專利名稱：一種介質(zhì)基板的制備方法及超材料的制作方法
一種介質(zhì)基板的制備方法及超材料技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超材料領(lǐng)域，具體地涉及超材料介質(zhì)基板材料的制備技術(shù)。背景技術(shù)：
超材料是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料。通過在材料的關(guān)鍵物理尺度上的結(jié)構(gòu)有序設(shè)計(jì)，可以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。超材料的性質(zhì)和功能主要來自于其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)而非構(gòu)成它們的材料，因此，為設(shè)計(jì)和合成超材料，人們進(jìn)行了很多研究工作。 2000年，加州大學(xué)的Smith等人指出周期性排列的金屬線和開環(huán)共振器(SRR)的復(fù)合結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ同時(shí)為負(fù)的雙負(fù)材料，也稱左手材料。之后他們又通過在印刷電路板(PCB)上制作金屬線和SRR復(fù)合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了二維的雙負(fù)材料。
超材料的基本結(jié)構(gòu)由介質(zhì)基板以及陣列在介質(zhì)基板上的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)組成，陣列在介質(zhì)基板上的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)具有特定的電磁特性，能對(duì)電場(chǎng)或磁場(chǎng)產(chǎn)生電磁響應(yīng)， 通過對(duì)人造微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和排列規(guī)律進(jìn)行精確設(shè)計(jì)可以控制超材料各個(gè)基本單元的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率，從而使超材料呈現(xiàn)出各種一般材料所不具有的電磁特性，如能匯聚、發(fā)散和偏折電磁波等。
現(xiàn)有的超材料人造微結(jié)構(gòu)一般為金屬材料，而介質(zhì)基板一般采用有機(jī)樹脂基板， 介質(zhì)基板介電常數(shù)大小為均勻分布，介質(zhì)基板本身不具有電磁調(diào)制功能，出于超材料功能設(shè)計(jì)的需要，如何設(shè)計(jì)介質(zhì)基板的介電常數(shù)大小呈非均勻的分布，這成為現(xiàn)有技術(shù)亟待解決的技術(shù)問題。
作為現(xiàn)有技術(shù)，二氧化硅氣凝膠的主要成分是SiO2,是通過溶膠凝膠方法將有機(jī)或無機(jī)硅源制備成濕凝膠，然后用氣體取代凝膠中的液體，通過干燥控制添加劑及干燥工藝的控制，保持其空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基本不變，從而得到納米多孔的硅石氣凝膠材料。硅石氣凝膠內(nèi)含大量空氣，其孔隙率可達(dá)80% 99%，其微孔尺寸范圍為1 lOOnm。其納米多孔結(jié)構(gòu)使其具備許多優(yōu)良的電氣性能，如在3-40GHZ范圍內(nèi)，其介電常數(shù)可控制在1. 08-2. 27 范圍內(nèi)，熱膨脹系數(shù)僅為普通SW2的1/5，密度為5-200kg/m3，可耐壓力超過^MPa,電阻率為為SiO2W 1000倍。Si02氣凝膠的介電常數(shù)很低(1-2)，熱穩(wěn)定好，還具有絕緣、輕質(zhì)、無毒、阻燃、廉價(jià)等優(yōu)異性能。在低介電常數(shù)無鉛PCB基板材料中有很好的應(yīng)用前景。
作為現(xiàn)有技術(shù)，單個(gè)熱輻射紅外燈在被測(cè)物體上產(chǎn)生的溫度場(chǎng)具有以熱源對(duì)應(yīng)點(diǎn)為中心，向外圍遞減的特點(diǎn)。文獻(xiàn)劉守文，尹曉芳，裴一飛，孫來燕。基于蒙特卡羅方法的紅外燈熱流分布研究，宇航學(xué)報(bào)，2010，31 O) ,608-614.給出了飛利浦紅外燈(型號(hào)為 13169X/98，額定電壓為120V，額定功率為500W，色溫為2450K。)下方400mm處1. 5mX 1. 5m 面積內(nèi)輻射熱流計(jì)算結(jié)果云圖。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種介質(zhì)基板的制備方法以及具有該介質(zhì)基板的超材料，以實(shí)現(xiàn)超材料介質(zhì)基板的介電常數(shù)大小呈非均勻分布。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的采用的技術(shù)方案是，一種介質(zhì)基板的制備方法，包括以下步驟
a.將硅源加入到乙醇和水的混合溶劑中，混合均勻后，得到二氧化硅溶膠；
b.調(diào)節(jié)pH值后靜置，使所述二氧化硅溶膠老化形成凝膠；
c.以乙醇或丙酮作為置換劑，置換所述凝膠內(nèi)的水，得到凝膠塊；
d.以單個(gè)熱輻射紅外燈對(duì)上述凝膠塊非均勻加熱，使凝膠塊不同區(qū)域內(nèi)的置換劑以不同的揮發(fā)速率進(jìn)行干燥，最后形成具有連續(xù)變化的孔隙度的二氧化硅氣凝膠，制得介質(zhì)基板。
作為具體實(shí)施方式
，所述d步驟中，所述熱輻射紅外燈設(shè)置在所述凝膠塊的幾何中心位置。
更好地，控制所述熱輻射紅外燈的中心加熱溫度為100-120°C。
更好地，所述熱輻射紅外燈的加熱時(shí)間為24-72小時(shí)。
更好地，所述b步驟還包括設(shè)置一模具，在所述模具底部放置一纖維增強(qiáng)材料， 將所述二氧化硅溶膠注入到所述模具內(nèi)，再調(diào)節(jié)PH值后靜置，使所述二氧化硅溶膠老化形成凝膠。
更好地，所述a步驟中，所述混合溶劑中還加入有干燥控制添加劑，所述干燥控制添加劑為甲酰胺和乙二醇。
更好地，所述c步驟中，去除所述凝膠內(nèi)的水后，還包括以表面修飾劑對(duì)所述凝膠進(jìn)行疏水處理。所述表面修飾劑為三甲基氯硅烷。
作為具體實(shí)施方式
，所述硅源為正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、硅溶膠或水玻璃。
具體實(shí)施時(shí)，所述b步驟中，調(diào)節(jié)pH值為2-4或11-13。
本發(fā)明還提供一種超材料，包括介質(zhì)基板以及陣列在介質(zhì)基板上的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)，所述介質(zhì)基板為二氧化硅氣凝膠層，所述二氧化硅氣凝膠層在水平平面內(nèi)具有連續(xù)變化的孔隙度分布。
作為具體實(shí)施方式
，所述二氧化硅氣凝膠層含有纖維增強(qiáng)材料。所述纖維增強(qiáng)材料為玻璃纖維布或有機(jī)纖維布。
本發(fā)明的有益效果是通過本發(fā)明介質(zhì)基板的制備方法，得到的介質(zhì)基板以二氧化硅氣凝膠為基體材料，在二氧化硅氣凝膠的制備過程中，以單個(gè)熱輻射紅外燈對(duì)凝膠塊進(jìn)行加熱，通過加熱的方法對(duì)凝膠塊進(jìn)行干燥，熱輻射紅外燈在被測(cè)物體上產(chǎn)生的溫度場(chǎng)具有以熱源對(duì)應(yīng)點(diǎn)為中心，向外圍遞減的特點(diǎn)，而干燥方法和干燥溫度對(duì)于二氧化硅氣凝膠的孔隙率有很大的影響。干燥過程中，氣液兩相共存于凝膠的孔結(jié)構(gòu)中，當(dāng)液體開始蒸發(fā)時(shí)，由分子間引力而產(chǎn)生的表面張力會(huì)導(dǎo)致液體在毛細(xì)管中形成彎月面。若凝膠孔壁的機(jī)械強(qiáng)度不足以抵抗毛細(xì)力，則孔洞會(huì)發(fā)生收縮。因此，濕凝膠的干燥溫度越高，所得到的氣凝膠的孔隙度就越低。
對(duì)于超材料而言，其各個(gè)基本單元的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率是由人造微結(jié)構(gòu)和介質(zhì)基板所共同決定，當(dāng)介質(zhì)基板為均勻介質(zhì)時(shí)基本單元的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率是由人造微結(jié)構(gòu)，而當(dāng)介質(zhì)基板為非均勻介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)基板的介電常數(shù)變化也會(huì)影響到超材料各個(gè)基本單元的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率，本發(fā)明中，當(dāng)二氧化硅氣凝膠介質(zhì)基板4的孔隙度連續(xù)變化時(shí)，由于空氣的介電常數(shù)為1，而凝膠本身的介電常數(shù)為2-3，這使得介質(zhì)基板的介電常數(shù)隨著孔隙度的降低而增大。也就是說干燥溫度越高，所得到的二氧化硅氣凝膠的介電常數(shù)越大。因此，可以通過控制濕凝膠干燥時(shí)的溫度場(chǎng)的均勻規(guī)律性變化，相應(yīng)得到介電常數(shù)與溫度場(chǎng)變化規(guī)律一致的二氧化硅氣凝膠。
本發(fā)明通過上述原理，能為超材料的功能設(shè)計(jì)提供更為靈活的設(shè)計(jì)途徑，大大擴(kuò)展超材料的功能應(yīng)用。

圖1，實(shí)施例1超材料的平面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2，實(shí)施例1介質(zhì)基板的介電常數(shù)分布示意圖。
圖3，實(shí)施例2超材料的平面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4，實(shí)施例2介質(zhì)基板的介電常數(shù)分布示意圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
一種介質(zhì)基板的制備方法，包括以下步驟
a.以正硅酸乙酯為硅源，取正硅酸乙酯104克，水31. 5克，乙醇92-460克混合均勻，摩爾比相當(dāng)于正硅酸乙酯水乙醇為1 3.5 4-20，得到二氧化硅溶膠；
b.將上述二氧化硅溶膠倒入一模具內(nèi)，模具的形狀可根據(jù)介質(zhì)基板的應(yīng)用要求進(jìn)行任意設(shè)計(jì)，本實(shí)施例采用平板形，逐滴加入濃度為0. 35mol/L的氨水，調(diào)節(jié)pH值至 2. 5-3. 5，靜置，使二氧化硅溶膠老化形成凝膠；
c.以乙醇或丙酮作為置換劑，置換凝膠內(nèi)的水，脫模后得到凝膠塊；
d.以單個(gè)熱輻射紅外燈對(duì)上述凝膠塊進(jìn)行非均勻加熱，本實(shí)施例中，熱輻射紅外燈位于凝膠塊的邊緣位置，由于熱輻射紅外燈在被測(cè)物體上產(chǎn)生的溫度場(chǎng)具有以熱源對(duì)應(yīng)點(diǎn)為中心，向外圍遞減的特點(diǎn)，溫度的變化使凝膠塊不同區(qū)域內(nèi)的置換劑以不同的揮發(fā)速率進(jìn)行干燥，使得最終形成的二氧化硅氣凝膠的孔隙度越靠近邊緣位置越小，從而使制得的介質(zhì)基板的介電常數(shù)越靠近邊緣位置越大。
在上述制得的介質(zhì)基板上覆銅，通過蝕刻或激光雕刻的方法在介質(zhì)基板上制作出具有一定形狀和排布規(guī)律的人造金屬銅微結(jié)構(gòu)，得到超材料，本實(shí)施例制得的超材料的介質(zhì)基板1上陣列有工字型人造微結(jié)構(gòu)2，介質(zhì)基板1為二氧化硅氣凝膠，二氧化硅氣凝膠在水平平面內(nèi)具有連續(xù)變化的孔隙度，超材料的平面結(jié)構(gòu)示意圖參看附圖1，介質(zhì)基板的介電常數(shù)分布示意圖參看附圖2，圖2中小圓點(diǎn)的分布密度代表的是介電常數(shù)的大小。對(duì)于超材料而言，陣列在介質(zhì)基板1上的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)2具有特定的電磁特性，能對(duì)電場(chǎng)或磁場(chǎng)產(chǎn)生電磁響應(yīng)，通過對(duì)人造微結(jié)構(gòu)2的結(jié)構(gòu)和排列規(guī)律進(jìn)行精確設(shè)計(jì)可以控制超材料各個(gè)基本單元的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率，而等效介電常數(shù)是有介質(zhì)基板1以及固定在介質(zhì)基板1上的人造微結(jié)構(gòu)2所共同決定，本實(shí)施例中，介質(zhì)基板沿厚度方向孔隙度的不同使得介質(zhì)基板1的介電常數(shù)在平面內(nèi)呈非均勻的分布，這為超材料的功能設(shè)計(jì)提供了一種新的設(shè)計(jì)途徑。
實(shí)施例2
一種介質(zhì)基板的制備方法，包括以下步驟
a.將正硅酸甲酯水乙醇HCl按1 3. 5 8 8. 4X IO"4的摩爾比混合得到混合溶液，為提高孔隙度，可加入甲酰胺和乙二醇作為干燥控制劑，60°C恒溫水浴保溫2 小時(shí)，得到二氧化硅溶膠；
b.在一模具的底部平放一層有機(jī)纖維布，模具的形狀可根據(jù)介質(zhì)基板的應(yīng)用要求進(jìn)行任意設(shè)計(jì)，本實(shí)施例采用圓板形，將上述二氧化硅溶膠倒入模具內(nèi)，逐滴滴入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1. 5%的鹽酸，調(diào)節(jié)PH值至11-12，靜置，使二氧化硅溶膠老化形成凝膠；
c.以乙醇或丙酮作為置換劑，去除凝膠內(nèi)的水，以表面修飾劑三甲基氯硅烷對(duì)凝膠進(jìn)行疏水處理，脫模后得到凝膠塊；；
d.以單個(gè)熱輻射紅外燈對(duì)上述凝膠塊進(jìn)行非均勻加熱，本實(shí)施例中，熱輻射紅外燈位于凝膠塊的幾何中心位置，由于熱輻射紅外燈在被測(cè)物體上產(chǎn)生的溫度場(chǎng)具有以熱源對(duì)應(yīng)點(diǎn)為中心，向外圍遞減的特點(diǎn)，溫度的變化使凝膠塊不同區(qū)域內(nèi)的置換劑以不同的揮發(fā)速率進(jìn)行干燥，使得最終形成的圓板形二氧化硅氣凝膠的孔隙度中心位置最小，由中心位置向周邊位置逐漸連續(xù)變大，從而使制得的介質(zhì)基板的介電常數(shù)中心位置的介電常數(shù)最大，由中心位置向周邊位置逐漸連續(xù)變小。
在上述制得的介質(zhì)基板上覆銅，通過蝕刻或激光雕刻的方法在介質(zhì)基板上制作出具有一定形狀和排布規(guī)律的人造金屬銅微結(jié)構(gòu)，得到超材料，本實(shí)施例制得的超材料的介質(zhì)基板1上陣列有開口環(huán)型人造微結(jié)構(gòu)2，介質(zhì)基板1以有機(jī)纖維布為基底，基底上附著有二氧化硅氣凝膠層，二氧化硅氣凝膠層在水平平面內(nèi)具有連續(xù)變化的孔隙度分布，最終使介質(zhì)基板具有連續(xù)變化的介電常數(shù)分布，超材料的平面結(jié)構(gòu)示意圖參看附圖3，介質(zhì)基板的介電常數(shù)分布示意圖參看附圖4，圖4中小圓點(diǎn)的分布密度代表的是介電常數(shù)的大小。對(duì)于超材料而言，陣列在介質(zhì)基板1上的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)2具有特定的電磁特性，能對(duì)電場(chǎng)或磁場(chǎng)產(chǎn)生電磁響應(yīng)，通過對(duì)人造微結(jié)構(gòu)2的結(jié)構(gòu)和排列規(guī)律進(jìn)行精確設(shè)計(jì)可以控制超材料各個(gè)基本單元的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率，而等效介電常數(shù)是有介質(zhì)基板1以及固定在介質(zhì)基板1上的人造微結(jié)構(gòu)2所共同決定，本實(shí)施例中，介質(zhì)基板的介電常數(shù)中心位置的介電常數(shù)最大，由中心位置向周邊位置逐漸連續(xù)變小的分布規(guī)律，為超材料的功能應(yīng)用提供了一種解決途徑。
在上述實(shí)施例中，僅對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了示范性描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀本專利申請(qǐng)后可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種修改。
權(quán)利要求
1.一種介質(zhì)基板的制備方法，其特征在于，包括以下步驟a.將硅源加入到乙醇和水的混合溶劑中，混合均勻后，得到二氧化硅溶膠；b.調(diào)節(jié)pH值后靜置，使所述二氧化硅溶膠老化形成凝膠；c.以乙醇或丙酮作為置換劑，置換所述凝膠內(nèi)的水，得到凝膠塊；d.以單個(gè)熱輻射紅外燈對(duì)上述凝膠塊進(jìn)行非均勻加熱，使凝膠塊不同區(qū)域內(nèi)的置換劑以不同的揮發(fā)速率進(jìn)行干燥，最后形成具有連續(xù)變化的孔隙度的二氧化硅氣凝膠，制得介質(zhì)基板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的介質(zhì)基板的制備方法，其特征在于，所述d步驟中，所述熱輻射紅外燈設(shè)置在所述凝膠塊的幾何中心位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的介質(zhì)基板的制備方法，其特征在于，控制所述熱輻射紅外燈的中心加熱溫度為100-120°C。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的介質(zhì)基板的制備方法，其特征在于，所述熱輻射紅外燈的加熱時(shí)間為24-72小時(shí)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的介質(zhì)基板的制備方法，其特征在于，所述b步驟還包括設(shè)置一模具，在所述模具底部放置一纖維增強(qiáng)材料，將所述二氧化硅溶膠注入到所述模具內(nèi)，再調(diào)節(jié)PH值后靜置，使所述二氧化硅溶膠老化形成凝膠。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的介質(zhì)基板的制備方法，其特征在于，所述a步驟中，所述混合溶劑中還加入有干燥控制添加劑，所述干燥控制添加劑為甲酰胺和乙二醇。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的介質(zhì)基板的制備方法，其特征在于，所述c步驟中，去除所述凝膠內(nèi)的水后，還包括以表面修飾劑對(duì)所述凝膠進(jìn)行疏水處理。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的介質(zhì)基板的制備方法，其特征在于，所述表面修飾劑為三甲基氣娃焼。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的介質(zhì)基板的制備方法，其特征在于，所述硅源為正硅酸乙酯、 正硅酸甲酯、硅溶膠或水玻璃。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的介質(zhì)基板的制備方法，其特征在于，所述b步驟中，調(diào)節(jié)PH 值為2-4或11-13。
11.一種超材料，包括介質(zhì)基板以及陣列在介質(zhì)基板上的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)，其特征在于所述介質(zhì)基板為二氧化硅氣凝膠層，所述二氧化硅氣凝膠層在水平平面內(nèi)具有連續(xù)變化的孔隙度分布。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的超材料，其特征在于，所述二氧化硅氣凝膠層含有纖維增強(qiáng)材料。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的超材料，其特征在于，所述纖維增強(qiáng)材料為玻璃纖維布或有機(jī)纖維布。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種介質(zhì)基板的制備方法以及應(yīng)用該介質(zhì)基板的超材料，通過本發(fā)明介質(zhì)基板的制備方法，在二氧化硅氣凝膠的制備過程中，以單個(gè)熱輻射紅外燈對(duì)凝膠塊進(jìn)行加熱，通過加熱的方法對(duì)凝膠塊進(jìn)行干燥，這使制得的介質(zhì)基板的介電常數(shù)具有連續(xù)變化的分布規(guī)律。本發(fā)明通過上述原理，能為超材料的功能設(shè)計(jì)提供更為靈活的設(shè)計(jì)途徑，大大擴(kuò)展超材料的功能應(yīng)用。
文檔編號(hào)C04B28/24GK102531519SQ20111033645
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2011年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月31日
發(fā)明者劉若鵬, 周添, 李雪, 繆錫根, 趙治亞, 金曦 申請(qǐng)人:深圳光啟高等理工研究院