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)的人工復合結(jié)構(gòu)或復合材料。通過在材料的關(guān)鍵物理尺度上的結(jié)構(gòu)有序設(shè)計，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)計和合成超材料，人們進行了很多研究工作。2000年，加州大學的Smith等人指出周期性排列的金屬線和開環(huán)共振器(SRR)的復合結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)介電常數(shù)ε和磁導率μ同時為負的雙負材料，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復合結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了二維的雙負材料。超材料的基本結(jié)構(gòu)由介質(zhì)基板以及陣列在介質(zhì)基板上的多個人造微結(jié)構(gòu)組成，陣列在介質(zhì)基板上的多個人造微結(jié)構(gòu)具有特定的電磁特性，能對電場或磁場產(chǎn)生電磁響應(yīng)，通過對人造微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和排列規(guī)律進行精確設(shè)計可以控制超材料各個基本單元的等效介電常數(shù)和等效磁導率，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?，F(xiàn)有的超材料人造微結(jié)構(gòu)一般為金屬材料,而介質(zhì)基板一般采用有機樹脂基板，介質(zhì)基板的介電常數(shù)大小一般為均勻分布，對于超材料的某些應(yīng)用而言，需要介質(zhì)基板的介電常數(shù)大小呈非均勻的分布，并且該非均勻分布的規(guī)律需要人為可控，這成為現(xiàn)有技術(shù)亟待解決的技術(shù)問題。

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.制備具有多孔結(jié)構(gòu)的鈦酸鍶鋇陶瓷基板；b.將硅源加入到乙醇和水的混合溶劑中，混合均勻后，調(diào)節(jié)pH值，得到二氧化硅溶膠，在形成凝膠之前將所述二氧化硅溶膠注入到所述鈦酸鍶鋇陶瓷基板的多孔結(jié)構(gòu)中；c.靜置使所述二氧化硅溶膠老化形成凝膠，以乙醇或丙酮作為置換劑，去除所述凝膠內(nèi)的水；d.將乙醇或丙酮進行干燥，使所述凝膠形成多孔硅石氣凝膠，得到以所述鈦酸鍶鋇陶瓷基板為基體并填充有多孔硅石氣凝膠的介質(zhì)基板。 所述步驟a的具體制備方法如下:al、將用于制備鈦酸鍶鋇的有機或無機鋇源、有機或無機鍶源、有機或無機鈦源按照Ba(1-x)SrxTiO3的化學計量比混合,其中x為0-1之間的任意實數(shù)；
a2、在上述混合物中加入粘結(jié)劑和造孔劑，采用流延成型的方法制得陶瓷生坯；a3、將所述陶瓷生坯在還原性氣氛中以1200-1500°C的高溫進行燒結(jié)，得到具有多孔結(jié)構(gòu)的鈦酸鍶鋇陶瓷基板。具體地，通過控制所述造孔劑的含量，使所述鈦酸鍶鋇陶瓷基板形成具有不同的孔隙率。具體地，所述造孔劑為所述混合物體積比的10-50 %。具體地，所述造孔劑為淀粉或碳粉。具體地，所述鋇源為碳酸鋇，所述鍶源為碳酸鍶、所述鈦源為二氧化鈦。具體地，所述粘結(jié)劑為聚乙烯醇縮丁醛。具體地，所述還原性氣氛為空氣或體積分數(shù)為5%氫氣和95%氮氣的混合氣體氣氛。具體地，所述混合物中還添加有增塑劑和分散劑，所述增塑劑和分散劑以乙醇或甲苯為溶劑。具體地，所述增塑劑為聚乙烯醇，所述分散劑為磷酸酯。具體地，所述步驟b中，所述混合溶膠劑中還加入有干燥控制劑，所述干燥控制劑為甲酰胺和乙二醇。 具體地，所述硅源為正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、硅溶膠或水玻璃。具體地，所述b步驟中，調(diào)節(jié)pH值為2-4或11-13。具體地，所述b步驟中，所述混合溶劑中還加入二氧化鈦粉體或玻璃纖維作為添加劑。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)基板上的多個人造微結(jié)構(gòu)，所述介質(zhì)基板以鈦酸鍶鋇陶瓷基板為基體，所述鈦酸鍶鋇陶瓷基板上具有多孔結(jié)構(gòu)，所述多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)填充有二氧化硅氣凝膠。本發(fā)明的有益效果是:1、通過本發(fā)明介質(zhì)基板的制備方法，能得到以具有多孔結(jié)構(gòu)的鈦酸鍶鋇陶瓷基板為基體，在其多孔結(jié)構(gòu)中填充有二氧化硅氣凝膠的介質(zhì)基板，該介質(zhì)基板中，二氧化硅氣凝膠具有很低的介電常數(shù)，能接近于空氣的介電常數(shù)，而鈦酸鍶鋇陶瓷則具有極高的介電常數(shù)，本發(fā)明通過對鈦酸鍶鋇陶瓷基板孔隙率的控制，控制二氧化硅氣凝膠的含量，進而實現(xiàn)對鈦酸鍶鋇陶瓷基板介電常數(shù)的調(diào)節(jié)，這為超材料的電磁性能適應(yīng)某些應(yīng)用提供了一種新的設(shè)計途徑；2、通過控制鈦酸鍶鋇中鍶和鋇的摩爾比，可以實現(xiàn)對鈦酸鍶鋇陶瓷介電常數(shù)的調(diào)節(jié)。

圖1，實施例1超材料的平面結(jié)構(gòu)示意圖。圖2，實施例1超材料的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖3，實施例2超材料的平面結(jié)構(gòu)示意圖。圖4，實施例2超材料的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細說明。實施例1—種介質(zhì)基板的制備方法，包括以下步驟:a.制備鈦酸鍶鋇陶瓷基板，以碳酸鋇作為鋇源、碳酸鍶作為鍶源、二氧化鈦為鈦源，按照Baa2Sra8TiO3的化學計量比混合，球磨干燥后，得到混合物，以聚乙烯醇縮丁醛(PVB)為粘結(jié)劑，再加入淀粉作為造孔劑，造孔劑的加入量為混合物總體積的10%，通過流延成型的方法制得陶瓷生坯，在1200-1500°C下，在5% H2氣氛下燒結(jié)4_20小時，在高溫下，淀粉被燒掉揮發(fā)，成型后的得到具有多孔結(jié)構(gòu)的鈦酸鍶鋇(Baa2Sra8TiO3)陶瓷基板；b.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，摩爾比相當于正硅酸乙酯:水:乙醇為1: 3.5: 4-20，逐滴加入濃度為0.35mol/L的氨水，調(diào)節(jié)pH值至2.5-3.5，得到二氧化硅溶膠，在形成凝膠之前將二氧化硅溶膠注入到鈦酸鍶鋇陶瓷基板的多孔結(jié)構(gòu)中；c.靜置30天，使二氧化硅溶膠老化形成凝膠，以乙醇或丙酮作為置換劑，去除凝膠內(nèi)的水；d.將乙醇或丙酮進行常溫常壓干燥，使凝膠形成二氧化硅氣凝膠，得到以鈦酸鍶鋇陶瓷基板為基體并填充有二氧化硅氣凝膠的介質(zhì)基板。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，本實施例制得的超材料的介質(zhì)基板I上陣列有工字型人造微結(jié)構(gòu)2，介質(zhì)基板I以鈦酸鍶鋇陶瓷基板11為基體，在鈦酸鍶鋇陶瓷基板11內(nèi)分布有多孔結(jié)構(gòu)，多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)填充有二氧化硅氣凝膠12，超材料的平面結(jié)構(gòu)示意圖參看附圖1，超材料的剖面結(jié)構(gòu)示意圖參看附圖2。實施例2一種介質(zhì)基板的制備方法，包括以下步驟:a.制備鈦酸鍶鋇陶瓷基板，以碳酸鋇作為鋇源、碳酸鍶作為鍶源、二氧化鈦為鈦源，按照Baa5Sra5TiO3的化學計量比混合，球磨干燥后，得到混合物，以聚乙烯醇縮丁醛(PVB)為粘結(jié)劑，再加入混合物體積比50%的碳粉作為造孔劑，混合物中還添加有增塑劑聚乙烯醇和分散劑磷酸酯，聚乙烯醇和磷酸酯以乙醇或甲苯為溶劑，然后通過流延成型的方法制得陶瓷生坯，在1200-1500°C下，在5% H2氣氛下燒結(jié)4_20小時，在高溫下，碳粉被燒掉后揮發(fā)，成型后的得到具有多孔結(jié)構(gòu)的鈦酸鍶鋇(Baa5Sra5TiO3)陶瓷基板；b.將正硅酸甲酯:水:乙醇:HCl按1: 3.5: 8: 8.4X10_4的摩爾比混合得到混合溶液，加入適量的二氧化鈦粉體或玻璃纖維作為添加劑，為提高氣孔率，還可加入甲酰胺或乙二醇作為干燥控制劑，60°C恒溫水浴保溫2小時，滴入質(zhì)量分數(shù)為1.5%的鹽酸，調(diào)節(jié)PH值至11-12，得到二氧化硅溶膠，在形成凝膠之前將二氧化硅溶膠注入到鈦酸鍶鋇陶瓷基板的多孔結(jié)構(gòu)中；c.靜置30天，使二氧化硅溶膠老化形成凝膠，以乙醇或丙酮作為置換劑，去除凝膠內(nèi)的水；

d.將乙醇或丙酮進行常溫常壓干燥，使凝膠形成二氧化硅氣凝膠，得到以鈦酸鍶鋇陶瓷基板為基體并填充有二氧化硅氣凝膠的介質(zhì)基板。
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，本實施例制得的超材料的介質(zhì)基板I上陣列有開口環(huán)型人造微結(jié)構(gòu)2，介質(zhì)基板I以鈦酸鍶鋇陶瓷基板11為基體，在鈦酸鍶鋇陶瓷基板11的多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)填充有二氧化硅氣凝膠12，超材料的平面結(jié)構(gòu)示意圖參看附圖3，超材料的剖面結(jié)構(gòu)示意圖參看附圖4。比較圖2和圖4，可以看出，由于造孔劑的添加量不同，介質(zhì)基板內(nèi)形成的孔隙度也不同，造孔劑添加量少，形成的孔隙度也小，造孔劑添加量大，形成的孔隙度大，孔隙度的不同導致多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)的二氧化硅氣凝膠的含量也不同，在整個介質(zhì)基板中，二氧化硅氣凝膠的含量不同進而會影響介質(zhì)基板整體介電常數(shù)的大小，因此，根據(jù)介質(zhì)基板對介電常數(shù)的要求，可以通過造孔劑的添加量來進行控制。應(yīng)用本發(fā)明，能得到以鈦酸鍶鋇陶瓷基板為基體并填充有二氧化硅氣凝膠的介質(zhì)基板，該介質(zhì)基板中，二氧化硅氣凝膠由于具有較低的介電常數(shù)，能接近于空氣的介電常數(shù)，而鈦酸鍶鋇陶瓷則具有極高的介電常數(shù)，這使得介質(zhì)基板的介電常數(shù)在整體上能得到方便地控制，這為超材料的電磁性能適應(yīng)某些應(yīng)用提供了一種新的設(shè)計途徑；同時，通過控制鈦酸鍶鋇中鍶和鋇的摩爾比，也可以實現(xiàn)對鈦酸鍶鋇陶瓷介電常數(shù)的調(diào)節(jié)。在上述實施例中，僅對本發(fā)明進行了示范性描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀本專利申請后可以在不脫離本發(fā)明的精神和 范圍的情況下對本發(fā)明進行各種修改。
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.制備具有多孔結(jié)構(gòu)的鈦酸鍶鋇陶瓷基板； b.將硅源加入到乙醇和水的混合溶劑中，混合均勻后，調(diào)節(jié)pH值，得到二氧化硅溶膠，在形成凝膠之前將所述二氧化硅溶膠注入到所述鈦酸鍶鋇陶瓷基板的多孔結(jié)構(gòu)中； c.靜置使所述二氧化硅溶膠老化形成凝膠，以乙醇或丙酮作為置換劑，去除所述凝膠內(nèi)的水； d.將乙醇或丙酮進行干燥，使所述凝膠形成多孔硅石氣凝膠，得到以所述鈦酸鍶鋇陶瓷基板為基體并填充有多孔硅石氣凝膠的介質(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，所述步驟a的具體制備方法如下: al、將用于制備鈦酸鍶鋇的有機或無機鋇源、有機或無機鍶源、有機或無機鈦源按照Ba(1_x)SrxTi03的化學計量比混合，其中x為0_1之間的任意實數(shù)； a2、在上述混合物中加入粘結(jié)劑和造孔劑，采用流延成型的方法制得陶瓷生坯； a3、將所述陶瓷生坯在還原性氣氛中以1200-1500°C的高溫進行燒結(jié)，得到具有多孔結(jié)構(gòu)的鈦酸鍶鋇陶瓷基板。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的介質(zhì)基板的制備方法，其特征在于，通過控制所述造孔劑的含量，使所述鈦酸鍶鋇陶瓷基板形成具有不同的孔隙率。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的介質(zhì)基板的制備方法，其特征在于，所述造孔劑為所述混合物體積比的10-50%。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的介質(zhì)基板的制備方法，其特征在于，所述造孔劑為淀粉或碳粉。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的介質(zhì)基板的制備方法，其特征在于，所述鋇源為碳酸鋇，所述鍶源為碳酸鍶、所述鈦源為二氧化鈦。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的介質(zhì)基板的制備方法，其特征在于，所述粘結(jié)劑為聚乙烯醇縮丁醛。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的介質(zhì)基板的制備方法，其特征在于，所述還原性氣氛為空氣或體積分數(shù)為5%氫氣和95%氮氣的混合氣體氣氛。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的介質(zhì)基板的制備方法，其特征在于，所述混合物中還添加有增塑劑和分散劑，所述增塑劑和分散劑以乙醇或甲苯為溶劑。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的介質(zhì)基板的制備方法，其特征在于，所述增塑劑為聚乙烯醇，所述分散劑為磷酸酯。
11.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，所述步驟b中，所述混合溶膠劑中還加入有干燥控制劑，所述干燥控制劑為甲酰胺和乙二醇。
12.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。
13.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。
14.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，所述混合溶劑中還加入二氧化鈦粉體或玻璃纖維作為添加劑。
15.一種超材料，包括介質(zhì)基板以及陣列在介質(zhì)基板上的多個人造微結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述介質(zhì)基板 以鈦酸鍶鋇陶瓷基板為基體，所述鈦酸鍶鋇陶瓷基板上具有多孔結(jié)構(gòu)，所述多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)填充有二氧化硅氣凝膠。
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，能得到以具有多孔結(jié)構(gòu)的鈦酸鍶鋇陶瓷基板為基體，在其多孔結(jié)構(gòu)中填充有二氧化硅氣凝膠的介質(zhì)基板，該介質(zhì)基板中，二氧化硅氣凝膠具有很低的介電常數(shù)，能接近于空氣的介電常數(shù)，而鈦酸鍶鋇陶瓷則具有極高的介電常數(shù)，本發(fā)明通過對鈦酸鍶鋇陶瓷基板孔隙率的控制，控制二氧化硅氣凝膠的含量，進而實現(xiàn)對鈦酸鍶鋇陶瓷基板介電常數(shù)的調(diào)節(jié)，這為超材料的電磁性能適應(yīng)某些應(yīng)用提供了一種新的設(shè)計途徑；通過控制鈦酸鍶鋇中鍶和鋇的摩爾比，可以實現(xiàn)對鈦酸鍶鋇陶瓷介電常數(shù)的調(diào)節(jié)。
文檔編號C04B41/85GK103086746SQ20111033650
公開日2013年5月8日 申請日期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, 趙治亞, 繆錫根, 李雪 申請人:深圳光啟高等理工研究院, 深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司