人工微結(jié)構(gòu)材料自由移植方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于人工微結(jié)構(gòu)材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種人工微結(jié)構(gòu)材料自由移植方法。
【背景技術(shù)】
[0002]人工微結(jié)構(gòu)材料，如超材料、光子晶體等，是具有亞波長尺寸的微結(jié)構(gòu)。通過在材料的關(guān)鍵物理尺寸、結(jié)構(gòu)上的有序設(shè)計，可以使材料突破某些表觀自然規(guī)律的限制，從而獲得超出自然界固有的普通性質(zhì)的超常材料功能，如表面等離子體共振效應、負折射率、負磁導率、逆多普勒效應等。由于人工微結(jié)構(gòu)材料具有以上特性，目前已經(jīng)成為當今國內(nèi)外多個基礎(chǔ)學科的研究熱點，在民生及國防領(lǐng)域都具有巨大的應用潛力。
[0003]人工微結(jié)構(gòu)材料多為三維交叉結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部又存在不同介質(zhì)或金屬嵌入等情況，因此在制作中存在難以組合、嵌入、曲面化的技術(shù)問題?，F(xiàn)有技術(shù)中，人工微結(jié)構(gòu)材料的制備方法主要有光刻、納米壓印、物理氣相沉積等，但是這些技術(shù)工藝尚難以直接制備出大尺寸外形復雜的人工微結(jié)構(gòu)材料(本發(fā)明的大尺寸指比人工微結(jié)構(gòu)材料單元周期的長度大4個數(shù)量級以上的尺寸)，從而使很多人工微結(jié)構(gòu)材料的構(gòu)想暫時只能停留在實驗室或概念品階段。即現(xiàn)有技術(shù)中，經(jīng)常出現(xiàn)人工微結(jié)構(gòu)材料的單元結(jié)構(gòu)已知(物理模型已知)，目標物理性質(zhì)可測，但具體應用存在困難的現(xiàn)象。因為現(xiàn)有技術(shù)中的制備方法只可以制備出人工微結(jié)構(gòu)材料的小尺寸樣品，具體尺寸范圍受制備設(shè)備本身的限制，如物理氣相沉積法制備納米結(jié)構(gòu)周期陣列時，常規(guī)制備設(shè)備只能制備出平板陣列，在保證周期結(jié)構(gòu)不被破壞的前提下，平板陣列的尺寸無法突破m級。現(xiàn)有技術(shù)中，還沒有能夠制備大尺寸外形復雜的人工微結(jié)構(gòu)材料的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)中人工微結(jié)構(gòu)材料的制備方法難以直接制備出大尺寸外形復雜的人工微結(jié)構(gòu)材料的技術(shù)問題，提供一種人工微結(jié)構(gòu)材料自由移植方法。
[0005]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采取的技術(shù)方案如下。
[0006]人工微結(jié)構(gòu)材料自由移植方法，包括以下步驟:
[0007]步驟一、采用電磁學仿真軟件建立人工微結(jié)構(gòu)材料的物理模型，將電磁學仿真軟件的背景折射率修改為待使用的粘性溶劑的折射率，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)；
[0008]步驟二、在基底上制備步驟一中優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)后的人工微結(jié)構(gòu)材料；
[0009]步驟三、將步驟二制備的人工微結(jié)構(gòu)材料從基底上剝離，然后進行超聲粉碎，得到碎片，碎片的顆粒度比優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)后的人工微結(jié)構(gòu)材料周期單元的長度大2-4個數(shù)量級；
[0010]步驟四、將碎片與粘性溶劑進行物理混合，得到涂料，涂料中碎片的質(zhì)量百分數(shù)為40-90% ；
[0011]步驟五、將涂料刷涂、噴涂或熱壓在目標面上，自然固化，涂料在目標面上形成涂層，得到覆載在目標面上的人工微結(jié)構(gòu)材料。
[0012]進一步的，步驟一與步驟四中，所述的粘性溶劑為光學環(huán)氧膠。
[0013]進一步的，步驟一中，所述電磁學仿真軟件為CST或者FDTD Solut1ns。
[0014]進一步的，步驟一中，所述采用電磁學仿真軟件建立人工微結(jié)構(gòu)材料的物理模型的過程是:首先構(gòu)建人工微結(jié)構(gòu)材料的單元模型，單元模型建立后，利用電磁學仿真軟件自帶的Model工具建立人工微結(jié)構(gòu)材料的周期陣列，然后在X，y，z三個空間尺度上構(gòu)建空間周期陣列。
[0015]進一步的，步驟一中，所述優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)過程是:電磁學仿真軟件首先對構(gòu)建的人工微結(jié)構(gòu)材料的物理模型進行可控參數(shù)敏感性分析，確定敏感性可控參數(shù)，然后調(diào)節(jié)敏感性可控參數(shù)，得到優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)。
[0016]進一步的，當人工微結(jié)構(gòu)材料為貴金屬納米組裝體系時，步驟二采用模板法制備人工微結(jié)構(gòu)材料。
[0017]進一步的，當步驟二采用的基底由單一材料組成時，步驟三中，將人工微結(jié)構(gòu)材料從基底上剝離的方法是，將基底溶解在剝離液中。
[0018]進一步的，當步驟二采用的基底由多種材料組成時，步驟三中，將人工微結(jié)構(gòu)材料從基底上剝離的方法，是將基底依次溶解在不同的剝離液中；更進一步的，當基底為附帶鋁基底的氧化鋁膜時，先將基底溶解在氯化銅和鹽酸混合溶液中，再將基底溶解在稀磷酸溶液中。
[0019]進一步的，步驟四中，所述涂料中碎片的質(zhì)量百分數(shù)為50-70%。
[0020]本發(fā)明的原理:本發(fā)明的人工微結(jié)構(gòu)材料自由移植方法解決了現(xiàn)有技術(shù)中大尺寸復雜形狀的人工微結(jié)構(gòu)材料難以制備的技術(shù)問題，本發(fā)明采用整體結(jié)構(gòu)碎片化處理的思想將現(xiàn)有的塊狀人工微結(jié)構(gòu)材料轉(zhuǎn)換成涂料的形式，在不破壞人工微結(jié)構(gòu)材料周期單元的基礎(chǔ)上，使人工微結(jié)構(gòu)材料能夠通過刷涂、噴涂、熱壓等工藝很方便的在大尺寸、復雜曲面上進行隨形附著，從而使材料物理性質(zhì)的表達突破了整體宏觀結(jié)構(gòu)的限制。在這個過程中，混合粘性溶劑后的人工微結(jié)構(gòu)材料，不可避免的會在整體物理特性的表達上與原始人工微結(jié)構(gòu)材料發(fā)生偏差，對此，經(jīng)發(fā)明人分析，混合粘性溶劑后的人工微結(jié)構(gòu)材料與原始人工微結(jié)構(gòu)材料相比，實際上是相當于改變了原始人工微結(jié)構(gòu)材料的介質(zhì)環(huán)境，因此，本發(fā)明在步驟一中借助仿真軟件建立人工微結(jié)構(gòu)材料的物理模型時，改變空間的介質(zhì)環(huán)境，將軟件的背景折射率由真空中的折射率I改為粘性溶劑的折射率，再通過軟件自動優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，使改變背景折射率后的人工微結(jié)構(gòu)材料與原始人工微結(jié)構(gòu)材料的物理性能基本保持一致。另夕卜，由于人工微結(jié)構(gòu)材料的周期單元的長度都為微米量級，將其粉碎為碎片時，要求碎片的顆粒度比優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)后的人工微結(jié)構(gòu)材料周期單元的長度大2-4個數(shù)量級，就能保證人工微結(jié)構(gòu)材料的周期單元不被破壞。綜合這兩點，能夠保證覆載在目標物上后，人工微結(jié)構(gòu)材料的物理性能與原始人工微結(jié)構(gòu)材料的的物理性能基本保持一致，又能實現(xiàn)任意尺寸、任意曲面上制備。
[0021]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果:
[0022]本發(fā)明的人工微結(jié)構(gòu)材料自由移植方能夠有效的解決了現(xiàn)有技術(shù)中人工微結(jié)構(gòu)材料的制備方法難以制備大尺寸復雜形狀的人工微結(jié)構(gòu)材料，而限制人工微結(jié)構(gòu)材料應用的技術(shù)問題，該方法使人工微結(jié)構(gòu)材料具備了良好的隨形附著能力，可以通過刷涂、噴涂、熱壓等工藝自由應用在任意曲面上，不受尺寸限制，整個制備過程具有工藝流程簡單，成本低，適用性強的優(yōu)點，且制備的人工微結(jié)構(gòu)材料仍保留原始人工微結(jié)構(gòu)材料獨特的物理特性，在民生及國防等多個領(lǐng)域都具有巨大的市場前景。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明實施例1的原始人工微結(jié)構(gòu)材料與覆載在目標面上的人工微結(jié)構(gòu)材料的紫外可見光譜圖。
【具體實施方式】
[0024]為使本領(lǐng)域技術(shù)人員進一步了解本發(fā)明，以下結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明。
[0025]人工微結(jié)構(gòu)材料自由移植方法，包括以下步驟:
[0026]步驟一、采用電磁學仿真軟件建立原始人工微結(jié)構(gòu)材料的單元模型，單元模型建立后，利用電磁學仿真軟件自帶的Model工具建立周期陣列，然后在X，y，z三個空間尺度上構(gòu)建空間周期陣列，完成原始人工微結(jié)構(gòu)材料物理模型的建立，然后將電磁學仿真軟件的背景折射率修改為待使用的粘性溶劑的折射率，電磁學仿真軟件先對構(gòu)建的物理模型進行可控參數(shù)敏感性分析，確定敏感性參數(shù)，然后調(diào)節(jié)敏感性參數(shù)，得到優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，保證在背景折射率變?yōu)榇褂玫恼承匀軇┑恼凵渎实那闆r下，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)后的人工微結(jié)構(gòu)材料與原始人工微結(jié)構(gòu)材料的物理性能基本一致；
[0027]其中，電磁學仿真軟件為本領(lǐng)域常用設(shè)計軟件，如CST、FDTD Solut1ns等；待使用的粘性溶劑即步驟四中使用的粘性溶劑，如果粘性溶劑采用光學環(huán)氧膠，則背景折射率從真空中的I改為1.45，其他過程與現(xiàn)有技術(shù)中的仿真建模過程相同；<