[發明專利]一種超材料的加工方法及超材料

在審

• 申請號: 201210093099.5
• 申請日: 2012-03-31
• 公開（公告）號: CN103361640A
• 公開（公告）日: 2013-10-23
• 發明（設計）人: 劉若鵬;欒琳;郭潔;楊學龍;郭文鵬
• 申請（專利權）人: 深圳光啟創新技術有限公司
• 主分類號: C23C24/10
• 分類號: C23C24/10
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及超材料領域，具體地涉及一種超材料的加工方法及超材料。

背景技術

超材料是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工復合結構或復合材料。通過在材料的關鍵物理尺度上的結構有序設計，可以突破某些表觀自然規律的限制，從而獲得超出自然界固有的普通性質的超常材料功能。超材料的性質和功能主要來自于其內部的結構而非構成它們的材料。超材料由基板和附著在基板上的人造微結構組成，人造微結構通常為金屬線排布成的具有一定幾何圖形的結構，每個人造微結構的尺寸遠小于電磁波波長，其形狀和尺寸直接影響到超材料整體的負折射率值和呈現負折射率的頻段范圍。如何將設計好的人造微結構在基板上實現出來，是超材料制造工藝中的一個關鍵問題。

現有使用陶瓷基板的超材料加工方法主要有以下兩種：1.先在陶瓷基板上覆金屬層，再通過曝光、顯影、蝕刻等復雜工藝流程制備出導電微結構，但這種方法有以下缺點，a.在陶瓷基板上覆銅較難實現，且大多數經覆銅工藝得到的陶瓷基板銅與陶瓷基材附著力較低、銅層較薄；b.覆銅后再進行曝光、顯影、蝕刻等工藝較復雜，大部分金屬被蝕刻掉造成浪費，蝕刻過程中使用的耗材和化學藥品會污染環境。2.直接在陶瓷基板上絲網印刷導電漿料，形成人造微結構，此工藝也有一些缺點，a.導電漿料配制較難，成本較高；b.導電漿料形成的導電層的電導率較低；c.印刷前需先制作絲網模具，費時費力；d.由于工藝條件限制，制成的人造微結構尺寸誤差較大。

綜上所述，亟需發明一種制造陶瓷基板超材料的方法，這種方法能夠簡單、無污染的得到需要的人造微結構，制成超材料的人造微結構應誤差較小、金屬層與陶瓷基材結合強度高、結構致密。

激光熔覆亦稱激光包覆或激光熔敷，是20世紀70年代隨著大功率激光器的發展而興起的一種新的表面改性技術。是在激光束作用下將合金粉末或陶瓷粉末與基體表面迅速加熱并熔化，光束移開后自激冷卻形成稀釋率極低，與基體材料呈冶金結合的表面涂層，從而顯著改善基體表面耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性等的一種表面強化方法。激光熔覆技術涉及光、機、電、計算機控制器(數控系統)、材料、物理、化學等多門學科的跨學科高新技術。一套激光熔覆設備主要有以下幾個分系統組成：激光器及其光路系統，數控系統，工作頭系統，監控系統等，將預先設計好的CAD圖紙導入激光熔覆設備的控制系統，熔覆激光頭和送粉噴頭按照圖紙運作就可實現熔覆涂層的圖形化。一般金屬的熔點大都比陶瓷的熔點低，通過激光熔覆技術可以將金屬粉末熔覆到陶瓷表面形成金屬導電涂層。在激光高熱效應的作用下金屬與陶瓷在界面處形成一層緊密的冶金結合層。如果按照預先設計的圖形將金屬粉熔覆到陶瓷基底上，就可在介質陶瓷基底上實現圖形化的金屬導電涂層。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于，提供一種超材料的加工方法及超材料，使用該加工方法程序簡單、對環境無污染，制成的超材料人造微結構誤差較小、金屬層與陶瓷基材結合強度高、金屬導電層結構致密，人造微結構的導電層厚度可以自由控制，具有良好的發展前景。

本發明實現發明目的采用的技術方案是，提供一種超材料的加工方法，包括以下步驟：

a.設計人造微結構，得到具有預定排列規律的人造微結構陣列；

b.將人造微結構陣列轉換為工程圖樣，將工程圖樣輸入激光熔覆設備的數控系統中；

c.將金屬粉末置于所述激光熔覆設備的送粉器內，在所述激光熔覆設備的工作區通入惰性氣體，按照所述工程圖樣，將所述金屬粉末在超材料基板上熔覆成所述人造微結構，冷卻后得到超材料。

優選地，步驟c中，將所述超材料基板拋光，依次使用酸、堿、無水乙醇溶液對所述超材料基板進行超聲波清洗。

優選地，步驟c中，將所述超材料置于真空退火爐中進行回火處理。

優選地，所述金屬粉末的粒徑為2-8μm。

優選地，所述惰性氣體為氬氣、氖氣、氦氣。

優選地，所述熔覆過程的金屬粉末噴射速率V₁＝1-3g/s。

優選地，所述熔覆過程的工作頭移動速率V₂＝5-9m/S。

優選地，所述熔覆過程的惰性氣體噴射速率V₃＝1-3L/s。

優選地，所述熔覆過程的激光能量為E＝500-900W/cm²。

優選地，所述回火處理的升溫速率V₄＝5-15℃/S。

優選地，所述回火處理的回火溫度t＝500-1000℃，保溫時間T＝30-60min。