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, 有機(jī)樹脂基板材料的介電常數(shù)一般為3-5之間，而對(duì)于超材料的某些應(yīng)用而言，往往需要更低介電常數(shù)的材料作為介質(zhì)基板，在滿足各種機(jī)械性能的同時(shí)，很難尋找到合適的材料。 即使有更低介電常數(shù)且滿足機(jī)械性能要求的材料，其介電常數(shù)大小受材料本身性質(zhì)的決定而無法達(dá)到超材料需要的預(yù)定值。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題，提供一種具有較低介電常數(shù)且大小可控的介質(zhì)基板的制備方法及超材料。
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.制備具有納米孔隙的聚合物薄膜；
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，得到溶膠，將所述聚合物薄膜浸入到所述溶膠中，使所述聚合物薄膜的納米孔隙內(nèi)浸滿有所述溶膠；
c.取出所述聚合物薄膜，靜置使所述聚合物薄膜的納米孔隙內(nèi)的溶膠老化形成凝膠，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(jìn)行干燥，再進(jìn)行熱處理，使所述聚合物薄膜的納米孔隙內(nèi)的凝膠形成多孔硅石氣凝膠，得到介質(zhì)基板。
具體地，所述a步驟的制備方法是
al將苯乙烯和聚 甲基丙烯酸甲酯混溶于芳香烴類溶劑或四氫呋喃中，得到混合溶液；
a2將上述混合溶液涂覆在硬質(zhì)基板上，烘干；
a3將上述硬質(zhì)基板浸泡在環(huán)己烷或環(huán)己酮中，清洗后烘干，將烘干后的聚合物與硬質(zhì)基板分離，得到具有納米孔隙的聚合物薄膜。
更好地，所述制備方法還包括，通過控制所述聚甲基丙烯酸甲酯的分子量、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、溶劑沸點(diǎn)使所述聚合物薄膜具有不同的孔隙率和不同的孔徑大小。
更好地，所述制備方法還包括通過控制所述乙醇和水的比例，得到具有不同孔隙率的多孔硅石氣凝膠。
更好地，所述步驟b中，所述混合溶膠劑中還加入有干燥控制劑，通過控制所述干燥控制劑的加入量，得到具有不同孔隙率的多孔硅石氣凝膠。優(yōu)選地，所述干燥控制劑為甲酰胺和乙二醇。
優(yōu)選地，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，以鹽酸或醋酸或氨水調(diào)節(jié)pH值為2-4。
優(yōu)選地，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。
優(yōu)選地，所述c步驟中，去除所述凝膠內(nèi)的水后還包括用表面修飾劑對(duì)所述凝膠進(jìn)行疏水處理。
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)，其特征在于所述介質(zhì)基板為具有納米孔隙的聚合物薄膜，所述聚合物薄膜的納米孔隙內(nèi)含有多孔娃石氣凝膠。
所述聚合物薄膜的納米孔隙的孔徑為100-500納米，所述多孔硅石氣凝膠內(nèi)孔隙的孔徑為1-50納米。
本發(fā)明的有益效果是
1、本發(fā)明的超材料介質(zhì)基板以具有納米孔隙的聚合物薄膜為基材，通過在其納米孔隙中植入多孔硅石氣凝膠，能大大降低超材料介質(zhì)基板的介電常數(shù)，可達(dá)到接近于I ;
2、本發(fā)明進(jìn)一步地通過控制硅石氣凝膠的孔隙率，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)超材料介質(zhì)基板的介電常數(shù)大小的調(diào)控，為超材料的應(yīng)用提供更為準(zhǔn)確和靈活的設(shè)計(jì)途徑，
3、通過本發(fā)明制得的超材料，具有低介電常數(shù)的特點(diǎn)，能滿足某些應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)電磁性能的要求，同時(shí)，由于介質(zhì)基板中具有雙重的孔隙特點(diǎn)，所以整個(gè)超材料具有輕質(zhì)的優(yōu)具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
實(shí)施例1
介質(zhì)基板的制備方法
a.制備具有納米孔隙的聚合物薄膜，本實(shí)施例以制備聚甲基丙烯酸甲酯薄膜為例進(jìn)行說明；
首先將苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯混溶于甲苯中，得到混合溶液；然后將上述混合溶液涂覆在硬質(zhì)基板上，烘干，使苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯相互交聯(lián)；最后將上述硬質(zhì)基板浸泡在環(huán)己烷中，通過環(huán)己烷充分溶解苯乙烯，并進(jìn)行清洗，烘干，將烘干后的聚合物與硬質(zhì)基板分離，得到具有納米孔隙的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜。
對(duì)于具有納米孔隙的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，現(xiàn)有技術(shù)通過控制聚甲基丙烯酸甲酯的分子量、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、溶劑沸點(diǎn)使聚合物薄膜具有不同的孔隙率和不同的孔徑大小。
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(dāng)于正硅酸乙酯水乙醇為1: 3. 5 : 4-20，逐滴加入濃度為O. 35mol/L的稀鹽酸，調(diào)節(jié)PH值至2. 5-3. 5，得到溶膠，將聚甲基丙烯酸甲酯薄膜浸入到上述溶膠中，使聚甲基丙烯酸甲酯薄膜的納米孔隙內(nèi)浸滿溶膠；
c.取出聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，靜置使聚合物薄膜的納米孔隙內(nèi)的溶膠老化30 天，形成凝膠，以乙醇或丙酮作為置換劑，去除凝膠內(nèi)的水；
d.以二氧化碳為干燥介質(zhì)，進(jìn)行超臨界干燥，去除乙醇或丙酮，再進(jìn)行熱處理，使聚甲基丙烯酸甲酯薄膜的納米孔隙內(nèi)的凝膠形成多孔硅石氣凝膠，得到介質(zhì)基板。
本實(shí)施例中，通過改變乙醇和水的比例，得到具有不同孔隙率的二氧化硅氣凝膠， 測(cè)定不同孔隙率的二氧化硅氣凝膠的介電常數(shù)，可以得到二氧化硅氣凝膠介電常數(shù)與孔隙率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表I所不。
表權(quán)利要求
1.一種介質(zhì)基板的制備方法，包括以下步驟 a.制備具有納米孔隙的聚合物薄膜； 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，得到溶膠，將所述聚合物薄膜浸入到所述溶膠中，使所述聚合物薄膜的納米孔隙內(nèi)浸滿有所述溶膠； c.取出所述聚合物薄膜，靜置使所述聚合物薄膜的納米孔隙內(nèi)的溶膠老化形成凝膠，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(jìn)行干燥，再進(jìn)行熱處理，使所述聚合物薄膜的納米孔隙內(nèi)的凝膠形成多孔硅石氣凝膠，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a步驟的制備方法是 al將苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯混溶于芳香烴類溶劑或四氫呋喃中，得到混合溶液； a2將上述混合溶液涂覆在硬質(zhì)基板上，烘干； a3將上述硬質(zhì)基板浸泡在環(huán)己烷或環(huán)己酮中，清洗后烘干，將烘干后的聚合物與硬質(zhì)基板分離，得到具有納米孔隙的聚合物薄膜。
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，所述制備方法還包括，通過控制所述聚甲基丙烯酸甲酯的分子量、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、溶劑沸點(diǎn)使所述聚合物薄膜具有不同的孔隙率和不同的孔徑大小。
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，所述制備方法還包括通過控制所述乙醇和水的比例，得到具有不同孔隙率的多孔硅石氣凝膠。
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，所述步驟b中，所述混合溶膠劑中還加入有干燥控制劑，通過控制所述干燥控制劑的加入量，得到具有不同孔隙率的多孔硅石氣凝膠。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的介質(zhì)基板的制備方法，其特征在于，所述干燥控制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，所述硅源為正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、硅溶膠或水玻璃。
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b步驟中，以鹽酸或醋酸或氨水調(diào)節(jié)pH值為2-4。
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。
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C步驟中，去除所述凝膠內(nèi)的水后還包括用表面修飾劑對(duì)所述凝膠進(jìn)行疏水處理。
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)基板為具有納米孔隙的聚合物薄膜，所述聚合物薄膜的納米孔隙內(nèi)含有多孔硅石氣凝膠。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的超材料，其特征在于所述聚合物薄膜的納米孔隙的孔徑為100-500納米。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的超材料，其特征在于所述多孔硅石氣凝膠內(nèi)孔隙的孔徑為1-50納米。
全文摘要
本發(fā)明提供了本發(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)基板的制備方法及超材料，制得的超材料中，介質(zhì)基板為具有納米孔隙的聚合物薄膜，所述聚合物薄膜的納米孔隙內(nèi)含有多孔硅石氣凝膠。其有益效果是通過在其納米孔隙中植入多孔硅石氣凝膠，能大大降低超材料介質(zhì)基板的介電常數(shù)，可達(dá)到接近于1；進(jìn)一步地通過控制硅石氣凝膠的孔隙率，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)超材料介質(zhì)基板的介電常數(shù)大小的調(diào)控，為超材料的應(yīng)用提供更為準(zhǔn)確和靈活的設(shè)計(jì)途徑；本發(fā)明制得的超材料，具有低介電常數(shù)的特點(diǎn)，能滿足某些應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)電磁性能的要求，同時(shí)，由于介質(zhì)基板中具有雙重的孔隙特點(diǎn)，所以整個(gè)超材料具有輕質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C08F265/04GK103030833SQ201110293848
公開日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2011年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月30日
發(fā)明者劉若鵬, 趙治亞, 金曦, 李雪, 繆錫根 申請(qǐng)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