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。
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)基板一般采用有機樹脂基板， 介質(zhì)基板的介電常數(shù)大小局限于固定的范圍，對于超材料的某些應(yīng)用而言，需要較低介電常數(shù)的介質(zhì)基板，為獲得良好的機械性能和滿足介電常數(shù)要求，現(xiàn)有的基板材料均不能同時滿足，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)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種介電常數(shù)大小可調(diào)節(jié)的超材料介質(zhì)基板以及以該介質(zhì)基板制備得到的超材料。
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.采用電紡的方法制備納米有機纖維膜；
b.將硅源加入到乙醇和水的混合溶劑中，再加入高分子聚合物模板劑，混合均勻后，調(diào)節(jié)PH值，得到二氧化硅溶膠；
c.以納米有機纖維膜為基材，將二氧化硅溶膠均勻涂布在基材上，靜置，使二氧化硅溶膠形成介孔二氧化硅，再對二氧化硅溶膠進行干燥處理；
d.在500-800°C的溫度下進行燒結(jié)，得到具有納米通孔和介孔結(jié)構(gòu)的多孔基板材料；
e.將所述多孔基板材料與有機樹脂基板固化粘結(jié)，得到介質(zhì)基板。
具體地，所述c步驟中，先將所述基材置于一模具中，通過刮片或旋轉(zhuǎn)涂膜的方法將所述二氧化硅溶膠均勻涂布在基材上。
具體地，所述模具內(nèi)壁涂覆有脫模劑，所述脫模劑為滑石粉或石蠟。
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，所述高分子聚合物模板劑為十六烷基三甲基溴化銨或聚醚類三嵌段聚合物 F127、F108、P123。
具體地，所述c步驟中，采用冷凍干燥或超臨界干燥的方法對二氧化硅溶膠進行干燥處理。
具體地，所述e步驟中，所述有機樹脂基板為環(huán)氧樹脂玻璃纖維半固化片，所述多孔基板材料與所述環(huán)氧樹脂類半固化片通過熱壓的方法固化粘結(jié)，得到介質(zhì)基板。
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)基板由有機樹脂基板與多孔基板材料復合而成，所述多孔基板材料具有均勻分布的納米通孔和介孔結(jié)構(gòu)。
優(yōu)選地所述有機樹脂基板為環(huán)氧樹脂玻璃纖維基板。
通過使用根據(jù)本發(fā)明制備方法獲得的超材料，其介質(zhì)基板由有機樹脂基板與多孔基板材料復合而成，多孔基板材料具有均勻分布的納米通孔和介孔結(jié)構(gòu)，由于納米通孔和介孔結(jié)構(gòu)的存在，相當于使介質(zhì)基板內(nèi)填充有空氣，而空氣的介電常數(shù)約為1，大大小于有機樹脂基板的介電常數(shù)，這樣使得介質(zhì)基板整體的介電常數(shù)降低，滿足某些特定應(yīng)用要求， 有機樹脂基板具有良好的機械性能，能滿足超材料各種應(yīng)用場合的要求。
本發(fā)明的制備方法還具有工藝簡單、能靈活選擇材料的優(yōu)點。

圖1，本發(fā)明介質(zhì)基板制備方法的主要制備步驟流程圖。
圖2，電紡的工藝流程示意圖。
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，其主要制備步驟的流程圖參看附圖1，包括以下步驟
a.采用電紡的方法制備納米有機纖維膜，電紡的工藝流程示意圖可參看附圖1， 電紡工藝包括設(shè)置注射器1、金屬針頭2、金屬板3以及管路4，其具體過程為將熔融狀態(tài)的有機高分子材料置于注射器1中，注射器1通過管路4連通金屬針頭2，金屬針頭2與金屬板3之間形成有高壓電場，通過推動注射器1可以使熔融狀態(tài)的有機高分子材料由金屬針頭2溢出，在高壓電場的作用下，由金屬針頭2溢出的有機高分子材料被拉伸成很細的納米級纖維，并在金屬板上形成一層膜狀纖維材料，作為具體實施方式
，有機高分子材料只需滿足能在500-800°C高溫下被燃燒掉即可，如常用的電紡纖維材料聚苯乙烯、聚芳醚以及聚酰亞胺等；
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，再加入三嵌段聚合物F127作為介孔模板劑，混合均勻后，調(diào)節(jié)pH值至2. 5-3. 5，得到二氧化硅溶膠；
c.以納米有機纖維膜為基材，將二氧化硅溶膠均勻涂布在基材上，靜置，在靜置過程中，二氧化硅溶膠滲入到納米有機纖維膜的較大孔隙中，同時，溶膠中的模板劑F127在靜置過程中進行自組裝，形成定向排列，二氧化硅分子以模板劑中的聚醚分子為模板，團聚在聚醚分子周圍，形成介孔二氧化硅，再對二氧化硅溶膠進行冷凍干燥處理，去除二氧化硅溶膠中的溶劑乙醇和水；
d.在500-800°C的溫度下進行燒結(jié)，在高溫下，納米有機纖維膜中納米有機纖維被燒掉，形成納米通孔，介孔模板劑F127中的聚醚分子也被燒掉，形成或連通或封閉的介孔結(jié)構(gòu)，得到具有納米通孔和介孔結(jié)構(gòu)的多孔基板材料；
e.將所述多孔基板材料與有機樹脂基板通過粘結(jié)劑粘結(jié)即可得到介質(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。
本實施例中，超材料介質(zhì)基板由有機樹脂基板與多孔基板材料復合而成，多孔基板材料具有均勻分布的納米通孔和介孔結(jié)構(gòu)，由于納米通孔和介孔結(jié)構(gòu)的存在，相當于使介質(zhì)基板內(nèi)填充有空氣，而空氣的介電常數(shù)約為1，大大小于有機樹脂基板的介電常數(shù)，這樣使得介質(zhì)基板整體的介電常數(shù)降低，滿足某些特定應(yīng)用要求。
實施例2
一種介質(zhì)基板的制備方法，包括以下步驟
a.采用電紡的方法制備納米有機纖維膜，電紡的工藝流程示意圖可參看附圖1， 電紡工藝包括設(shè)置注射器1、金屬針頭2、金屬板3以及管路4，其具體過程為將有機高分子聚合物溶液置于注射器1中，注射器1通過管路4連通金屬針頭2，金屬針頭2與金屬板3 之間形成有高壓電場，通過推動注射器1可以使有機高分子聚合物溶液由金屬針頭2溢出， 在高壓電場的作用下，由金屬針頭2溢出的有機高分子聚合物溶液被拉伸成很細的納米級纖維，并在金屬板上形成一層膜狀纖維材料，作為具體實施方式
，有機高分子材料只需滿足能在500-800°C高溫下被燃燒掉即可，如常用的電紡纖維材料聚苯乙烯、聚芳醚以及聚酰亞胺等；
b.正硅酸甲酯水乙醇HCl按1 3.5 8 8. 4X 10-4的摩爾比混合得到混合溶液，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，再加入十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)作為介孔模板劑，滴入質(zhì)量分數(shù)為1. 5%的氨水，調(diào)節(jié)pH值至11-12，混合均勻后，調(diào)節(jié)pH值至2. 5-3. 5，得到二氧化硅溶膠；
c.以納米有機纖維膜為基材，將二氧化硅溶膠均勻涂布在基材上，靜置，在靜置過程中，二氧化硅溶膠滲入到納米有機纖維膜的較大孔隙中，同時，溶膠中的模板劑F127在靜置過程中進行自組裝，形成定向排列，二氧化硅分子以模板劑中的CTAB分子為模板，團聚在CTAB分子周圍，形成介孔二氧化硅，再對二氧化硅溶膠進行冷凍干燥處理，去除二氧化硅溶膠中的溶劑乙醇和水；
d.在500-800°C的溫度下進行燒結(jié)，在高溫下，納米有機纖維膜中納米有機纖維被燒掉，形成納米通孔，介孔模板劑中的CTAB分子也被燒掉，形成或連通或封閉的介孔結(jié)構(gòu)，得到具有納米通孔和介孔結(jié)構(gòu)的多孔基板材料；
e.將所述多孔基板材料與環(huán)氧樹脂玻璃纖維半固化片通過熱壓的方法進行壓合，得到雙層復合介質(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。
本實施例中，超材料介質(zhì)基板由有機樹脂基板與多孔基板材料復合而成，多孔基板材料具有均勻分布的納米通孔和介孔結(jié)構(gòu)，由于納米通孔和介孔結(jié)構(gòu)的存在，相當于使介質(zhì)基板內(nèi)填充有空氣，而空氣的介電常數(shù)約為1，大大小于有機樹脂基板的介電常數(shù)，這樣使得介質(zhì)基板整體的介電常數(shù)降低，滿足某些特定應(yīng)用要求。
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.采用電紡的方法制備納米有機纖維膜；b.將硅源加入到乙醇和水的混合溶劑中，再加入高分子聚合物模板劑，混合均勻后，調(diào)節(jié)PH值，得到二氧化硅溶膠；c.以納米有機纖維膜為基材，將二氧化硅溶膠均勻涂布在基材上，靜置，使二氧化硅溶膠形成介孔二氧化硅，再對二氧化硅溶膠進行干燥處理；d.在500-800°C的溫度下進行燒結(jié)，得到具有納米通孔和介孔結(jié)構(gòu)的多孔基板材料；e.將所述多孔基板材料與有機樹脂基板固化粘結(jié)，得到介質(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c步驟中，先將所述基材置于一模具中，通過刮片或旋轉(zhuǎn)涂膜的方法將所述二氧化硅溶膠均勻涂布在基材上。
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，所述模具內(nèi)壁涂覆有脫模劑，所述脫模劑為滑石粉或石蠟。
4.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。
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步驟中，調(diào)節(jié)pH值為 2-4 或 11-13。
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，所述高分子聚合物模板劑為十六烷基三甲基溴化銨或聚醚類三嵌段聚合物F127、F108、P123。
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，采用冷凍干燥或超臨界干燥的方法對二氧化硅溶膠進行干燥處理。
8.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e步驟中，所述有機樹脂基板為環(huán)氧樹脂玻璃纖維半固化片，所述多孔基板材料與所述環(huán)氧樹脂類半固化片通過熱壓的方法固化粘結(jié)，得到介質(zhì)基板。
9.一種超材料，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)基板由有機樹脂基板與多孔基板材料復合而成，所述多孔基板材料具有均勻分布的納米通孔和介孔結(jié)構(gòu)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的超材料，其特征在于所述有機樹脂基板為環(huán)氧樹脂玻璃纖維基板。
全文摘要
本發(fā)明提供一種介質(zhì)基板的制備方法以及超材料，值得的超材料包括介質(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)基板由有機樹脂基板與多孔基板材料復合而成，所述多孔基板材料具有均勻分布的納米通孔和介孔結(jié)構(gòu)。通過使用根據(jù)本發(fā)明制備方法獲得的超材料，其介質(zhì)基板由有機樹脂基板與多孔基板材料復合而成，多孔基板材料具有均勻分布的納米通孔和介孔結(jié)構(gòu)，由于納米通孔和介孔結(jié)構(gòu)的存在，相當于使介質(zhì)基板內(nèi)填充有空氣，而空氣的介電常數(shù)約為1，大大小于有機樹脂基板的介電常數(shù)，這樣使得介質(zhì)基板整體的介電常數(shù)降低，滿足某些特定應(yīng)用要求，有機樹脂基板具有良好的機械性能，能滿足超材料各種應(yīng)用場合的要求。
文檔編號C04B30/02GK102531539SQ20111033652
公開日2012年7月4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, 李雪, 繆錫根, 趙治亞 申請人:深圳光啟高等理工研究院