[发明专利]制造用于材料监测的智能光子结构的方法

说明书

一种在包括第一材料的固体基板(200)的表面上制造光子结构的方法包含将所述第一材料的可变形层(202)沉积到所述固体基板(200)的所述表面上，用带有光子结构图案的模具(130)对所述可变形层(202)进行压印，以及使所述可变形层(202)固化以与所述固体基板(200)的所述表面成一体，其中所述模具在适当位置以在所固化层中形成永久光子结构。

技术领域

本发明涉及表面图案化，并且具体来说涉及一种制造用于材料监测的智能光子结构的方法。

背景技术

许多工业问题采用基础设施，如储罐和管道，它们随着时间的推移会受到腐蚀和磨损。通过常规方法监测这类设备的损坏或变形通常是困难的或过于繁重。为了便于监测，可以将“智能”材料集成到要监测的结构中。智能材料包括光子元件，如衍射光栅，其通过它们对电磁辐射的响应的方式的变化来指示应力、变形和/或缺陷的存在。已经发现，将智能光子材料嵌入或固定到现场结构中是一种非破坏性、可靠和准确的监测结构健全状况的方法。

常规的集成智能材料技术的一个问题是，受监测的结构通常尺寸大并且在远距离上延伸。因此，为这类结构配备足够的智能材料是一项挑战，因为用于大规模制造原始光子结构的方法通常是昂贵的并且限于某些类型的材料，具有有限的尺寸、形状和/或轮廓。目前有两种主要的用于制造二维光子材料的技术，全息技术和画线技术(ruled technique)。这两种技术在以成本效益方式将制造规模扩大到大面积尺寸方面受到限制。此外，全息和画线技术通常适用于在如玻璃、二氧化硅和硅的材料上构造平坦表面，并且不易于构造弯曲和复杂表面。

因此，存在对改进的和成本有效的用于制造和将智能材料集成到结构，特别是具有大的表面面积的结构中的技术的需要。本发明解决了这些需要中的一个或多个。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种在固体基板的表面上制造光子结构的方法。方法包含将与基板相同组成的可变形层沉积到基板表面上，用带有光子结构图案的模具对可变形层进行压印，以及然后使可变形层固化以与固体基板的表面成一体，其中模具在适当位置以在固化层中形成永久性光子结构。

根据本发明的其它方面，光子结构包括沿至少一个维度布置的周期性特征。在一些实施方案中，周期性特征形成衍射光栅。在一些实施方案中，周期性特征以二维布置。

根据本发明的其它方面，在一些实施例中，基板表面和可变形层包含聚合物树脂。在一些实施方案中，聚合物树脂是环氧树脂或环氧树脂复合材料、聚甲基丙烯酸甲酯或氰基丙烯酸酯水泥，作为用于可变形层的可能材料的非限制性列表。在一些实施方案中，可变形层以流体、半粘性或粘性形式沉积在基板的表面上。在特定实施方案中，可变形层的粘度范围为100至5000cP。

根据本发明的其它方面，在一些实施例中，可通过部分溶解或熔化已存在的材料来产生可变形层。这种部分溶解暂时降低了材料表面附近的粘度，因此它可以用带有光子结构图案的模具成形。

根据本发明的其它方面，可变形层通过结晶、热固、热塑、聚合、溶剂蒸发、玻璃化、磁流变转变和冷凝中的至少一种固化。在一些实施方案中，可变形层的材料在固化期间与基板的表面形成交联。

根据本发明的其它方面，在某些实施例中，模具由聚二甲基硅氧烷构成

根据本发明的其它方面，制造方法进一步包括在压印之前向模具中添加防粘附层，以防止模具与可变形材料的固化层之间的粘附。在一些实施方案中，防粘附层包含单层或多层。在其它方面，方法进一步包括在压印之前向模具添加层，以便在固化时改变可变形层的性质。在一些实施方案中，添加的层包含保护涂层。在一些实施方案中，添加的层改变光子结构的光学性质。

根据本发明的其它方面，制造方法进一步包括在压印之前向可变形层添加层，以在固化时改变可变形层的性质。在一些实施方案中，添加的层包含保护涂层。在一些实施方案中，添加的层改变光子结构的光学性质。