CN102476950B - 一种制备非均匀介电常数介质基板的方法及超材料 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种制备非均匀介电常数介质基板的方法及超材料，能在整体上对介质基板的介电常数进行任意灵活的设计，进而使超材料具有更为丰富的功能应用。通过介电常数的灵活设计，能实现超材料中人造微结构的阻抗匹配，同时也具有降低介质基板微波介电损耗的优点。
Description
【技术领域】
本发明涉及超材料领域，具体地涉及超材料的介质基板。
【背景技术】
超材料一般由多个超材料功能板层叠或按其他规律阵列组合而成，超材料功能板包括介质基板以及阵列在介质基板上的多个人造微结构，现有超材料的介质基板为均一材料的有机或无机基板，如FR4、TP1等等。阵列在介质基板上的多个人造微结构具有特定的电磁特性，能对电场或磁场产生电磁响应，通过对人造微结构的结构和排列规律进行精确设计和控制，可以使超材料呈现出各种一般材料所不具有的电磁特性，如能汇聚、发散和偏折电磁波等。现有的介质基板作为人造微结构的固定基板，由于整体上具有均一的介电常数和磁导率，所以对电场或磁场不会产生特有的响应，即对整个超材料而言，介质基板不具有电磁调制功能。
为使介质基板能的不同区域具有预定的介电常数分布，可以通过将介质基板做成包括有多个基板单元，通过为每个基板单元选择合适的材料可以实现介电常数的非均匀分布，但是，受材料选择范围的影响，为每个基板单元选择的材料并不能很好地达到预定的要求，其介电常数的大小不易控制。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题是：克服现有超材料的介质基板缺乏功能作用的缺点，提供一种制备非均匀介电常数介质基板的方法及由该方法制得的超材料，通过改变介质基板局部材料来改变超材料的局部介电常数，使超材料在功能上得到应用拓展。
本发明实现发明目的采用的技术方案是，一种制备非均匀介电常数介质基板的方法，用于使超材料介质基板的多个基板单元具有预定的介电常数，包括以下步骤：
a.将钛酸锶钡粉末与氧化镁或氧化铝或氧化硅粉末按不同比例混合均匀，然后在高温下烧结，得到具有不同介电常数的钛酸锶钡氧化镁或钛酸锶钡氧化铝或钛酸锶钡氧化硅陶瓷材料；
b.测定钛酸锶钡氧化镁或钛酸锶钡氧化铝或钛酸锶钡氧化硅陶瓷材料的介电常数，得到介电常数相对钛酸锶钡与氧化镁或氧化铝或氧化硅配比的关系；
c.根据超材料的预定需求确定超材料介质基板中某一基板单元的介电常数大小，根据介电常数相对钛酸锶钡与氧化镁或氧化铝或氧化硅配比的关系确定用于制备该基板单元的钛酸锶钡粉末与氧化镁或氧化铝或氧化硅粉末的配比；
d.将钛酸锶钡粉末与氧化镁或氧化铝或氧化硅粉末按确定的用于制备该基板单元的钛酸锶钡粉末与氧化镁或氧化铝或氧化硅粉末的配比混合均匀，再装入用于成型该基板单元的模具内，然后在高温下烧结，制得该基板单元；
e.重复步骤c和d依次制得其他基板单元，最终将各个基板单元组合得到超材料介质基板。
更好地，所述a步骤中还包括通过控制所述钛酸锶钡粉末中锶与钡的比例使所述钛酸锶钡粉末自身具有不同的介电常数，所述b步骤还包括得到介电常数相对锶与钡的比例的关系，所述c步骤还包括根据介电常数相对锶与钡的比例的关系确定用于制备该基板单元的钛酸锶钡粉末中锶与钡的比例。
更好地，还包括一对所述钛酸锶钡粉末与氧化镁粉末的烘干步骤。
本发明还提供一种超材料，包括多个阵列的超材料功能板，所述超材料功能板包括介质基板以及阵列在介质基板上的多个人造微结构，所述介质基板包括有多个复合陶瓷材料的基板单元，所述复合陶瓷材料为钛酸锶钡氧化镁或钛酸锶钡氧化铝或钛酸锶钡氧化硅陶瓷材料，所述不同基板单元中的钛酸锶钡非铁电体陶瓷材料具有不同的钛酸锶钡与氧化镁或氧化铝或氧化硅配比。
更好地，所述介质基板包括有多个回形结构的基板单元。
更好地，所述介质基板包括有多个圆环形结构的基板单元。
更好地，所述人造微结构为金属人造微结构。
更好地，所述金属人造微结构为工字型或工字衍生型。
超材料作为一种对电磁波具有特殊响应和调制特性的新材料，是由多个超材料功能板阵列组合而成，人造微结构及其所在的介质基板可看作是组成超材料功能板的基本结构单元，超材料功能板的性质主要取决于多个基本结构单元的电磁性质和阵列规律。单个基本结构单元的电磁特性主要由该基本结构单元的等效介电常数和等效磁导率决定，而单个基本结构单元的等效介电常数和等效磁导率又由人造微结构及其所在的介质基板所共同决定。现有对超材料功能板的设计都是通过改变人造微结构的结构或大小来改变单个基本结构单元的等效介电常数和等效磁导率，最后将多个基本结构单元按照一定的规律进行排布，可以使超材料功能板形成某些特定的电磁特性，如对电磁波的汇聚、发散、偏折和平移等电磁调制功能。
本发明为拓展超材料功能板的功能设计方式，首先采用具有多个基板单元组成的超材料介质基板，然后通过制备复合陶瓷材料的方法使各个基板单元具有预定的介电常数大小，本发明采用在钛酸锶钡（BaxSr1-xTiO3）中掺入氧化镁或氧化铝或氧化硅的方法制备复合陶瓷材料，首先，钛酸锶钡是一种铁电体，具有很高的介电常数，在常温下的介电常数可达600，同时，通过调节锶和钡的比例可以调节钛酸锶钡自身的介电常数，其次，在掺入氧化镁或氧化铝或氧化硅制得复合陶瓷材料后，可以显著地降低钛酸锶钡的介电常数，实现在大范围内进行介电常数的调节。以氧化镁（MgO）为例，作为一种非铁电体，其介电常数对于温度的依赖不明显，常温下约为9，介电损耗小于104，在钛酸锶钡中掺杂MgO等非铁电体，可以使钛酸锶钡的晶粒变小，提高陶瓷致密度，更重要的是可以显著降低钛酸锶钡的介电常数，从而有利于实现超材料微结构单元的阻抗匹配，同时也降低钛酸锶钡的微波介电损耗。
本发明的有益效果是，通过本发明制备非均匀介电常数介质基板的方法能在整体上对介质基板的介电常数进行任意灵活的设计，进而使超材料具有更为丰富的功能应用。通过介电常数的灵活设计，能实现超材料中人造微结构的阻抗匹配，同时也具有降低介质基板微波介电损耗的优点。
【附图说明】
图1，制备非均匀介电常数介质基板的方法流程图。
图2，超材料的结构示意图。
图3，实施例2的介质基板的平面视图。
图4，图3的A-A剖视图。
图5，实施例2的介质基板的平面视图。
图6，图5的B-B剖视图。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
本发明制备非均匀介电常数介质基板的方法流程图参看附图1，包括以下步骤：
a.将钛酸锶钡粉末与氧化镁或氧化铝或氧化硅粉末按不同比例混合均匀，然后在高温下烧结，得到具有不同介电常数的钛酸锶钡氧化镁或钛酸锶钡氧化铝或钛酸锶钡氧化硅陶瓷材料；
b.测定钛酸锶钡氧化镁或钛酸锶钡氧化铝或钛酸锶钡氧化硅陶瓷材料的介电常数，得到介电常数相对钛酸锶钡与氧化镁或氧化铝或氧化硅配比的关系；
c.根据超材料的预定需求确定超材料介质基板中某一基板单元的介电常数大小，根据介电常数相对钛酸锶钡与氧化镁或氧化铝或氧化硅配比的关系确定用于制备该基板单元的钛酸锶钡粉末与氧化镁或氧化铝或氧化硅粉末的配比；
d.将钛酸锶钡粉末与氧化镁或氧化铝或氧化硅粉末按确定的用于制备该基板单元的钛酸锶钡粉末与氧化镁或氧化铝或氧化硅粉末的配比混合均匀，再装入用于成型该基板单元的模具内，然后在高温下烧结，制得该基板单元；
e.重复步骤c和d依次制得其他基板单元，最终将各个基板单元组合得到超材料介质基板。
超材料的结构示意图参看附图2，包括多个层叠超材料功能板100，超材料功能板100包括介质基板101以及阵列在介质基板上的多个人造微结构102，人造微结构102与其所在的介质基板可以看成一个超材料基本结构单元，类似于晶体中的晶格。附图1表示的是超材料微观结构，实际的超材料是由物质分子数数量级的基本结构单元按照人为设计的排布规律阵列而成。附图1中的人造微结构102的结构为“工”字型结构，作为具体实施方式，还可以采用工字衍生型。本发明的超材料的介质基板包括有多个复合陶瓷材料的基板单元，复合陶瓷材料为钛酸锶钡氧化镁或钛酸锶钡氧化铝或钛酸锶钡氧化硅陶瓷材料，不同基板单元中的钛酸锶钡氧化镁或钛酸锶钡氧化铝或钛酸锶钡氧化硅陶瓷材料具有不同的钛酸锶钡与氧化镁或氧化铝或氧化硅配比。由于不同基板单元中的钛酸锶钡氧化镁或钛酸锶钡氧化铝或钛酸锶钡氧化硅陶瓷材料具有不同的钛酸锶钡与氧化镁或氧化铝或氧化硅配比，所以介质基板的介电常数呈非均匀的分布。下面结合实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
将介质基板101设计为包括有多个回形基板单元103，介质基板的平面视图参看附图3，图4为图3的A-A剖视图，其中，各个回形基板单元103采用不同的钛酸锶钡氧化镁陶瓷材料，各种钛酸锶钡氧化镁陶瓷材料的介电常数大小由外围向中心递增，图4中用不同填充密度表示了不同的钛酸锶钡氧化镁陶瓷材料，其中，填充密度大的表示介电常数大，填充密度小的表示介电常数小。由于单个基本结构单元的电磁特性主要由该基本结构单元的等效介电常数和等效磁导率决定，而单个基本结构单元的等效介电常数和等效磁导率又由人造微结构102及其所在的介质基板101所共同决定，所以，当各个回形基板单元103采用不同的钛酸锶钡氧化镁陶瓷材料时，相当于改变了介质基板101上各个不同回形基板单元103内的介电常数，各个回形基板单元103内的基本结构单元的等效介电常数随着其所属回形基板单元103的不同也将被改变，最终使超材料功能板100在不同区域内具有不同的介电常数分布。
本实施例制备非均匀介电常数介质基板的方法包括以下步骤：
a.将钛酸锶钡粉末与氧化镁粉末按不同比例混合均匀，然后在高温下烧结，得到具有不同介电常数的钛酸锶钡氧化镁陶瓷材料；
b.测定钛酸锶钡氧化镁陶瓷材料的介电常数，得到介电常数相对钛酸锶钡与氧化镁配比的关系；
c.根据超材料预定的介电常数大小由外围向中心递增的变化规律，确定超材料介质基板最中间的基板单元的介电常数最大，根据介电常数相对钛酸锶钡与氧化镁配比的关系确定用于制备最中间的基板单元的钛酸锶钡粉末与氧化镁粉末的配比；
d.将钛酸锶钡粉末与氧化镁粉末按确定的用于制备最中间的基板单元的钛酸锶钡粉末与氧化镁粉末的配比混合均匀，再装入用于成型该基板单元的模具内，然后在高温下烧结，制得最中间的方形基板单元；
e.重复步骤c和d依次制得其他各回形基板单元，使制得的其他各回形基板单元的介电常数由中心向外周递减，最终将各个基板单元组合得到超材料介质基板。
实施例2
作为本发明的另一种变形，将介质基板101设计为包括有多个圆环形基板单元103，介质基板的平面视图参看附图5，图6为图5的A-A剖视图，其中，各个圆环形基板单元103采用不同的钛酸锶钡氧化硅陶瓷材料，各种钛酸锶钡氧化硅陶瓷材料的介电常数大小由外围向中心递减，图6中用不同填充密度表示了不同的钛酸锶钡氧化硅陶瓷材料，其中，填充密度大的表示介电常数大，填充密度小的表示介电常数小。由于单个基本结构单元的电磁特性主要由该基本结构单元的等效介电常数和等效磁导率决定，而单个基本结构单元的等效介电常数和等效磁导率又由人造微结构102及其所在的介质基板101所共同决定，所以，当各个基板单元103采用不同的钛酸锶钡氧化硅陶瓷材料时，相当于改变了介质基板101上各个不同基板单元103内的介电常数，各个基板单元103内的基本结构单元的等效介电常数随着其所属基板单元103的不同也将被改变，最终使超材料功能板100在不同区域内具有不同的介电常数分布。
本实施例制备非均匀介电常数介质基板的方法包括以下步骤：
a.通过控制钛酸锶钡粉末中锶与钡的比例使钛酸锶钡粉末自身具有不同的介电常数，将钛酸锶钡粉末与氧化硅粉末按不同比例混合均匀，然后在高温下烧结，得到具有不同介电常数的钛酸锶钡氧化硅陶瓷材料；
b.测定钛酸锶钡氧化硅陶瓷材料的介电常数，得到介电常数相对锶与钡的比例的关系以及介电常数相对钛酸锶钡与氧化硅配比的关系；
c.根据超材料预定的介电常数大小由外围向中心递减的变化规律，确定超材料介质基板最中间的基板单元的介电常数大小，根据介电常数相对锶与钡的比例的关系以及介电常数相对钛酸锶钡与氧化硅配比的关系确定用于制备最中间的基板单元的钛酸锶钡粉末中锶与钡的比例以及钛酸锶钡粉末与氧化硅粉末的配比；
d.将钛酸锶钡粉末与氧化硅粉末按确定的用于制备最中间的基板单元的钛酸锶钡粉末与氧化硅粉末的配比混合均匀，在用高能球研磨机研磨6小时，在80°C温度下烘干，之后过筛140/200/250，在1000°C预烧2小时后，再次用高能球研磨研磨16-24小时，再加入4%wt的聚乙烯醇粘合剂（PVA）和丙酮，用磁搅拌器充分搅拌至粘合剂和丙酮挥发，将混合粉末放入根据基板单元形状设计的模具中压制成型，置于微波腔在1300°C-1400°C烧结1小时，最后自然冷却，制得最中间的圆形基板单元；
e.重复步骤c和d依次制得其他各圆环形基板单元，使制得的其他各圆环形基板单元的介电常数由中心向外周递增，最终将各个基板单元组合得到超材料介质基板。
应当理解，本实施例中圆环形基板单元104的大小和数量可以根据需要任意设计，以满足超材料的电磁特性要求。并且，本实施例中各个圆环形基板单元104的介电常数大小交替排列只是为了便于说明本发明而例举的特例，具体实施时，各个圆环形基板单元104的介电常数大小的排布规律也需要根据预定的超材料电磁特性而定，本发明的要旨也在于通过各个圆环形基板单元104采用不同的材料为超材料的电磁特性提供一种设计途径，并通过该设计途径与超材料功能板上人造微结构排布规律的设计进行组合，以达到扩展超材料的功能设计途径的目的。
最后需要说明的是，本发明中的回形基板单元或圆环形基板单元均只是具体实施方式之一，基板单元的区域形状可以根据需要进行任意设计。
Claims (8)
1.一种制备非均匀介电常数介质基板的方法，用于使超材料介质基板的多个基板单元具有预定的介电常数，其特征在于，包括以下步骤：
a.将钛酸锶钡粉末与氧化镁或氧化铝或氧化硅粉末按不同比例混合均匀，然后在高温下烧结，得到具有不同介电常数的钛酸锶钡氧化镁或钛酸锶钡氧化铝或钛酸锶钡氧化硅陶瓷材料；
b.测定钛酸锶钡非铁电体陶瓷材料的介电常数，得到介电常数相对钛酸锶钡与氧化镁或氧化铝或氧化硅配比的关系；
c.根据超材料的预定需求确定超材料介质基板中某一基板单元的介电常数大小，根据介电常数相对钛酸锶钡与氧化镁或氧化铝或氧化硅配比的关系确定用于制备该基板单元的钛酸锶钡粉末与氧化镁或氧化铝或氧化硅粉末的配比；
d.将钛酸锶钡粉末与氧化镁或氧化铝或氧化硅粉末按确定的用于制备该基板单元的钛酸锶钡粉末与氧化镁或氧化铝或氧化硅粉末的配比混合均匀，再装入用于成型该基板单元的模具内，然后在高温下烧结，制得该基板单元；
e.重复步骤c和d依次制得其他基板单元，最终将各个基板单元组合得到超材料介质基板。
2.根据权利要求1所述的制备非均匀介电常数介质基板的方法，其特征在于，所述a步骤中还包括通过控制所述钛酸锶钡粉末中锶与钡的比例使所述钛酸锶钡粉末自身具有不同的介电常数，所述b步骤还包括得到介电常数相对锶与钡的比例的关系，所述c步骤还包括根据介电常数相对锶与钡的比例的关系确定用于制备该基板单元的钛酸锶钡粉末中锶与钡的比例。
3.根据权利要求2所述的制备非均匀介电常数介质基板的方法，其特征在于：还包括一对所述钛酸锶钡粉末与氧化镁粉末的烘干步骤。
4.一种超材料，包括多个阵列的超材料功能板，所述超材料功能板包括介质基板以及阵列在介质基板上的多个人造微结构，其特征在于：所述介质基板包括有多个复合陶瓷材料的基板单元，所述复合陶瓷材料为钛酸锶钡非铁电体陶瓷材料，所述不同基板单元中的钛酸锶钡氧化镁或钛酸锶钡氧化铝或钛酸锶钡氧化硅陶瓷材料具有不同的钛酸锶钡与氧化镁或氧化铝或氧化硅配比。
5.根据权利要求4所述的超材料，其特征在于：所述介质基板包括有多个回形结构的基板单元。
6.根据权利要求4所述的超材料，其特征在于：所述介质基板包括有多个圆环形结构的基板单元。
7.根据权利要求4所述的超材料，其特征在于：所述人造微结构为金属人造微结构。
8.根据权利要求4所述的超材料，其特征在于：所述金属人造微结构为工字型或工字衍生型。
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