三维结构超材料

《三维结构超材料》涉及一种超材料，尤其涉及一种三维结构超材料 。

截至2012年11月，超材料是近十年来发展起来的对电磁波起调制作用的一种新型人工材料，基本原理是人为设计材料的微结构（或称人造“原子”），让这样的微结构具有特定的电磁特性，从而由海量数目的微结构组成的材料宏观上可具有人们所需要的电磁功能。与传统材料技术根据自然界中已有材料的天然性质来开发电磁利用途径的传统材料技术不同，超材料技术是根据需要来人为设计材料的性质并制造材料。超材料一般是由一定数量的人造微结构附在具有一定力学、电磁学的基板上，这些具有特定图案和材质的微结构会对经过其身的特定频段的电磁波产生调制作用。

2012年的超材料，例如公开号为“US7570432B1”的美国专利“METAMATERIALGRADIENTINDEXLENS”，又如公开号为“US2010/0225562A1”的美国专利“BROADBANDMETAMATERIALAPPARTUS，METHODS，SYSTEMS，ANDCOMPUTERREADABLEMEDIA”，其都是通过将微结构附着于平板的基材上形成。平板状的超材料虽然带来了体积小、厚度薄的优点，但是又限制了超材料的应用范围。

当超材料需制成曲面时，曲面的微结构加工工艺难度较大且精确度不高，例如2012年的申请号为“EP0575848A2”的欧洲专利，其公开了一种在三维曲面加工金属微结构的方法，具体实现方式为：采用激光探头曝光成像的方式一个一个地逐一蚀刻出微结构。此种方式加工成本和工艺精度控制成本均较高 。

图1为《三维结构超材料》三维结构超材料一较佳实施方式中的部分剖视示意图；

图2为一较佳实施方式中三维结构超材料的立体结构示意图；

图3为图2中的三维结构超材料依照高斯曲率展开后的平面示意图；

图4为电磁波入射至三维结构超材料表面某点P的入射角度示意图；

图5为三维结构超材料表面按照入射角度范围划分为多个电磁区域的结构示意图；

图6为十字雪花型人造微结构示意图；

图7为人造微结构另一几何图形示意图；

图8为某一柔性子基板上部分区域的人造微结构排布示意图；

图9为《三维结构超材料》三维结构超材料另一较佳实施方式中的部分剖视示意图 。

2020年7月14日，《三维结构超材料》获得第二十一届中国专利优秀奖 。2100433B

请参照图1，图1为《三维结构超材料》三维结构超材料一较佳实施方式中的部分剖视示意图。图1中，三维结构超材料包括多层成型基材10，紧贴于成型基材10表面的柔性功能层20，所述柔性功能层包括由至少一个柔性子基板210构成的柔性基板21以及设置于每个柔性子基板210上的多个能响应电磁波的人造微结构22；所述三维结构超材料具有电磁波调制功能。

在《三维结构超材料》一实施例中，三维结构超材料可以包括至少两层柔性功能层和至少两层成型基材。一优选实施例中，图1中包括了三层成型基材10以及二层柔性功能层20，多层成型基材10使得三维结构超材料的机械性能更强，另外多层柔性功能层20使得相邻的柔性功能层20之间形成电磁耦合，通过优化相邻柔性功能层20之间的距离可以优化整个三维结构超材料对电磁波的响应。相邻柔性功能层20之间的距离即为成型基材10的厚度，因此可根据需要调整每一成型基材10的厚度，即成型基材10厚度可相同也可不同。

如图1所示，当三维结构超材料包括多个柔性功能层20时，柔性功能层20与成型基材10间隔设置。在《三维结构超材料》另一实施例中，如图9所示，当三维结构超材料二层成型基材10之间包括多层柔性功能层20时，每一柔性功能层20紧贴设置，而紧贴的柔性功能层再设置于成型基材10的表面。

三维结构超材料可通过如下方式制备：制备未固化的成型基材10，将柔性基板贴附于未固化的成型基材10上，而后一体固化成型。成型基材10的材料可为多层纤维增强树脂复合材料或纤维增强陶瓷基复合材料。未固化的成型基材10可为在模具上层铺的多层石英纤维增强环氧树脂预浸布，也可通过在模具上铺覆碳纤维布而后在碳纤维布上均匀涂覆聚酯树脂并重复上述过程形成。

上述增强纤维并不限于已列举的石英纤维和碳纤维，还可为玻璃纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维、聚酯纤维等；上述树脂不限于已列举的环氧树脂和聚酯树脂，还可为其他热固性树脂或热塑性树脂，例如可为氰酸酯类树脂、双马来酰亚胺树脂以及它们的改性树脂或混合体系，还可为聚酰亚胺、聚醚醚铜、聚醚醚亚胺、聚苯硫醚或聚酯等；上述陶瓷包括氧化铝、氧化硅、氧化钡、氧化铁、氧化镁、氧化锌、氧化钙、氧化锶、氧化钛等成分及其混合物。

柔性基板可为热塑性材料或加入柔性纤维的热塑性复合材料，优选地，柔性基板的材料可为聚酰亚胺、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。柔性纤维可为聚酯纤维、聚乙烯纤维等。

优选地，所述柔性功能层20的柔性基板21上设置用于增强柔性基板与相邻成型基材10层间结合力的结构。该结构可为钩状结构或扣状结构等，其中优选为开设于柔性基板21上的一个或多个的槽或孔。在柔性基材21上开设槽或孔后，在制备三维结构超材料时，相邻的成型基材10的部分原料填充于槽或孔中，成型基材10固化时，槽或孔之间的原料也固化使得相邻成型基材10紧密连接。此种方式结构简单且无需额外设置其他结构和工序，在成型基材10成型时即可同时形成该增大层间结合力的结构。

当三维结构超材料表面较复杂时，若仅采用一个柔性子基板210并将其贴附于成型基材10上时，该柔性基板210在部分区域会形成皱褶，该皱褶既会使得柔性子基板210贴合不够紧密同时还会影响设置在柔性子基板210上的人造微结构对电磁波的响应。

图2示出了一较佳实施方式中三维结构超材料的立体结构示意图。该三维结构超材料表面各处的高斯曲率相差较大，不能展开为一个平面，即当制备三维结构超材料时，若仅采用一个柔性子基板则会出现上述的皱褶现象。

为解决上述问题，该实施例在设计时将三维结构超材料表面划分为多个几何区域，每一几何区域可展开为一个平面，每一平面可对应一个柔性子基板210。在制备时，将每一平面对应的柔性子基板210相应地贴附于成型基材表面区域。三维结构超材料固化成型时，每一柔性子基板210既能紧密贴附于成型基材表面又不会产生皱褶，同时所有的柔性子基板210构成的柔性基板的电磁响应能满足需求。在一实施例中，三维结构超材料表面由至少两个可展开为平面的几何区域组成。

该实施例中采用如下方式将三维结构超材料表面划分为多个几何区域：分析三维结构超材料表面的高斯曲率分布，将相近高斯曲率分布的部分划分为一个几何区域。几何区域划分越多，对应几何区域的每一柔性子基板210在贴附于成型基材表面时产生皱褶的概率越小、工艺精度越高，但是工艺成形难度越大。为平衡二者的关系，一般根据高斯曲率将三维结构超材料表面划分为5-15个几何区域。根据三维结构超材料整体最大高斯曲率与最小高斯曲率的比值，在划分几何区域时，每一几何区域内的最大高斯曲率与最小高斯曲率的比值一般小于100，也可为小于80，小于50或小于30等。优选地，每一几何区域内的最大高斯曲率与最小高斯曲率的比值小于20。更优选地，每一几何区域内的最大高斯曲率与最小高斯曲率的比值小于10。

请继续参照图2、图3，图2中示出了依据高斯曲率划分为多个几何区域的三维结构超材料。图2中，三维结构超材料依据高斯曲率划分为5个几何区域J1-J5。图3为图2中多个几何区域展开后形成的平面示意图。图3中，对应图2划分的5个几何区域相应地展开有5个平面P1-P5，优选地，在图3中，为使得制作更为方便，将长度较长的几何区域切开成多个子平面。

依据展开后的平面制备柔性子基板，并在柔性子基板上排布人造微结构，而后将排布了人造微结构的多个柔性子基板按照上述划分的几何区域对应贴附于成型基材对应表面形成三维结构超材料。在该实施例中，人造微结构是在柔性子基板上形成，因此可采用2012年的平板超材料制备方法而无需采用三维蚀刻、雕刻等方法从而节省成本，同时该实施例采用区域划分的方式保证多个柔性子基板相互拼接构成柔性基板时，多个柔性子基板不会发生皱褶也即人造微结构不会发生扭曲从而保证了三维结构超材料的工艺精度。

多个柔性子基板上的人造微结构的拓扑形状和尺寸可均相同。但是由于三维结构超材料的表面不规则，因此入射到三维结构超材料表面各处的电磁波的参数值存在差异。入射到三维结构超材料表面各处的电磁波可由不同的电磁参数表征，选用何种电磁参数表征电磁波取决于该三维结构超材料的功能，例如若三维结构超材料需实现对不同入射角度的电磁波具有相同的电磁响应，则入射到三维结构超材料表面各处的电磁波可用入射角度来表征；又如若三维结构超材料需实现将电磁波转换为平面波或将电磁波汇聚、发散等波束赋形功能，则入射到三维结构超材料表面各处的电磁波可用相位值来表征；再若三维结构超材料需实现将电磁波的极化方式转变，则入射到三维结构超材料表面各处的电磁波可用轴比值或电场入射角度来表征。可以想象地，当三维结构超材料需要同时实现多个功能时，则可用多个电磁参数来表征入射到三维结构超材料表面的电磁波。

若柔性基板上采用相同的人造微结构拓扑结构使得该人造微结构拓扑结构对某一电磁参数不同的参数值具有预期的响应，则该人造微结构设计难度太大甚至是不可实现。另外，在实际应用中，三维结构超材料为达到某种功能通常需要同时满足多种电磁参数，此时设计一种既能满足某一电磁参数不同的参数值的电磁响应又能满足不同电磁参数的电磁响应的人造微结构拓扑相同的难度则更大。

为解决上述问题，《三维结构超材料》根据入射到三维结构超材料不同区域的电磁波的不同电磁参数值将三维结构超材料划分为多个电磁区域。每一电磁区域可对应一个电磁参数的一个参数值范围，针对该参数值范围来设计该电磁区域内的人造微结构的拓扑结构从而既能简化设计又能使得三维结构超材料不同区域均具有预设的电磁响应能力。

下面以三维结构超材料需对不同入射角度的电磁波具有相同的电磁响应来介绍三维结构超材料的电磁区域设计方式。

电磁波入射至三维结构超材料表面某点P的入射角度可由图4所示的方式定义，即由电磁波波矢K的信息与该点P对应的切面的法线N计算出该点P上的电磁波入射角θ。波矢K的信息不局限于某个特定角度值，其也可为某一角度值范围。依据上述方式得出三维结构超材料表面所有点的入射角度值，并依据不同点的入射角度值将三维结构超材料表面划分为多个电磁区域。图5示出了一具体实施例中电磁区域的划分方式。图5中，按照入射角度相差11°的划分方式将三维结构超材料表面划分为八个电磁区域Q1-Q8，即电磁区域Q1对应入射角度为0°-11°的电磁波，电磁区域Q2对应入射角度为12°-23°的电磁波，电磁区域Q4对应入射角度为24°-35°的电磁波，依此类推。该实施例中，各电磁区域的入射角度最大值与最小值的差值相同以简化设计。但是某些时候，例如已知某种人造微结构的拓扑结构对入射角度为0°-30°的电磁波均具有良好的电磁响应，则在划分电磁区域时，可划分为0°-30°，31°-40°，41°-50°，等等。具体的划分方式可依据具体的需求来进行设置，《三维结构超材料》对此不做限制。

针对每一电磁区域的入射角度范围信息设计每一电磁区域的人造微结构形状使得其满足需求，例如吸收电磁波、透过电磁波等。由于每一电磁区域的入射角度范围跨度较小，因此针对该电磁区域设计人造微结构变得简单。在一优选实施例中，每一电磁区域的人造微结构的拓扑结构相同，尺寸不同。通过将相同拓扑结构的人造微结构尺寸渐变的方式使得其能满足一电磁区域的电磁响应要求，此种设计方式能简化工艺难度，降低设计成本。当然可以想象地，也可以使得每一电磁区域内的人造微结构的拓扑结构和尺寸均不同，只要其满足该电磁区域对应的入射角度范围所需的电磁响应即可。

当三维结构超材料包含多层柔性功能层时，电磁区域就是一个立体的概念，即图5所示的每一电磁区域的边界是三维结构超材料按照电磁分区的边界。在一优选实施例中，为了简化设计，三维结构超材料内部的多层柔性功能层上的电磁分区的边界重合。柔性功能层上的某电磁区域的边界（即某电磁区域映射在该柔性功能层上的电磁分区的边界）可能位于一柔性子基板中，也可能是横跨多个柔性子基板。也就是说几何区域与电磁区域是两种不同的划分方式，二者没有必然联系。

通常，根据需要以及设计的复杂度，每一电磁区域内的至少一层柔性功能层上的人造微结构拓扑形状相同，尺寸不同；亦或，每一电磁区域内的柔性功能层上的人造微结构拓扑形状相同；亦或，每一电磁区域内的至少一层柔性功能层上的人造微结构与其它柔性功能层的人造微结构拓扑形状不同。

人造微结构可为由导电材料构成的具有几何图案的结构，人造微结构拓扑形状可采用计算机仿真得到，针对不同的电磁响应需求设计不同的人造微结构拓扑结构即可。该几何图案可为图6所示的十字雪花型，十字雪花型微结构包括相互垂直平分的第一金属线P1和第二金属线P2，所述第一金属线P1两端连接有相同长度的两个第一金属分支F1，所述第一金属线P1两端连接在两个第一金属分支F1的中点上，所述第二金属线P2两端连接有相同长度的两个第二金属分支F2，所述第二金属线P2两端连接在两个第二金属分支F2的中点上，所述第一金属分支F1与第二金属分支F2的长度相等。

该几何图案也可为图7所示几何图形，图7中，该几何图案具有相互垂直平分的第一主线Z1及第二主线Z2，第一主线Z1与第二主线Z2形状尺寸相同，第一主线Z1两端连接有两个相同的第一直角折角线ZJ1，第一主线Z1两端连接在两个第一直角折角线ZJ1的拐角处，第二主线Z2两端连接有两个第二直角折角线ZJ2，第二主线Z2两端连接在两个第二直角折角线ZJ2的拐角处，第一直角折角线ZJ1与第二直角折角线ZJ2形状尺寸相同，第一直角折角线ZJ1、第二直角折角线ZJ2的两个角边分别平行于水平线，第一主线Z1、第二主线Z2为第一直角折角线ZJ1、第二直角折角线ZJ2的角平分线。该几何图案还可为其他形状，例如开口圆环形、十字形、工字形、方片形、六边形、六边环形、十字孔形、十字环形、Y孔形、Y环形、圆孔形、圆环形等。

人造微结构材料可为金属导电材料或非金属导电材料，其中金属导电材料可为金、银、铜、铝、锌等或者各种金合金、铝合金、锌合金等，非金属导电材料可为导电石墨、铟锡氧化物或掺铝氧化锌等。人造微结构可通过蚀刻、钻刻或雕刻等方式附着于柔性子基板上。

当三维结构超材料需要实现波束赋形功能时，对入射至三维结构超材料表面的电磁波则用相位值表征。由于三维结构超材料表面为形状复杂的表面，则三维结构超材料表面各处的相位值不全相同，选取合适的相位值范围将三维结构超材料划分为多个电磁区域。根据最终波束赋形需要实现的功能，例如汇聚电磁波、发散电磁波、偏折电磁波、球面波转为平面波等计算出三维结构超材料各处最终需要的相位，在每个电磁区域排布人造微结构使得该电磁区域能满足对应该电磁区域的相位差。

当三维结构超材料需要实现极化转化时，对入射至三维结构超材料表面的电磁波则用轴比值或电磁波电场入射角度表征。该领域技术人员可知，电磁波的极化方式即为电磁波电场方向，极化的效果以轴比表示。电磁波电场入射角度的确定方式与图4中电磁波入射角度的确定方式相似，仅需要将图4中的波矢K方向变化为电场E方向即可。根据电磁波电场入射角度信息将三维结构超材料表面划分为多个电磁区域。根据最终极化转化需要实现的功能，例如转化为垂直极化、转化为水平极化、转化为圆极化等确定出三维结构超材料各处最终需要的电场方向角度，在每个电磁区域排布人造微结构使得该电磁区域能满足对应电磁区域的电场方向角度差。

若三维结构超材料需要满足两种或两种以上的电磁参数，例如既需要三维结构超材料响应电磁波角度较大，又需要满足波束赋性，则可将三维结构超材料表面划分多个能满足上述两种电磁参数的电磁区域。

对比图5和图2可知，针对相同形状的三维结构超材料，可具有不同的几何区域和电磁区域，因此每一几何区域对应的柔性子基板上可存在多种不同的人造微结构，例如如图8所示的某一柔性子基板上部分区域的人造微结构排布示意图。当然，若某一三维结构超材料的几何区域与电磁区域重合时，则每一几何区域对应的柔性子基板上的人造微结构可均相同，这样设计和加工的复杂度就会降低很多。

对于某些表面并不复杂的三维结构超材料，则可以仅采用电磁分区的方式，将不同的微结构附着于一个柔性基板上，使得三维结构超材料具有较好的电磁响应。

将上述三维结构超材料应用于特定领域的产品时，该三维结构超材料可根据特定产品的形状而设置，使得三维结构超材料成为该产品的配件；同时该三维结构超材料由于具有成型基材，若选择能满足产品应用要求的成型基材材料，则三维结构超材料自身可构成产品的主要构成部分。例如当采用三维结构超材料制备天线罩时，可直接将该三维结构超材料制备成天线罩本体，还可在原有的普通材料制成的天线罩本体表面设置该三维结构超材料以增强原天线罩本体的电磁性能。

根据三维结构超材料的不同功能，三维结构超材料还可制成天线、滤波器、极化器等，从而满足不同的应用需求。

上面结合附图对《三维结构超材料》的实施例进行了描述，但是《三维结构超材料》并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，该领域的普通技术人员在《三维结构超材料》的启示下，在不脱离《三维结构超材料》宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于《三维结构超材料》的保护之内 。

三维结构超材料专利目的

《三维结构超材料》所要解决的技术问题在于，针对2012年技术的上述不足，提出一种加工工艺简单、电磁响应效果优良的三维结构超材料 。

三维结构超材料技术方案

《三维结构超材料》解决其技术问题采用的技术方案为，提出一种三维结构超材料，其包括：至少一层成型基材、至少一层柔性功能层，所述柔性功能层设置于成型基材表面或者设置于多层成型基材之间；所述每层柔性功能层包括由至少一个柔性子基板构成的柔性基板以及设置于每个柔性子基板上的多个能响应电磁波的人造微结构；所述三维结构超材料具有电磁波调制功能；所述三维结构超材料表面由至少两个可展开为平面的几何区域组成；所述柔性功能层包括多个柔性子基板，一个柔性子基板对应所述三维结构超材料表面展开后的一个平面。

进一步地，所述三维结构超材料包括至少两层所述柔性功能层和至少两层所述成型基材。

进一步地，所述三维结构超材料包括至少三层所述柔性功能层和至少三层所述成型基材。

进一步地，所述成型基材与所述柔性功能层间隔设置。

进一步地，每一柔性基板紧贴设置，柔性功能层紧贴于成型基材的表面。

进一步地，所述柔性基板是热塑性材料或加入柔性纤维的热塑性复合材料。

进一步地，所述柔性基板的材料为聚酰亚胺、聚酯、聚四氟乙烯、聚氨酯、聚芳酯、PET膜、PE膜或PVC膜。

进一步地，所述三维结构超材料可实现对电磁波进行透波、吸波、波束赋形、极化转化或方向图调制的电磁波调制功能。

进一步地，所述三维结构超材料可实现对电磁波进行频选透波、频选吸波、宽频透波或宽频吸波。

进一步地，所述三维结构超材料可实现对电磁波进行垂直极化转水平极化、水平极化转垂直极化、水平极化转圆极化或圆极化转水平极化。

进一步地，所述三维结构超材料可实现对电磁波进行波束发散、波束汇聚或波束偏折。

进一步地，所述三维结构超材料表面上可展开为平面的几何区域内最大高斯曲率与最小高斯曲率的比值小于100。

进一步地，所述三维结构超材料表面上可展开为平面的几何区域内最大高斯曲率与最小高斯曲率的比值小于80。

进一步地，所述三维结构超材料表面上可展开为平面的几何区域内最大高斯曲率与最小高斯曲率的比值小于50。

进一步地，所述三维结构超材料表面上可展开为平面的几何区域内最大高斯曲率与最小高斯曲率的比值小于20。

进一步地，所述三维结构超材料表面上可展开为平面的几何区域内最大高斯曲率与最小高斯曲率的比值小于10。

进一步地，不同柔性子基板上的人造微结构的拓扑结构相同。

进一步地，不同柔性子基板上的人造微结构的拓扑结构不同。

进一步地，所述三维结构超材料包括多个电磁区域，入射至每一电磁区域内的电磁波具有一种或多种电磁参数范围；每一电磁区域内的人造微结构对入射至该电磁区域的电磁波产生预设的电磁响应。

进一步地，入射至每一电磁区域内的电磁波的一种或多种电磁参数的最大值与最小值的差值相等。

进一步地，入射至每一电磁区域内的电磁波的一种或多种电磁参数的最大值与最小值的差值不等。

进一步地，所述每一电磁区域位于一柔性子基板中，或者每一电磁区域横跨多个柔性子基板。

进一步地，所述电磁参数范围为入射角度范围、轴比值范围、相位值范围或电磁波电场入射角度范围。

进一步地，每一电磁区域内的至少一层柔性功能层上的人造微结构拓扑形状相同，尺寸不同。

进一步地，每一电磁区域内的柔性功能层上的人造微结构拓扑形状相同。

进一步地，每一电磁区域内的至少一层柔性功能层上的人造微结构与其它柔性功能层的人造微结构拓扑形状不同。

进一步地，所述柔性基板上还设置有用于增强其与相邻成型基材层间结合力的结构。

进一步地，所述结构为开设于柔性基板上的孔或槽。

进一步地，所述人造微结构为导电材料构成的具有几何图案的结构。

进一步地，所述导电材料为金属或非金属导电材料。

进一步地，所述金属为金、银、铜、金合金、银合金、铜合金、锌合金或铝合金。

进一步地，所述非金属导电材料为导电石墨、铟锡氧化物或掺铝氧化锌。

进一步地，所述人造微结构的几何图案为方片形、雪花形、工字形、六边形、六边环形、十字孔形、十字环形、Y孔形、Y环形、圆孔形或圆环形。

进一步地，所述每层成型基材的厚度相等。

进一步地，所述每层成型基材的厚度不相等。

进一步地，所述成型基材的材料为纤维增强树脂复合材料或纤维增强陶瓷基复合材料。

进一步地，所述纤维为玻璃纤维、石英纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维、碳纤维或聚酯纤维。

进一步地，所述纤维增强树脂复合材料中的树脂为热固性树脂。

进一步地，所述热固性树脂包括环氧类型、氰酸酯类型、双马来酰亚胺树脂及它们的改性树脂体系或混合体系。

进一步地，所述纤维增强树脂复合材料中的树脂为热塑性树脂。

进一步地，所述热塑性树脂包括聚酰亚胺、聚醚醚酮、聚醚酰亚胺、聚苯硫醚或聚酯。

进一步地，所述陶瓷包括氧化铝、氧化硅、氧化钡、氧化铁、氧化镁、氧化锌、氧化钙、氧化锶、氧化钛或上述材料的混合物。

《三维结构超材料》还提供一种天线罩，所述天线罩为上述的三维结构超材料。

《三维结构超材料》还提供一种吸波材料，其包括上述的三维结构超材料。

《三维结构超材料》还提供一种滤波器，其包括上述的三维结构超材料。

《三维结构超材料》还提供一种天线，其包括上述的三维结构超材料。

《三维结构超材料》还提供一种极化器，其包括上述的三维结构超材料 。

三维结构超材料改善效果

根据《三维结构超材料》的三维结构超材料，其制备工艺简单，加工成本低、工艺精度控制简单，可以替代各种具有复杂曲面且需要有一定电磁调制功能的结构件，也可以贴附于各种具有复杂曲面的结构件上实现需要的电磁调制功能。而且通过曲面展开和电磁分区的方式使得三维结构超材料具有较好的电磁响应和较宽的应用范围 。

1.一种三维结构超材料，其特征在于，包括：至少一层成型基材、至少一层柔性功能层，所述柔性功能层设置于成型基材表面或者设置于多层成型基材之间；所述每层柔性功能层包括由至少一个柔性子基板构成的柔性基板以及设置于每个柔性子基板上的多个能响应电磁波的人造微结构；所述三维结构超材料具有电磁波调制功能；所述三维结构超材料表面由至少两个可展开为平面的几何区域组成；所述柔性功能层包括多个柔性子基板，一个柔性子基板对应所述三维结构超材料表面展开后的一个平面。

2.根据权利要求1所述的三维结构超材料，其特征在于，所述三维结构超材料包括至少两层所述柔性功能层和至少两层所述成型基材。

3.根据权利要求1所述的三维结构超材料，其特征在于，所述三维结构超材料包括至少三层所述柔性功能层和至少三层所述成型基材。

4.根据权利要求2或3所述的三维结构超材料，其特征在于，所述成型基材与所述柔性功能层间隔设置。

5.根据权利要求2或3所述的三维结构超材料，其特征在于，每一柔性基板紧贴设置，柔性功能层紧贴于成型基材的表面。

6.根据权利要求1所述的三维结构超材料，其特征在于，所述柔性基板是热塑性材料或加入柔性纤维的热塑性复合材料。

7.根据权利要求6所述的三维结构超材料，其特征在于，所述柔性基板的材料为聚酰亚胺、聚酯、聚四氟乙烯、聚氨酯、聚芳酯、PET膜、PE膜或PVC膜。

8.根据权利要求1所述的三维结构超材料，其特征在于，所述三维结构超材料可实现对电磁波进行透波、吸波、波束赋形、极化转化或方向图调制的电磁波调制功能。

9.根据权利要求8所述的三维结构超材料，其特征在于，所述三维结构超材料可实现对电磁波进行频选透波、频选吸波、宽频透波或宽频吸波。

10.根据权利要求8所述的三维结构超材料，其特征在于，所述三维结构超材料可实现对电磁波进行垂直极化转水平极化、水平极化转垂直极化、水平极化转圆极化或圆极化转水平极化。

11.根据权利要求8所述的三维结构超材料，其特征在于，所述三维结构超材料可实现对电磁波进行波束发散、波束汇聚或波束偏折。

12.根据权利要求1所述的三维结构超材料，其特征在于，所述三维结构超材料表面上可展开为平面的几何区域内最大高斯曲率与最小高斯曲率的比值小于100。

13.根据权利要求12所述的三维结构超材料，其特征在于，所述三维结构超材料表面上可展开为平面的几何区域内最大高斯曲率与最小高斯曲率的比值小于80。

14.根据权利要求12所述的三维结构超材料，其特征在于，所述三维结构超材料表面上可展开为平面的几何区域内最大高斯曲率与最小高斯曲率的比值小于50。

15.根据权利要求12所述的三维结构超材料，其特征在于，所述三维结构超材料表面上可展开为平面的几何区域内最大高斯曲率与最小高斯曲率的比值小于20。

16.根据权利要求12所述的三维结构超材料，其特征在于，所述三维结构超材料表面上可展开为平面的几何区域内最大高斯曲率与最小高斯曲率的比值小于10。

17.根据权利要求1所述的三维结构超材料，其特征在于，不同柔性子基板上的人造微结构的拓扑结构相同。

18.根据权利要求1所述的三维结构超材料，其特征在于，不同柔性子基板上的人造微结构的拓扑结构不同。

19.根据权利要求1所述的三维结构超材料，其特征在于，所述三维结构超材料包括多个电磁区域，入射至每一电磁区域内的电磁波具有一种或多种电磁参数范围；每一电磁区域内的人造微结构对入射至该电磁区域的电磁波产生预设的电磁响应。

20.根据权利要求19所述的三维结构超材料，其特征在于，入射至每一电磁区域内的电磁波的一种或多种电磁参数的最大值与最小值的差值相等。

21.根据权利要求19所述的三维结构超材料，其特征在于，入射至每一电磁区域内的电磁波的一种或多种电磁参数的最大值与最小值的差值不等。

22.根据权利要求19所述的三维结构超材料，其特征在于，所述每一电磁区域位于一柔性子基板中，或者每一电磁区域横跨多个柔性子基板。

23.根据权利要求19所述的三维结构超材料，其特征在于，所述电磁参数范围为入射角度范围、轴比值范围、相位值范围或电磁波电场入射角度范围。

24.根据权利要求19所述的三维结构超材料，其特征在于，每一电磁区域内的至少一层柔性功能层上的人造微结构拓扑形状相同，尺寸不同。

25.根据权利要求19所述的三维结构超材料，其特征在于，每一电磁区域内的柔性功能层上的人造微结构拓扑形状相同。

26.根据权利要求19所述的三维结构超材料，其特征在于，每一电磁区域内的至少一层柔性功能层上的人造微结构与其它柔性功能层的人造微结构拓扑形状不同。

27.根据权利要求1所述的三维结构超材料，其特征在于，所述柔性基板上还设置有用于增强其与相邻成型基材层间结合力的结构。

28.根据权利要求27所述的三维结构超材料，其特征在于，所述结构为开设于柔性基板上的孔或槽。

29.根据权利要求1所述的三维结构超材料，其特征在于，所述人造微结构为导电材料构成的具有几何图案的结构。

30.根据权利要求29所述的三维结构超材料，其特征在于，所述导电材料为金属或非金属导电材料。

31.根据权利要求30所述的三维结构超材料，其特征在于，所述金属为金、银、铜、金合金、银合金、铜合金、锌合金或铝合金。

32.根据权利要求30所述的三维结构超材料，其特征在于，所述非金属导电材料为导电石墨、铟锡氧化物或掺铝氧化锌。

33.根据权利要求29所述的三维结构超材料，其特征在于，所述人造微结构的几何图案为方片形、雪花形、工字形、六边形、六边环形、十字孔形、十字环形、Y孔形、Y环形、圆孔形或圆环形。

34.根据权利要求2或3所述的三维结构超材料，其特征在于，所述每层成型基材的厚度相等。

35.根据权利要求2或3所述的三维结构超材料，其特征在于，所述每层成型基材的厚度不相等。

36.根据权利要求1所述的三维结构超材料，其特征在于，所述成型基材的材料为纤维增强树脂复合材料或纤维增强陶瓷基复合材料。

37.根据权利要求36所述的三维结构超材料，其特征在于，所述纤维为玻璃纤维、石英纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维、碳纤维或聚酯纤维。

38.根据权利要求36所述的三维结构超材料，其特征在于，所述纤维增强树脂复合材料中的树脂为热固性树脂。

39.根据权利要求38所述的三维结构超材料，其特征在于，所述热固性树脂包括环氧类型、氰酸酯类型、双马来酰亚胺树脂及它们的改性树脂体系或混合体系。

40.根据权利要求36所述的三维结构超材料，其特征在于，所述纤维增强树脂复合材料中的树脂为热塑性树脂。

41.根据权利要求40所述的三维结构超材料，其特征在于，所述热塑性树脂包括聚酰亚胺、聚醚醚酮、聚醚酰亚胺、聚苯硫醚或聚酯。

42.根据权利要求36所述的三维结构超材料，其特征在于，所述陶瓷包括氧化铝、氧化硅、氧化钡、氧化铁、氧化镁、氧化锌、氧化钙、氧化锶、氧化钛或上述材料的混合物。

43.一种天线罩，其特征在于，所述天线罩为权利要求1至42任一项所述的三维结构超材料。

44.一种吸波材料，其特征在于，包括权利要求1至42任一项所述的三维结构超材料。

45.一种滤波器，其特征在于，包括权利要求1至42任一项所述的三维结构超材料。

46.一种天线，其特征在于，包括权利要求1至42任一项所述的三维结构超材料。

47.一种极化器，其特征在于，包括权利要求1至42任一项所述的三维结构超材料 。

低频振动和噪声控制问题一直是人们面临的技术难题，由于受到质量定律等物理规律的制约，传统的隔振/声材料或结构很难对其进行有效的控制。近年来，局域共振型声学超材料的提出，为通过亚波长尺寸的轻质结构实现低频减振降噪提供了一种全新的思路。然而，目前在声学超材料低频减振降噪中，仍在力学模型的等效、带隙形成和调控机制及实际工程应用等方面存在着一些不足。

本书针对低频超材料在弹性波调控机理和减振降噪应用方面面临的关键理论及技术问题，从新型力学模型的提出、带隙的调控机制及实际的工程应用详细论述了以下的研究工作。 本书以如何利用局域共振型声学超材料实现低频振动和噪声的控制问题为核心，深入分析了四种新型不同带隙形成机理及调控方法的力学模型，并对工程中常用的减振杆、梁、板及隔声材料的设计进行了初步探索，这些研究成果会进一步丰富声学超材料研究内容，同时为工程中的减振降噪方法提供一定的理论基础和技术支持。。

超材料是可构建电磁波强电-磁响应的新型人工材料。超材料组成-单元微结构设计多样性，为超材料与电磁波传输、极化转换研究留下巨大可塑空间。超材料结构设计的灵活性、性能调控的有效性，特别是它的电磁波极化特性高效调控性为雷达波操控设计提供了新思路。本项目打破电磁波传输-能量耗散的传统研究模式，从操控电磁波极化特性的角度获得类似黑体的极化陷阱结构，进而实现电磁波的不可探测性。形成极化特性完全相异的“透射-反射”双层雷达波陷阱结构，雷达波“禁锢”在极化特性不匹配的上层、下层之间。本申请拟开展雷达波极化调控超材料研究，重点突破电磁波透射、反射极化特性调控超材料设计，建立超材料的电磁波极化特性模型与数学表达；进行雷达波“陷阱”结构超材料设计、实验反馈、修正与设计优化，获得雷达波极化特性调控超材料设计方法。有望促进超材料在极化天线、能量捕获、新型光电器件、雷达波操控领域等应用基础研究。