三维光子晶体微/宏结构可控制造方法及其性能研究

光子晶体具有控制光子传播的功能。这一特性决定了其在通讯、激光器、军事等方面有着广泛的应用。光子晶体的性能与光子晶体结构、介质的连通性、介电常数有关。光子晶体的结构/材料/外形的多样性和复杂性，使得制造具有完全光子带隙的光子晶体成为一项巨大的挑战。三维光子晶体制造更是成为其发展的瓶颈。本项目以光固化快速成形制造方法为基础，研究多介质材料、变周期结构的三维光子晶体可控制造方法；研究微结构与材料对光子晶体电磁波特性的作用规律；研究光子晶体的电磁波性能方向性的可控设计制造研究；探索面向微波器件的微组织与宏结构的设计制造一体化方法。通过认识光子晶体微观结构与器件宏观结构在性能匹配上的原理，建立从光子晶体向器件设计制造的集成方法，充分发挥快速成形制造技术在三维制造方面的优势，研究光子晶体的新功能，推动光子晶体向器件和应用方面的发展，面向产业需求寻找光子晶体设计和制造的新方法。

光子（声子）晶体能够控制波的传播。光子晶体的性能取决于光子晶体微/宏观结构、介质材料特性等因素。光子晶体的结构/材料/外形的多样性和复杂性，使得制造具有特定微波特性的光子晶体成为一项巨大的挑战。三维光子晶体制造更是器件发展的瓶颈。.本项目采用光固化成形、光固化负型、激光直接烧结等方法，实现了复杂结构三维光子晶体的快速制造。制备了固相含量50vol%，粘度为1340mPa∙s的水基陶瓷浆料；采用冷冻干燥的方法降低陶瓷坯体三个方向收缩率至低于2%；经冷冻干燥后的光固化陶瓷坯体在1400℃焙烧，所得陶瓷零件具有达到28.62MPa抗弯强度；长度和宽度方向收缩率低于0.6%，高度方向低于1.4%。.微结构与材料特性对光子晶体电磁波传输特性有显著影响。在三维光子晶体中引入缺陷态，发现多个缺陷腔体平行耦合能产生多谐振峰。材料性能和结构参数对光子晶体负折射性能的影响规律。研究发现：随着圆柱半径变化率的增加，负折射发生的频带中心频率向低频偏移，频带宽度逐渐增加；认识了各参数对光子晶体负折射性能的影响规律，为负折射特性光子晶体的主动设计和制造奠定了基础。.三维光子晶体用作微波天线基板可提高天线增益。研究发现光子晶体基板在禁带区间对入射能量反射和叠加能提高天线的增益，将偶极子天线传输能力提高3.2倍；光子晶体基板天线中引入缺陷腔后，与普通金刚石结构相比，辐射能力可提高1.25倍。这为发展高灵敏度微小型信号接收器提供新途径。.超材料尺度的光子晶体可用来控制电磁波的传播方向。设计了具有空间渐变结构的各向同性三维光子晶体全介质超材料，可实现具有复杂外部表面及内部结构的新颖电磁波器件，采用快速成形工艺，完成了复杂结构器件的一体化制造。利用该方法，实现了微波频段的宽频隐身地毯，并首次实现了自由空间的三维电磁“黑洞”。该技术为发展无线能量传输和结构隐身提供的技术基础。.研究了声子晶体的物理特性、设计方法、制造工艺，及其在能量回收方面的应用。所设计的声子晶体能量回收装置可以收集360-800Hz频率范围的振动能，对比试验表明，在510Hz的正弦激励下，橡胶块产生的电压量仅为0.1mV，而带缺陷声子晶体产生电压量的幅值为42.1mV，为橡胶块的421倍。该研究为发展高效机械能量回收提供了新方法。