CN102476957B - 一种超材料功能板的制备方法及超材料 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超材料功能板的制备方法及超材料，利用钛酸锶钡非铁电体陶瓷材料介电常数的特殊性质，通过改变钛酸锶钡与非铁电体的配比来对由二者制备的钛酸锶钡非铁电体陶瓷材料的介电常数进行精确控制，进而在陶瓷基板上制备人造微结构，由本发明所述方法制得的超材料，介质基板和人造微结构均为陶瓷材料，一方面克服了现有超材料整体介电常数小，容易脱落的缺点，另一方面，能实现对人造微结构介电常数的精确控制，而不仅仅通过人造微结构的复杂结构设计来实现介电常数的控制。
Description
【技术领域】
本发明涉及超材料领域，具体地涉及超材料的人造微结构的选材。
【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，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。
现有超材料一般采用在有机树脂基板上阵列金属微结构的方法来制备，介质基板采用的有机树脂材料，所以整体的介电常数较小，不能满足应用要求。同时，金属材料的人造微结构具有容易脱落和结构复杂的缺点。现有的有机树脂基板上阵列金属微结构的超材料，适用于微波频段的电磁波，而对于高频如红外、可见光频段等其具有特别大的损耗。
【发明内容】
本发明为解决上述技术问题，提供一种以陶瓷材料为介质基板，以钛酸锶钡非铁电体陶瓷材料制造人造微结构的超材料功能板制备方法，及其制得的超材料。
本发明实现发明目的采用的技术方案是，一种超材料功能板的制备方法，包括以下步骤：
a.将钛酸锶钡粉末与非铁电体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非铁电体陶瓷材料；
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非铁电体配比的关系；
c.根据超材料的预定需求确定超材料介质基板上人造微结构的介电常数大小，根据介电常数相对钛酸锶钡与非铁电体配比的关系确定用于制备该人造微结构的钛酸锶钡粉末与非铁电体粉末的配比；
d.将钛酸锶钡粉末与非铁电体粉末按确定的配比混合均匀，加入粘结剂和丙酮，制得陶瓷浆料；
e.通过丝网印刷的方法以所述陶瓷浆料在陶瓷介质基板印刷出人造微结构，将陶瓷介质基板和人造微结构在高温下烧结，制得超材料功能板。
更好地，所述e步骤还包括：控制在所述陶瓷介质基板的不同区域分别印刷出人造微结构，各个不同区域采用的陶瓷浆料中钛酸锶钡粉末与非铁电体粉末的配比不同。
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。
更好地，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。
更好地，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人造微结构的钛酸锶钡粉末中锶与钡的比例。
作为具体实施方式，所述非铁电体为氧化镁、氧化铝或二氧化硅。
更好地，所述d步骤中还包括对所述钛酸锶钡粉末与氧化镁粉末的研磨步骤，研磨后将钛酸锶钡粉末与非铁电体粉末按确定的配比混合均匀。
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陶瓷介质基板以及阵列在陶瓷介质基板上的多个人造微结构，所述人造微结构的材料为钛酸锶钡非铁电体陶瓷材料。
更好地，所述陶瓷介质基板具有不同区域，所述不同区域内人造微结构的钛酸锶钡非铁电体陶瓷材料中钛酸锶钡与非铁电体的配比不同。
作为具体实施方式，所述人造微结构为工字型或开口环型。
本发明提供的超材料功能板的制备方法，利用钛酸锶钡非铁电体陶瓷材料介电常数的特殊性质，通过改变钛酸锶钡与非铁电体的配比来对由二者制备的钛酸锶钡非铁电体陶瓷材料的介电常数进行精确控制，进而在陶瓷基板上制备人造微结构，由本发明所述方法制得的超材料，介质基板和人造微结构均为陶瓷材料，一方面克服了现有超材料整体介电常数小，容易脱落的缺点，另一方面，本发明采用钛酸锶钡非铁电体陶瓷材料来制造微结构，对于高频如红外、可见光频段等其具有极低的损耗，同时，还能实现对人造微结构介电常数的精确控制，而不仅仅通过人造微结构的复杂结构设计来实现介电常数的控制。
【附图说明】
图1，实施例1超材料功能板的制备方法流程图。
图2，实施例2超材料功能板的制备方法流程图。
【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。
实施例1
一种超材料功能板的制备方法，本实施例制备方法的流程图参看附图1，包括以下步骤：
a.将钛酸锶钡粉末与氧化镁粉末按不同比例混合均匀，然后在1300-1400℃的高温下烧结，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，由于钛酸锶钡粉末与氧化镁粉末的配比不同时，高温烧结得到的钛酸锶钡氧化镁陶瓷材料介电常数呈现出不同，所以经过实验测定，可以得到介电常数相对钛酸锶钡与氧化镁配比的对应关系；
c.根据超材料的预定需求确定超材料介质基板上人造微结构的介电常数大小，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该人造微结构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配比混合均匀，加入粘结剂聚乙烯醇和溶剂丙酮，制得陶瓷浆料；
e.通过丝网印刷的方法以上述制得的陶瓷浆料在陶瓷介质基板印刷出人造微结构，将陶瓷介质基板和人造微结构在高温下烧结，制得超材料功能板。
步骤e中，丝网印刷的方法是：首先制作丝印网版，通过在网框上涂覆感光浆使网框上形成感光膜，然后将人造微结构的形状和排列阵列通过显影的方法转移到网框上，并进行干燥，制得丝印网版；然后在丝印网版的一端倒入陶瓷浆料，用刮印板给丝印网版上的陶瓷浆料施加一定的压力，同时朝丝印网版的另一端移动，陶瓷浆料在移动中被刮板从图文部分的网孔中挤压到陶瓷介质基板上，形成陶瓷浆料材料的人造微结构。
步骤e中，陶瓷介质基板与陶瓷浆料材料的人造微结构在高温下烧结时，一方面陶瓷浆料中的粘结剂被烧掉，溶剂被挥发，另一方面，钛酸锶钡粉末与氧化镁粉末经烧结形成钛酸锶钡氧化镁陶瓷材料，同时与陶瓷介质基板相粘结，人造微结构被稳定牢固地固定到了陶瓷介质基板上。
将上述方法制得的超材料功能板按照预定的排布规律如层叠、交叉排列等进行组合，形成超材料，一方面由于介质基板和人造微结构均为陶瓷材料，克服了现有超材料整体介电常数小，容易脱落的缺点，另一方面，能实现对人造微结构介电常数的精确控制，而不仅仅通过人造微结构的复杂结构设计来实现介电常数的控制。
实施例2
一种超材料功能板的制备方法，本实施例制备方法的流程图参看附图2，包括以下步骤：
a.将钛酸锶钡粉末与二氧化硅粉末按不同比例混合均匀，然后在1300-1400℃的高温下烧结，得到具有不同介电常数的钛酸锶钡二氧化硅陶瓷材料，同时改变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；
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二氧化硅配比的关系，由于钛酸锶钡粉末与二氧化硅粉末的配比不同时，高温烧结得到的钛酸锶钡二氧化硅陶瓷材料介电常数呈现出不同，所以经过实验测定，可以得到介电常数相对钛酸锶钡与二氧化硅配比的对应关系，同时，得到介电常数相对锶与钡的比例的关系；
c.根据超材料的预定需求确定超材料介质基板上人造微结构的介电常数大小，根据介电常数相对钛酸锶钡与二氧化硅配比的关系确定用于制备该人造微结构的钛酸锶钡粉末与二氧化硅粉末的配比，同时，根据介电常数相对锶与钡的比例的关系确定用于制备人造微结构的钛酸锶钡粉末中锶与钡的比例；
d.将钛酸锶钡粉末与二氧化硅粉末按确定的配比混合均匀，在用高能球研磨机研磨6小时，在80℃温度下烘干，之后过筛140/200/250，在1000℃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，制得陶瓷浆料；
e.通过丝网印刷的方法以上述制得的陶瓷浆料在陶瓷介质基板印刷出人造微结构，控制在陶瓷介质基板的不同区域分别采用具有不同配比的陶瓷浆料印刷出人造微结构，通过控制各个不同区域采用的陶瓷浆料中钛酸锶钡粉末与二氧化硅粉末的配比，来实现人造微结构介电常数大小的非均匀分布，最后将陶瓷介质基板和人造微结构在高温下烧结，制得超材料功能板。
步骤e中，丝网印刷的方法是：首先制作丝印网版，通过在网框上涂覆感光浆使网框上形成感光膜，然后将人造微结构的形状和排列阵列通过显影的方法转移到网框上，并进行干燥，制得丝印网版；然后在丝印网版的一端倒入陶瓷浆料，用刮印板给丝印网版上的陶瓷浆料施加一定的压力，同时朝丝印网版的另一端移动，陶瓷浆料在移动中被刮板从图文部分的网孔中挤压到陶瓷介质基板上，形成陶瓷浆料材料的人造微结构。
步骤e中，陶瓷介质基板与陶瓷浆料材料的人造微结构在高温下烧结时，一方面陶瓷浆料中的粘结剂被烧掉，溶剂被挥发，另一方面，钛酸锶钡粉末与二氧化硅粉末经烧结形成钛酸锶钡二氧化硅陶瓷材料，同时与陶瓷介质基板相粘结，人造微结构被稳定牢固地固定到了陶瓷介质基板上。
将上述方法制得的超材料功能板按照预定的排布规律如层叠、交叉排列等进行组合，形成超材料，一方面由于介质基板和人造微结构均为陶瓷材料，克服了现有超材料整体介电常数小，容易脱落的缺点，另一方面，能实现对人造微结构介电常数的精确控制，而不仅仅通过人造微结构的复杂结构设计来实现介电常数的控制。
作为具体实施方式，本发明中的人造微结构为工字型或开口环型，也可以为工字衍生型或开口环衍生型。
在上述实施例中，仅对本发明进行了示范性描述，但是本领域技术人员在阅读本专利申请后可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改。
Claims (8)
1.一种超材料功能板的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
a.将钛酸锶钡粉末与非铁电体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非铁电体陶瓷材料；
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非铁电体配比的关系；
c.根据超材料的预定需求确定超材料介质基板上人造微结构的介电常数大小，根据介电常数相对钛酸锶钡与非铁电体配比的关系确定用于制备该人造微结构的钛酸锶钡粉末与非铁电体粉末的配比；
d.将钛酸锶钡粉末与非铁电体粉末按确定的配比混合均匀，加入粘结剂和丙酮，制得陶瓷浆料；
e.通过丝网印刷的方法以所述陶瓷浆料在陶瓷介质基板印刷出人造微结构，控制在所述陶瓷介质基板的不同区域分别印刷出人造微结构，各个不同区域采用的陶瓷浆料中钛酸锶钡粉末与非铁电体粉末的配比不同,将陶瓷介质基板和人造微结构在高温下烧结，制得超材料功能板。
2.根据权利要求1所述的超材料功能板的制备方法，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。
3.根据权利要求2所述的超材料功能板的制备方法，其特征在于，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。
4.根据权利要求3所述的超材料功能板的制备方法，其特征在于，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人造微结构的钛酸锶钡粉末中锶与钡的比例。
5.根据权利要求1所述的超材料功能板的制备方法，其特征在于：所述非铁电体为氧化镁、氧化铝或二氧化硅。
6.根据权利要求1所述的超材料功能板的制备方法，其特征在于：所述d步骤中还包括对所述钛酸锶钡粉末与氧化镁粉末的研磨步骤，研磨后将钛酸锶钡粉末与非铁电体粉末按确定的配比混合均匀。
7.一种超材料，包括多个阵列的超材料功能板，所述超材料功能板包括陶瓷介质基板以及阵列在陶瓷介质基板上的多个人造微结构，其特征在于：所述人造微结构的材料为钛酸锶钡非铁电体陶瓷材料;所述陶瓷介质基板具有不同区域，所述不同区域内人造微结构的钛酸锶钡非铁电体陶瓷材料中钛酸锶钡与非铁电体的配比不同。
8.根据权利要求7所述的超材料，其特征在于：所述人造微结构为工字型或开口环型。
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