基板210相應(yīng)地貼附于成型基材表面區(qū)域。三維結(jié)構(gòu)超材料固化成型時，每一柔性子基板210既能緊密貼附于成型基材表面又不會產(chǎn)生皺褶，同時所有的柔性子基板210構(gòu)成的柔性基板的電磁響應(yīng)能滿足需求。在一實施例中，三維結(jié)構(gòu)超材料表面由至少兩個可展開為平面的幾何區(qū)域組成。

該實施例中采用如下方式將三維結(jié)構(gòu)超材料表面劃分為多個幾何區(qū)域：分析三維結(jié)構(gòu)超材料表面的高斯曲率分布，將相近高斯曲率分布的部分劃分為一個幾何區(qū)域。幾何區(qū)域劃分越多，對應(yīng)幾何區(qū)域的每一柔性子基板210在貼附于成型基材表面時產(chǎn)生皺褶的概率越小、工藝精度越高，但是工藝成形難度越大。為平衡二者的關(guān)系，一般根據(jù)高斯曲率將三維結(jié)構(gòu)超材料表面劃分為5-15個幾何區(qū)域。根據(jù)三維結(jié)構(gòu)超材料整體最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值，在劃分幾何區(qū)域時，每一幾何區(qū)域內(nèi)的最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值一般小于100，也可為小于80，小于50或小于30等。優(yōu)選地，每一幾何區(qū)域內(nèi)的最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值小于20。更優(yōu)選地，每一幾何區(qū)域內(nèi)的最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值小于10。

請繼續(xù)參照圖2、圖3，圖2中示出了依據(jù)高斯曲率劃分為多個幾何區(qū)域的三維結(jié)構(gòu)超材料。圖2中，三維結(jié)構(gòu)超材料依據(jù)高斯曲率劃分為5個幾何區(qū)域J1-J5。圖3為圖2中多個幾何區(qū)域展開后形成的平面示意圖。圖3中，對應(yīng)圖2劃分的5個幾何區(qū)域相應(yīng)地展開有5個平面P1-P5，優(yōu)選地，在圖3中，為使得制作更為方便，將長度較長的幾何區(qū)域切開成多個子平面。

依據(jù)展開后的平面制備柔性子基板，并在柔性子基板上排布人造微結(jié)構(gòu)，而后將排布了人造微結(jié)構(gòu)的多個柔性子基板按照上述劃分的幾何區(qū)域?qū)?yīng)貼附于成型基材對應(yīng)表面形成三維結(jié)構(gòu)超材料。在該實施例中，人造微結(jié)構(gòu)是在柔性子基板上形成，因此可采用2012年的平板超材料制備方法而無需采用三維蝕刻、雕刻等方法從而節(jié)省成本，同時該實施例采用區(qū)域劃分的方式保證多個柔性子基板相互拼接構(gòu)成柔性基板時，多個柔性子基板不會發(fā)生皺褶也即人造微結(jié)構(gòu)不會發(fā)生扭曲從而保證了三維結(jié)構(gòu)超材料的工藝精度。

多個柔性子基板上的人造微結(jié)構(gòu)的拓撲形狀和尺寸可均相同。但是由于三維結(jié)構(gòu)超材料的表面不規(guī)則，因此入射到三維結(jié)構(gòu)超材料表面各處的電磁波的參數(shù)值存在差異。入射到三維結(jié)構(gòu)超材料表面各處的電磁波可由不同的電磁參數(shù)表征，選用何種電磁參數(shù)表征電磁波取決于該三維結(jié)構(gòu)超材料的功能，例如若三維結(jié)構(gòu)超材料需實現(xiàn)對不同入射角度的電磁波具有相同的電磁響應(yīng)，則入射到三維結(jié)構(gòu)超材料表面各處的電磁波可用入射角度來表征；又如若三維結(jié)構(gòu)超材料需實現(xiàn)將電磁波轉(zhuǎn)換為平面波或?qū)㈦姶挪▍R聚、發(fā)散等波束賦形功能，則入射到三維結(jié)構(gòu)超材料表面各處的電磁波可用相位值來表征；再若三維結(jié)構(gòu)超材料需實現(xiàn)將電磁波的極化方式轉(zhuǎn)變，則入射到三維結(jié)構(gòu)超材料表面各處的電磁波可用軸比值或電場入射角度來表征。可以想象地，當三維結(jié)構(gòu)超材料需要同時實現(xiàn)多個功能時，則可用多個電磁參數(shù)來表征入射到三維結(jié)構(gòu)超材料表面的電磁波。

若柔性基板上采用相同的人造微結(jié)構(gòu)拓撲結(jié)構(gòu)使得該人造微結(jié)構(gòu)拓撲結(jié)構(gòu)對某一電磁參數(shù)不同的參數(shù)值具有預期的響應(yīng)，則該人造微結(jié)構(gòu)設(shè)計難度太大甚至是不可實現(xiàn)。另外，在實際應(yīng)用中，三維結(jié)構(gòu)超材料為達到某種功能通常需要同時滿足多種電磁參數(shù)，此時設(shè)計一種既能滿足某一電磁參數(shù)不同的參數(shù)值的電磁響應(yīng)又能滿足不同電磁參數(shù)的電磁響應(yīng)的人造微結(jié)構(gòu)拓撲相同的難度則更大。

為解決上述問題，《三維結(jié)構(gòu)超材料》根據(jù)入射到三維結(jié)構(gòu)超材料不同區(qū)域的電磁波的不同電磁參數(shù)值將三維結(jié)構(gòu)超材料劃分為多個電磁區(qū)域。每一電磁區(qū)域可對應(yīng)一個電磁參數(shù)的一個參數(shù)值范圍，針對該參數(shù)值范圍來設(shè)計該電磁區(qū)域內(nèi)的人造微結(jié)構(gòu)的拓撲結(jié)構(gòu)從而既能簡化設(shè)計又能使得三維結(jié)構(gòu)超材料不同區(qū)域均具有預設(shè)的電磁響應(yīng)能力。

下面以三維結(jié)構(gòu)超材料需對不同入射角度的電磁波具有相同的電磁響應(yīng)來介紹三維結(jié)構(gòu)超材料的電磁區(qū)域設(shè)計方式。

電磁波入射至三維結(jié)構(gòu)超材料表面某點P的入射角度可由圖4所示的方式定義，即由電磁波波矢K的信息與該點P對應(yīng)的切面的法線N計算出該點P上的電磁波入射角θ。波矢K的信息不局限于某個特定角度值，其也可為某一角度值范圍。依據(jù)上述方式得出三維結(jié)構(gòu)超材料表面所有點的入射角度值，并依據(jù)不同點的入射角度值將三維結(jié)構(gòu)超材料表面劃分為多個電磁區(qū)域。圖5示出了一具體實施例中電磁區(qū)域的劃分方式。圖5中，按照入射角度相差11°的劃分方式將三維結(jié)構(gòu)超材料表面劃分為八個電磁區(qū)域Q1-Q8，即電磁區(qū)域Q1對應(yīng)入射角度為0°-11°的電磁波，電磁區(qū)域Q2對應(yīng)入射角度為12°-23°的電磁波，電磁區(qū)域Q4對應(yīng)入射角度為24°-35°的電磁波，依此類推。該實施例中，各電磁區(qū)域的入射角度最大值與最小值的差值相同以簡化設(shè)計。但是某些時候，例如已知某種人造微結(jié)構(gòu)的拓撲結(jié)構(gòu)對入射角度為0°-30°的電磁波均具有良好的電磁響應(yīng)，則在劃分電磁區(qū)域時，可劃分為0°-30°，31°-40°，41°-50°，等等。具體的劃分方式可依據(jù)具體的需求來進行設(shè)置，《三維結(jié)構(gòu)超材料》對此不做限制。

針對每一電磁區(qū)域的入射角度范圍信息設(shè)計每一電磁區(qū)域的人造微結(jié)構(gòu)形狀使得其滿足需求，例如吸收電磁波、透過電磁波等。由于每一電磁區(qū)域的入射角度范圍跨度較小，因此針對該電磁區(qū)域設(shè)計人造微結(jié)構(gòu)變得簡單。在一優(yōu)選實施例中，每一電磁區(qū)域的人造微結(jié)構(gòu)的拓撲結(jié)構(gòu)相同，尺寸不同。通過將相同拓撲結(jié)構(gòu)的人造微結(jié)構(gòu)尺寸漸變的方式使得其能滿足一電磁區(qū)域的電磁響應(yīng)要求，此種設(shè)計方式能簡化工藝難度，降低設(shè)計成本。當然可以想象地，也可以使得每一電磁區(qū)域內(nèi)的人造微結(jié)構(gòu)的拓撲結(jié)構(gòu)和尺寸均不同，只要其滿足該電磁區(qū)域?qū)?yīng)的入射角度范圍所需的電磁響應(yīng)即可。

當三維結(jié)構(gòu)超材料包含多層柔性功能層時，電磁區(qū)域就是一個立體的概念，即圖5所示的每一電磁區(qū)域的邊界是三維結(jié)構(gòu)超材料按照電磁分區(qū)的邊界。在一優(yōu)選實施例中，為了簡化設(shè)計，三維結(jié)構(gòu)超材料內(nèi)部的多層柔性功能層上的電磁分區(qū)的邊界重合。柔性功能層上的某電磁區(qū)域的邊界（即某電磁區(qū)域映射在該柔性功能層上的電磁分區(qū)的邊界）可能位于一柔性子基板中，也可能是橫跨多個柔性子基板。也就是說幾何區(qū)域與電磁區(qū)域是兩種不同的劃分方式，二者沒有必然聯(lián)系。

通常，根據(jù)需要以及設(shè)計的復雜度，每一電磁區(qū)域內(nèi)的至少一層柔性功能層上的人造微結(jié)構(gòu)拓撲形狀相同，尺寸不同；亦或，每一電磁區(qū)域內(nèi)的柔性功能層上的人造微結(jié)構(gòu)拓撲形狀相同；亦或，每一電磁區(qū)域內(nèi)的至少一層柔性功能層上的人造微結(jié)構(gòu)與其它柔性功能層的人造微結(jié)構(gòu)拓撲形狀不同。

人造微結(jié)構(gòu)可為由導電材料構(gòu)成的具有幾何圖案的結(jié)構(gòu)，人造微結(jié)構(gòu)拓撲形狀可采用計算機仿真得到，針對不同的電磁響應(yīng)需求設(shè)計不同的人造微結(jié)構(gòu)拓撲結(jié)構(gòu)即可。該幾何圖案可為圖6所示的十字雪花型，十字雪花型微結(jié)構(gòu)包括相互垂直平分的第一金屬線P1和第二金屬線P2，所述第一金屬線P1兩端連接有相同長度的兩個第一金屬分支F1，所述第一金屬線P1兩端連接在兩個第一金屬分支F1的中點上，所述第二金屬線P2兩端連接有相同長度的兩個第二金屬分支F2，所述第二金屬線P2兩端連接在兩個第二金屬分支F2的中點上，所述第一金屬分支F1與第二金屬分支F2的長度相等。

該幾何圖案也可為圖7所示幾何圖形，圖7中，該幾何圖案具有相互垂直平分的第一主線Z1及第二主線Z2，第一主線Z1與第二主線Z2形狀尺寸相同，第一主線Z1兩端連接有兩個相同的第一直角折角線ZJ1，第一主線Z1兩端連接在兩個第一直角折角線ZJ1的拐角處，第二主線Z2兩端連接有兩個第二直角折角線ZJ2，第二主線Z2兩端連接在兩個第二直角折角線ZJ2的拐角處，第一直角折角線ZJ1與第二直角折角線ZJ2形狀尺寸相同，第一直角折角線ZJ1、第二直角折角線ZJ2的兩個角邊分別平行于水平線，第一主線Z1、第二主線Z2為第一直角折角線ZJ1、第二直角折角線ZJ2的角平分線。該幾何圖案還可為其他形狀，例如開口圓環(huán)形、十字形、工字形、方片形、六邊形、六邊環(huán)形、十字孔形、十字環(huán)形、Y孔形、Y環(huán)形、圓孔形、圓環(huán)形等。

人造微結(jié)構(gòu)材料可為金屬導電材料或非金屬導電材料，其中金屬導電材料可為金、銀、銅、鋁、鋅等或者各種金合金、鋁合金、鋅合金等，非金屬導電材料可為導電石墨、銦錫氧化物或摻鋁氧化鋅等。人造微結(jié)構(gòu)可通過蝕刻、鉆刻或雕刻等方式附著于柔性子基板上。

當三維結(jié)構(gòu)超材料需要實現(xiàn)波束賦形功能時，對入射至三維結(jié)構(gòu)超材料表面的電磁波則用相位值表征。由于三維結(jié)構(gòu)超材料表面為形狀復雜的表面，則三維結(jié)構(gòu)超材料表面各處的相位值不全相同，選取合適的相位值范圍將三維結(jié)構(gòu)超材料劃分為多個電磁區(qū)域。根據(jù)最終波束賦形需要實現(xiàn)的功能，例如匯聚電磁波、發(fā)散電磁波、偏折電磁波、球面波轉(zhuǎn)為平面波等計算出三維結(jié)構(gòu)超材料各處最終需要的相位，在每個電磁區(qū)域排布人造微結(jié)構(gòu)使得該電磁區(qū)域能滿足對應(yīng)該電磁區(qū)域的相位差。

當三維結(jié)構(gòu)超材料需要實現(xiàn)極化轉(zhuǎn)化時，對入射至三維結(jié)構(gòu)超材料表面的電磁波則用軸比值或電磁波電場入射角度表征。該領(lǐng)域技術(shù)人員可知，電磁波的極化方式即為電磁波電場方向，極化的效果以軸比表示。電磁波電場入射角度的確定方式與圖4中電磁波入射角度的確定方式相似，僅需要將圖4中的波矢K方向變化為電場E方向即可。根據(jù)電磁波電場入射角度信息將三維結(jié)構(gòu)超材料表面劃分為多個電磁區(qū)域。根據(jù)最終極化轉(zhuǎn)化需要實現(xiàn)的功能，例如轉(zhuǎn)化為垂直極化、轉(zhuǎn)化為水平極化、轉(zhuǎn)化為圓極化等確定出三維結(jié)構(gòu)超材料各處最終需要的電場方向角度，在每個電磁區(qū)域排布人造微結(jié)構(gòu)使得該電磁區(qū)域能滿足對應(yīng)電磁區(qū)域的電場方向角度差。

若三維結(jié)構(gòu)超材料需要滿足兩種或兩種以上的電磁參數(shù)，例如既需要三維結(jié)構(gòu)超材料響應(yīng)電磁波角度較大，又需要滿足波束賦性，則可將三維結(jié)構(gòu)超材料表面劃分多個能滿足上述兩種電磁參數(shù)的電磁區(qū)域。

對比圖5和圖2可知，針對相同形狀的三維結(jié)構(gòu)超材料，可具有不同的幾何區(qū)域和電磁區(qū)域，因此每一幾何區(qū)域?qū)?yīng)的柔性子基板上可存在多種不同的人造微結(jié)構(gòu)，例如如圖8所示的某一柔性子基板上部分區(qū)域的人造微結(jié)構(gòu)排布示意圖。當然，若某一三維結(jié)構(gòu)超材料的幾何區(qū)域與電磁區(qū)域重合時，則每一幾何區(qū)域?qū)?yīng)的柔性子基板上的人造微結(jié)構(gòu)可均相同，這樣設(shè)計和加工的復雜度就會降低很多。

對于某些表面并不復雜的三維結(jié)構(gòu)超材料，則可以僅采用電磁分區(qū)的方式，將不同的微結(jié)構(gòu)附著于一個柔性基板上，使得三維結(jié)構(gòu)超材料具有較好的電磁響應(yīng)。

將上述三維結(jié)構(gòu)超材料應(yīng)用于特定領(lǐng)域的產(chǎn)品時，該三維結(jié)構(gòu)超材料可根據(jù)特定產(chǎn)品的形狀而設(shè)置，使得三維結(jié)構(gòu)超材料成為該產(chǎn)品的配件；同時該三維結(jié)構(gòu)超材料由于具有成型基材，若選擇能滿足產(chǎn)品應(yīng)用要求的成型基材材料，則三維結(jié)構(gòu)超材料自身可構(gòu)成產(chǎn)品的主要構(gòu)成部分。例如當采用三維結(jié)構(gòu)超材料制備天線罩時，可直接將該三維結(jié)構(gòu)超材料制備成天線罩本體，還可在原有的普通材料制成的天線罩本體表面設(shè)置該三維結(jié)構(gòu)超材料以增強原天線罩本體的電磁性能。

根據(jù)三維結(jié)構(gòu)超材料的不同功能，三維結(jié)構(gòu)超材料還可制成天線、濾波器、極化器等，從而滿足不同的應(yīng)用需求。

上面結(jié)合附圖對《三維結(jié)構(gòu)超材料》的實施例進行了描述，但是《三維結(jié)構(gòu)超材料》并不局限于上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，該領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在《三維結(jié)構(gòu)超材料》的啟示下，在不脫離《三維結(jié)構(gòu)超材料》宗旨和權(quán)利要求所保護的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于《三維結(jié)構(gòu)超材料》的保護之內(nèi) 。

1.一種三維結(jié)構(gòu)超材料，其特征在于，包括：至少一層成型基材、至少一層柔性功能層，所述柔性功能層設(shè)置于成型基材表面或者設(shè)置于多層成型基材之間；所述每層柔性功能層包括由至少一個柔性子基板構(gòu)成的柔性基板以及設(shè)置于每個柔性子基板上的多個能響應(yīng)電磁波的人造微結(jié)構(gòu)；所述三維結(jié)構(gòu)超材料具有電磁波調(diào)制功能；所述三維結(jié)構(gòu)超材料表面由至少兩個可展開為平面的幾何區(qū)域組成；所述柔性功能層包括多個柔性子基板，一個柔性子基板對應(yīng)所述三維結(jié)構(gòu)超材料表面展開后的一個平面。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維結(jié)構(gòu)超材料，其特征在于，所述三維結(jié)構(gòu)超材料包括至少兩層所述柔性功能層和至少兩層所述成型基材。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維結(jié)構(gòu)超材料，其特征在于，所述三維結(jié)構(gòu)超材料包括至少三層所述柔性功能層和至少三層所述成型基材。

4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的三維結(jié)構(gòu)超材料，其特征在于，所述成型基材與所述柔性功能層間隔設(shè)置。

5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的三維結(jié)構(gòu)超材料，其特征在于，每一柔性基板緊貼設(shè)置，柔性功能層緊貼于成型基材的表面。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維結(jié)構(gòu)超材料，其特征在于，所述柔性基板是熱塑性材料或加入柔性纖維的熱塑性復合材料。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的三維結(jié)構(gòu)超材料，其特征在于，所述柔性基板的材料為聚酰亞胺、聚酯、聚四氟乙烯、聚氨酯、聚芳酯、PET膜、PE膜或PVC膜。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維結(jié)構(gòu)超材料，其特征在于，所述三維結(jié)構(gòu)超材料可實現(xiàn)對電磁波進行透波、吸波、波束賦形、極化轉(zhuǎn)化或方向圖調(diào)制的電磁波調(diào)制功能。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的三維結(jié)構(gòu)超材料，其特征在于，所述三維結(jié)構(gòu)超材料可實現(xiàn)對電磁波進行頻選透波、頻選吸波、寬頻透波或?qū)掝l吸波。

10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的三維結(jié)構(gòu)超材料，其特征在于，所述三維結(jié)構(gòu)超材料可實現(xiàn)對電磁波進行垂直極化轉(zhuǎn)水平極化、水平極化轉(zhuǎn)垂直極化、水平極化轉(zhuǎn)圓極化或圓極化轉(zhuǎn)水平極化。

11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的三維結(jié)構(gòu)超材料，其特征在于，所述三維結(jié)構(gòu)超材料可實現(xiàn)對電磁波進行波束發(fā)散、波束匯聚或波束偏折。

12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維結(jié)構(gòu)超材料，其特征在于，所述三維結(jié)構(gòu)超材料表面上可展開為平面的幾何區(qū)域內(nèi)最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值小于100。

13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的三維結(jié)構(gòu)超材料，其特征在于，所述三維結(jié)構(gòu)超材料表面上可展開為平面的幾何區(qū)域內(nèi)最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值小于80。

14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的三維結(jié)構(gòu)超材料，其特征在于，所述三維結(jié)構(gòu)超材料表面上可展開為平面的幾何區(qū)域內(nèi)最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值小于50。

15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的三維結(jié)構(gòu)超材料，其特征在于，所述三維結(jié)構(gòu)超材料表面上可展開為平面的幾何區(qū)域內(nèi)最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值小于20。

16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的三維結(jié)構(gòu)超材料，其特征在于，所述三維結(jié)構(gòu)超材料表面上可展開為平面的幾何區(qū)域內(nèi)最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值小于10。

17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維結(jié)構(gòu)超材料，其特征在于，不同柔性子基板上的人造微結(jié)構(gòu)的拓撲結(jié)構(gòu)相同。

18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維結(jié)構(gòu)超材料，其特征在于，不同柔性子基板上的人造微結(jié)構(gòu)的拓撲結(jié)構(gòu)不同。

19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維結(jié)構(gòu)超材料，其特征在于，所述三維結(jié)構(gòu)超材料包括多個電磁區(qū)域，入射至每一電磁區(qū)域內(nèi)的電磁波具有一種或多種電磁參數(shù)范圍；每一電磁區(qū)域內(nèi)的人造微結(jié)構(gòu)對入射至該電磁區(qū)域的電磁波產(chǎn)生預設(shè)的電磁響應(yīng)。

20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的三維結(jié)構(gòu)超材料，其特征在于，入射至每一電磁區(qū)域內(nèi)的電磁波的一種或多種電磁參數(shù)的最大值與最小值的差值相等。

21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的三維結(jié)構(gòu)超材料，其特征在于，入射至每一電磁區(qū)域內(nèi)的電磁波的一種或多種電磁參數(shù)的最大值與最小值的差值不等。

22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的三維結(jié)構(gòu)超材料，其特征在于，所述每一電磁區(qū)域位于一柔性子基板中，或者每一電磁區(qū)域橫跨多個柔性子基板。

23.根據(jù)權(quán)利要求19所述的三維結(jié)構(gòu)超材料，其特征在于，所述電磁參數(shù)范圍為入射角度范圍、軸比值范圍、相位值范圍或電磁波電場入射角度范圍。

24.根據(jù)權(quán)利要求19所述的三維結(jié)構(gòu)超材料，其特征在于，每一電磁區(qū)域內(nèi)的至少一層柔性功能層上的人造微結(jié)構(gòu)拓撲形狀相同，尺寸不同。

25.根據(jù)權(quán)利要求19所述的三維結(jié)構(gòu)超材料，其特征在于，每一電磁區(qū)域內(nèi)的柔性功能層上的人造微結(jié)構(gòu)拓撲形狀相同。

26.根據(jù)權(quán)利要求19所述的三維結(jié)構(gòu)超材料，其特征在于，每一電磁區(qū)域內(nèi)的至少一層柔性功能層上的人造微結(jié)構(gòu)與其它柔性功能層的人造微結(jié)構(gòu)拓撲形狀不同。

27.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維結(jié)構(gòu)超材料，其特征在于，所述柔性基板上還設(shè)置有用于增強其與相鄰成型基材層間結(jié)合力的結(jié)構(gòu)。

28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的三維結(jié)構(gòu)超材料，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)為開設(shè)于柔性基板上的孔或槽。

29.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維結(jié)構(gòu)超材料，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)為導電材料構(gòu)成的具有幾何圖案的結(jié)構(gòu)。

30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的三維結(jié)構(gòu)超材料，其特征在于，所述導電材料為金屬或非金屬導電材料。

31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的三維結(jié)構(gòu)超材料，其特征在于，所述金屬為金、銀、銅、金合金、銀合金、銅合金、鋅合金或鋁合金。

32.根據(jù)權(quán)利要求30所述的三維結(jié)構(gòu)超材料，其特征在于，所述非金屬導電材料為導電石墨、銦錫氧化物或摻鋁氧化鋅。

33.根據(jù)權(quán)利要求29所述的三維結(jié)構(gòu)超材料，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)的幾何圖案為方片形、雪花形、工字形、六邊形、六邊環(huán)形、十字孔形、十字環(huán)形、Y孔形、Y環(huán)形、圓孔形或圓環(huán)形。

34.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的三維結(jié)構(gòu)超材料，其特征在于，所述每層成型基材的厚度相等。

35.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的三維結(jié)構(gòu)超材料，其特征在于，所述每層成型基材的厚度不相等。

36.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維結(jié)構(gòu)超材料，其特征在于，所述成型基材的材料為纖維增強樹脂復合材料或纖維增強陶瓷基復合材料。

37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的三維結(jié)構(gòu)超材料，其特征在于，所述纖維為玻璃纖維、石英纖維、芳綸纖維、聚乙烯纖維、碳纖維或聚酯纖維。

38.根據(jù)權(quán)利要求36所述的三維結(jié)構(gòu)超材料，其特征在于，所述纖維增強樹脂復合材料中的樹脂為熱固性樹脂。

39.根據(jù)權(quán)利要求38所述的三維結(jié)構(gòu)超材料，其特征在于，所述熱固性樹脂包括環(huán)氧類型、氰酸酯類型、雙馬來酰亞胺樹脂及它們的改性樹脂體系或混合體系。

40.根據(jù)權(quán)利要求36所述的三維結(jié)構(gòu)超材料，其特征在于，所述纖維增強樹脂復合材料中的樹脂為熱塑性樹脂。

41.根據(jù)權(quán)利要求40所述的三維結(jié)構(gòu)超材料，其特征在于，所述熱塑性樹脂包括聚酰亞胺、聚醚醚酮、聚醚酰亞胺、聚苯硫醚或聚酯。

42.根據(jù)權(quán)利要求36所述的三維結(jié)構(gòu)超材料，其特征在于，所述陶瓷包括氧化鋁、氧化硅、氧化鋇、氧化鐵、氧化鎂、氧化鋅、氧化鈣、氧化鍶、氧化鈦或上述材料的混合物。

43.一種天線罩，其特征在于，所述天線罩為權(quán)利要求1至42任一項所述的三維結(jié)構(gòu)超材料。

44.一種吸波材料，其特征在于，包括權(quán)利要求1至42任一項所述的三維結(jié)構(gòu)超材料。

45.一種濾波器，其特征在于，包括權(quán)利要求1至42任一項所述的三維結(jié)構(gòu)超材料。

46.一種天線，其特征在于，包括權(quán)利要求1至42任一項所述的三維結(jié)構(gòu)超材料。

47.一種極化器，其特征在于，包括權(quán)利要求1至42任一項所述的三維結(jié)構(gòu)超材料 。

《三維結(jié)構(gòu)超材料》涉及一種超材料，尤其涉及一種三維結(jié)構(gòu)超材料 。

圖1為《三維結(jié)構(gòu)超材料》三維結(jié)構(gòu)超材料一較佳實施方式中的部分剖視示意圖；

圖2為一較佳實施方式中三維結(jié)構(gòu)超材料的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為圖2中的三維結(jié)構(gòu)超材料依照高斯曲率展開后的平面示意圖；

圖4為電磁波入射至三維結(jié)構(gòu)超材料表面某點P的入射角度示意圖；

圖5為三維結(jié)構(gòu)超材料表面按照入射角度范圍劃分為多個電磁區(qū)域的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為十字雪花型人造微結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為人造微結(jié)構(gòu)另一幾何圖形示意圖；

圖8為某一柔性子基板上部分區(qū)域的人造微結(jié)構(gòu)排布示意圖；

圖9為《三維結(jié)構(gòu)超材料》三維結(jié)構(gòu)超材料另一較佳實施方式中的部分剖視示意圖 。

三維結(jié)構(gòu)超材料專利目的

《三維結(jié)構(gòu)超材料》所要解決的技術(shù)問題在于，針對2012年技術(shù)的上述不足，提出一種加工工藝簡單、電磁響應(yīng)效果優(yōu)良的三維結(jié)構(gòu)超材料 。

三維結(jié)構(gòu)超材料技術(shù)方案

《三維結(jié)構(gòu)超材料》解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案為，提出一種三維結(jié)構(gòu)超材料，其包括：至少一層成型基材、至少一層柔性功能層，所述柔性功能層設(shè)置于成型基材表面或者設(shè)置于多層成型基材之間；所述每層柔性功能層包括由至少一個柔性子基板構(gòu)成的柔性基板以及設(shè)置于每個柔性子基板上的多個能響應(yīng)電磁波的人造微結(jié)構(gòu)；所述三維結(jié)構(gòu)超材料具有電磁波調(diào)制功能；所述三維結(jié)構(gòu)超材料表面由至少兩個可展開為平面的幾何區(qū)域組成；所述柔性功能層包括多個柔性子基板，一個柔性子基板對應(yīng)所述三維結(jié)構(gòu)超材料表面展開后的一個平面。

進一步地，所述三維結(jié)構(gòu)超材料包括至少兩層所述柔性功能層和至少兩層所述成型基材。

進一步地，所述三維結(jié)構(gòu)超材料包括至少三層所述柔性功能層和至少三層所述成型基材。

進一步地，所述成型基材與所述柔性功能層間隔設(shè)置。

進一步地，每一柔性基板緊貼設(shè)置，柔性功能層緊貼于成型基材的表面。

進一步地，所述柔性基板是熱塑性材料或加入柔性纖維的熱塑性復合材料。

進一步地，所述柔性基板的材料為聚酰亞胺、聚酯、聚四氟乙烯、聚氨酯、聚芳酯、PET膜、PE膜或PVC膜。

進一步地，所述三維結(jié)構(gòu)超材料可實現(xiàn)對電磁波進行透波、吸波、波束賦形、極化轉(zhuǎn)化或方向圖調(diào)制的電磁波調(diào)制功能。

進一步地，所述三維結(jié)構(gòu)超材料可實現(xiàn)對電磁波進行頻選透波、頻選吸波、寬頻透波或?qū)掝l吸波。

進一步地，所述三維結(jié)構(gòu)超材料可實現(xiàn)對電磁波進行垂直極化轉(zhuǎn)水平極化、水平極化轉(zhuǎn)垂直極化、水平極化轉(zhuǎn)圓極化或圓極化轉(zhuǎn)水平極化。

進一步地，所述三維結(jié)構(gòu)超材料可實現(xiàn)對電磁波進行波束發(fā)散、波束匯聚或波束偏折。

進一步地，所述三維結(jié)構(gòu)超材料表面上可展開為平面的幾何區(qū)域內(nèi)最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值小于100。

進一步地，所述三維結(jié)構(gòu)超材料表面上可展開為平面的幾何區(qū)域內(nèi)最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值小于80。

進一步地，所述三維結(jié)構(gòu)超材料表面上可展開為平面的幾何區(qū)域內(nèi)最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值小于50。

進一步地，所述三維結(jié)構(gòu)超材料表面上可展開為平面的幾何區(qū)域內(nèi)最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值小于20。

進一步地，所述三維結(jié)構(gòu)超材料表面上可展開為平面的幾何區(qū)域內(nèi)最大高斯曲率與最小高斯曲率的比值小于10。

進一步地，不同柔性子基板上的人造微結(jié)構(gòu)的拓撲結(jié)構(gòu)相同。

進一步地，不同柔性子基板上的人造微結(jié)構(gòu)的拓撲結(jié)構(gòu)不同。

進一步地，所述三維結(jié)構(gòu)超材料包括多個電磁區(qū)域，入射至每一電磁區(qū)域內(nèi)的電磁波具有一種或多種電磁參數(shù)范圍；每一電磁區(qū)域內(nèi)的人造微結(jié)構(gòu)對入射至該電磁區(qū)域的電磁波產(chǎn)生預設(shè)的電磁響應(yīng)。

進一步地，入射至每一電磁區(qū)域內(nèi)的電磁波的一種或多種電磁參數(shù)的最大值與最小值的差值相等。

進一步地，入射至每一電磁區(qū)域內(nèi)的電磁波的一種或多種電磁參數(shù)的最大值與最小值的差值不等。

進一步地，所述每一電磁區(qū)域位于一柔性子基板中，或者每一電磁區(qū)域橫跨多個柔性子基板。

進一步地，所述電磁參數(shù)范圍為入射角度范圍、軸比值范圍、相位值范圍或電磁波電場入射角度范圍。

進一步地，每一電磁區(qū)域內(nèi)的至少一層柔性功能層上的人造微結(jié)構(gòu)拓撲形狀相同，尺寸不同。

進一步地，每一電磁區(qū)域內(nèi)的柔性功能層上的人造微結(jié)構(gòu)拓撲形狀相同。

進一步地，每一電磁區(qū)域內(nèi)的至少一層柔性功能層上的人造微結(jié)構(gòu)與其它柔性功能層的人造微結(jié)構(gòu)拓撲形狀不同。

進一步地，所述柔性基板上還設(shè)置有用于增強其與相鄰成型基材層間結(jié)合力的結(jié)構(gòu)。

進一步地，所述結(jié)構(gòu)為開設(shè)于柔性基板上的孔或槽。

進一步地，所述人造微結(jié)構(gòu)為導電材料構(gòu)成的具有幾何圖案的結(jié)構(gòu)。

進一步地，所述導電材料為金屬或非金屬導電材料。

進一步地，所述金屬為金、銀、銅、金合金、銀合金、銅合金、鋅合金或鋁合金。

進一步地，所述非金屬導電材料為導電石墨、銦錫氧化物或摻鋁氧化鋅。

進一步地，所述人造微結(jié)構(gòu)的幾何圖案為方片形、雪花形、工字形、六邊形、六邊環(huán)形、十字孔形、十字環(huán)形、Y孔形、Y環(huán)形、圓孔形或圓環(huán)形。

進一步地，所述每層成型基材的厚度相等。

進一步地，所述每層成型基材的厚度不相等。

進一步地，所述成型基材的材料為纖維增強樹脂復合材料或纖維增強陶瓷基復合材料。

進一步地，所述纖維為玻璃纖維、石英纖維、芳綸纖維、聚乙烯纖維、碳纖維或聚酯纖維。

進一步地，所述纖維增強樹脂復合材料中的樹脂為熱固性樹脂。

進一步地，所述熱固性樹脂包括環(huán)氧類型、氰酸酯類型、雙馬來酰亞胺樹脂及它們的改性樹脂體系或混合體系。

進一步地，所述纖維增強樹脂復合材料中的樹脂為熱塑性樹脂。

進一步地，所述熱塑性樹脂包括聚酰亞胺、聚醚醚酮、聚醚酰亞胺、聚苯硫醚或聚酯。

進一步地，所述陶瓷包括氧化鋁、氧化硅、氧化鋇、氧化鐵、氧化鎂、氧化鋅、氧化鈣、氧化鍶、氧化鈦或上述材料的混合物。

《三維結(jié)構(gòu)超材料》還提供一種天線罩，所述天線罩為上述的三維結(jié)構(gòu)超材料。

《三維結(jié)構(gòu)超材料》還提供一種吸波材料，其包括上述的三維結(jié)構(gòu)超材料。

《三維結(jié)構(gòu)超材料》還提供一種濾波器，其包括上述的三維結(jié)構(gòu)超材料。

《三維結(jié)構(gòu)超材料》還提供一種天線，其包括上述的三維結(jié)構(gòu)超材料。

《三維結(jié)構(gòu)超材料》還提供一種極化器，其包括上述的三維結(jié)構(gòu)超材料 。

三維結(jié)構(gòu)超材料改善效果

根據(jù)《三維結(jié)構(gòu)超材料》的三維結(jié)構(gòu)超材料，其制備工藝簡單，加工成本低、工藝精度控制簡單，可以替代各種具有復雜曲面且需要有一定電磁調(diào)制功能的結(jié)構(gòu)件，也可以貼附于各種具有復雜曲面的結(jié)構(gòu)件上實現(xiàn)需要的電磁調(diào)制功能。而且通過曲面展開和電磁分區(qū)的方式使得三維結(jié)構(gòu)超材料具有較好的電磁響應(yīng)和較寬的應(yīng)用范圍 。

截至2012年11月，超材料是近十年來發(fā)展起來的對電磁波起調(diào)制作用的一種新型人工材料，基本原理是人為設(shè)計材料的微結(jié)構(gòu)（或稱人造“原子”），讓這樣的微結(jié)構(gòu)具有特定的電磁特性，從而由海量數(shù)目的微結(jié)構(gòu)組成的材料宏觀上可具有人們所需要的電磁功能。與傳統(tǒng)材料技術(shù)根據(jù)自然界中已有材料的天然性質(zhì)來開發(fā)電磁利用途徑的傳統(tǒng)材料技術(shù)不同，超材料技術(shù)是根據(jù)需要來人為設(shè)計材料的性質(zhì)并制造材料。超材料一般是由一定數(shù)量的人造微結(jié)構(gòu)附在具有一定力學、電磁學的基板上，這些具有特定圖案和材質(zhì)的微結(jié)構(gòu)會對經(jīng)過其身的特定頻段的電磁波產(chǎn)生調(diào)制作用。

2012年的超材料，例如公開號為“US7570432B1”的美國專利“METAMATERIALGRADIENTINDEXLENS”，又如公開號為“US2010/0225562A1”的美國專利“BROADBANDMETAMATERIALAPPARTUS，METHODS，SYSTEMS，ANDCOMPUTERREADABLEMEDIA”，其都是通過將微結(jié)構(gòu)附著于平板的基材上形成。平板狀的超材料雖然帶來了體積小、厚度薄的優(yōu)點，但是又限制了超材料的應(yīng)用范圍。

當超材料需制成曲面時，曲面的微結(jié)構(gòu)加工工藝難度較大且精確度不高，例如2012年的申請?zhí)枮椤癊P0575848A2”的歐洲專利，其公開了一種在三維曲面加工金屬微結(jié)構(gòu)的方法，具體實現(xiàn)方式為：采用激光探頭曝光成像的方式一個一個地逐一蝕刻出微結(jié)構(gòu)。此種方式加工成本和工藝精度控制成本均較高 。

2020年7月14日，《三維結(jié)構(gòu)超材料》獲得第二十一屆中國專利優(yōu)秀獎 。2100433B

低頻振動和噪聲控制問題一直是人們面臨的技術(shù)難題，由于受到質(zhì)量定律等物理規(guī)律的制約，傳統(tǒng)的隔振/聲材料或結(jié)構(gòu)很難對其進行有效的控制。近年來，局域共振型聲學超材料的提出，為通過亞波長尺寸的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)低頻減振降噪提供了一種全新的思路。然而，目前在聲學超材料低頻減振降噪中，仍在力學模型的等效、帶隙形成和調(diào)控機制及實際工程應(yīng)用等方面存在著一些不足。

本書針對低頻超材料在彈性波調(diào)控機理和減振降噪應(yīng)用方面面臨的關(guān)鍵理論及技術(shù)問題，從新型力學模型的提出、帶隙的調(diào)控機制及實際的工程應(yīng)用詳細論述了以下的研究工作。 本書以如何利用局域共振型聲學超材料實現(xiàn)低頻振動和噪聲的控制問題為核心，深入分析了四種新型不同帶隙形成機理及調(diào)控方法的力學模型，并對工程中常用的減振桿、梁、板及隔聲材料的設(shè)計進行了初步探索，這些研究成果會進一步豐富聲學超材料研究內(nèi)容，同時為工程中的減振降噪方法提供一定的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。。

超材料是可構(gòu)建電磁波強電-磁響應(yīng)的新型人工材料。超材料組成-單元微結(jié)構(gòu)設(shè)計多樣性，為超材料與電磁波傳輸、極化轉(zhuǎn)換研究留下巨大可塑空間。超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的靈活性、性能調(diào)控的有效性，特別是它的電磁波極化特性高效調(diào)控性為雷達波操控設(shè)計提供了新思路。本項目打破電磁波傳輸-能量耗散的傳統(tǒng)研究模式，從操控電磁波極化特性的角度獲得類似黑體的極化陷阱結(jié)構(gòu)，進而實現(xiàn)電磁波的不可探測性。形成極化特性完全相異的“透射-反射”雙層雷達波陷阱結(jié)構(gòu)，雷達波“禁錮”在極化特性不匹配的上層、下層之間。本申請擬開展雷達波極化調(diào)控超材料研究，重點突破電磁波透射、反射極化特性調(diào)控超材料設(shè)計，建立超材料的電磁波極化特性模型與數(shù)學表達；進行雷達波“陷阱”結(jié)構(gòu)超材料設(shè)計、實驗反饋、修正與設(shè)計優(yōu)化，獲得雷達波極化特性調(diào)控超材料設(shè)計方法。有望促進超材料在極化天線、能量捕獲、新型光電器件、雷達波操控領(lǐng)域等應(yīng)用基礎(chǔ)研究。