[发明专利]一种超材料的加工方法及超材料

说明书

技术领域

本发明涉及超材料领域，具体地涉及一种超材料的加工方法及超材料。

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。超材料由基板和附着在基板上的人造微结构组成，人造微结构通常为金属线排布成的具有一定几何图形的结构，每个人造微结构的尺寸远小于电磁波波长，其形状和尺寸直接影响到超材料整体的负折射率值和呈现负折射率的频段范围。如何将设计好的人造微结构在基板上实现出来，是超材料制造工艺中的一个关键问题。

现有使用陶瓷基板的超材料加工方法主要有以下两种：1.先在陶瓷基板上覆金属层，再通过曝光、显影、蚀刻等复杂工艺流程制备出导电微结构，但这种方法有以下缺点，a.在陶瓷基板上覆铜较难实现，且大多数经覆铜工艺得到的陶瓷基板铜与陶瓷基材附着力较低、铜层较薄；b.覆铜后再进行曝光、显影、蚀刻等工艺较复杂，大部分金属被蚀刻掉造成浪费，蚀刻过程中使用的耗材和化学药品会污染环境。2.直接在陶瓷基板上丝网印刷导电浆料，形成人造微结构，此工艺也有一些缺点，a.导电浆料配制较难，成本较高；b.导电浆料形成的导电层的电导率较低；c.印刷前需先制作丝网模具，费时费力；d.由于工艺条件限制，制成的人造微结构尺寸误差较大。

综上所述，亟需发明一种制造陶瓷基板超材料的方法，这种方法能够简单、无污染的得到需要的人造微结构，制成超材料的人造微结构应误差较小、金属层与陶瓷基材结合强度高、结构致密。

激光熔覆亦称激光包覆或激光熔敷，是20世纪70年代随着大功率激光器的发展而兴起的一种新的表面改性技术。是在激光束作用下将合金粉末或陶瓷粉末与基体表面迅速加热并熔化，光束移开后自激冷却形成稀释率极低，与基体材料呈冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体表面耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性等的一种表面强化方法。激光熔覆技术涉及光、机、电、计算机控制器(数控系统)、材料、物理、化学等多门学科的跨学科高新技术。一套激光熔覆设备主要有以下几个分系统组成：激光器及其光路系统，数控系统，工作头系统，监控系统等，将预先设计好的CAD图纸导入激光熔覆设备的控制系统，熔覆激光头和送粉喷头按照图纸运作就可实现熔覆涂层的图形化。一般金属的熔点大都比陶瓷的熔点低，通过激光熔覆技术可以将金属粉末熔覆到陶瓷表面形成金属导电涂层。在激光高热效应的作用下金属与陶瓷在界面处形成一层紧密的冶金结合层。如果按照预先设计的图形将金属粉熔覆到陶瓷基底上，就可在介质陶瓷基底上实现图形化的金属导电涂层。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种超材料的加工方法及超材料，使用该加工方法程序简单、对环境无污染，制成的超材料人造微结构误差较小、金属层与陶瓷基材结合强度高、金属导电层结构致密，人造微结构的导电层厚度可以自由控制，具有良好的发展前景。

本发明实现发明目的采用的技术方案是，提供一种超材料的加工方法，包括以下步骤：

a.设计人造微结构，得到具有预定排列规律的人造微结构阵列；

b.将人造微结构阵列转换为工程图样，将工程图样输入激光熔覆设备的数控系统中；

c.将金属粉末置于所述激光熔覆设备的送粉器内，在所述激光熔覆设备的工作区通入惰性气体，按照所述工程图样，将所述金属粉末在超材料基板上熔覆成所述人造微结构，冷却后得到超材料。

优选地，步骤c中，将所述超材料基板抛光，依次使用酸、碱、无水乙醇溶液对所述超材料基板进行超声波清洗。

优选地，步骤c中，将所述超材料置于真空退火炉中进行回火处理。

优选地，所述金属粉末的粒径为2-8μm。

优选地，所述惰性气体为氩气、氖气、氦气。

优选地，所述熔覆过程的金属粉末喷射速率V₁＝1-3g/s。

优选地，所述熔覆过程的工作头移动速率V₂＝5-9m/S。

优选地，所述熔覆过程的惰性气体喷射速率V₃＝1-3L/s。

优选地，所述熔覆过程的激光能量为E＝500-900W/cm²。

优选地，所述回火处理的升温速率V₄＝5-15℃/S。

优选地，所述回火处理的回火温度t＝500-1000℃，保温时间T＝30-60min。