CN102531519B - 一种介质基板的制备方法及超材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种介质基板的制备方法以及应用该介质基板的超材料，通过本发明介质基板的制备方法，在二氧化硅气凝胶的制备过程中，以单个热辐射红外灯对凝胶块进行加热，通过加热的方法对凝胶块进行干燥，这使制得的介质基板的介电常数具有连续变化的分布规律。本发明通过上述原理，能为超材料的功能设计提供更为灵活的设计途径，大大扩展超材料的功能应用。

Description

一种介质基板的制备方法及超材料
【技术领域】
本发明涉及超材料领域，具体地涉及超材料介质基板材料的制备技术。
【背景技术】
超材料是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。超材料的性质和功能主要来自于其内部的结构而非构成它们的材料，因此，为设计和合成超材料，人们进行了很多研究工作。2000年，加州大学的Smith等人指出周期性排列的金属线和开环共振器（SRR）的复合结构可以实现介电常数ε和磁导率μ同时为负的双负材料，也称左手材料。之后他们又通过在印刷电路板(PCB)上制作金属线和SRR复合结构实现了二维的双负材料。
超材料的基本结构由介质基板以及阵列在介质基板上的多个人造微结构组成，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可以控制超材料各个基本单元的等效介电常数和等效磁导率，从而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。
现有的超材料人造微结构一般为金属材料，而介质基板一般采用有机树脂基板，介质基板介电常数大小为均匀分布，介质基板本身不具有电磁调制功能，出于超材料功能设计的需要，如何设计介质基板的介电常数大小呈非均匀的分布，这成为现有技术亟待解决的技术问题。
作为现有技术，二氧化硅气凝胶的主要成分是SiO2，是通过溶胶凝胶方法将有机或无机硅源制备成湿凝胶，然后用气体取代凝胶中的液体，通过干燥控制添加剂及干燥工艺的控制，保持其空间网络结构基本不变，从而得到纳米多孔的硅石气凝胶材料。硅石气凝胶内含大量空气，其孔隙率可达80%～99%，其微孔尺寸范围为1～100nm。其纳米多孔结构使其具备许多优良的电气性能，如在3-40GHz范围内，其介电常数可控制在1.08-2.27范围内，热膨胀系数仅为普通SiO2的1/5，密度为5-200kg/m3，可耐压力超过28MPa，电阻率为为SiO2的1000倍。SiO2气凝胶的介电常数很低(1-2)，热稳定好，还具有绝缘、轻质、无毒、阻燃、廉价等优异性能。在低介电常数无铅PCB基板材料中有很好的应用前景。
作为现有技术，单个热辐射红外灯在被测物体上产生的温度场具有以热源对应点为中心,向外围递减的特点。文献【刘守文，尹晓芳，裴一飞，孙来燕。基于蒙特卡罗方法的红外灯热流分布研究，宇航学报，2010,31(2),608-614.】给出了飞利浦红外灯（型号为13169X/98,额定电压为120V,额定功率为500W,色温为2450K。）下方400mm处1.5m×1.5m面积内辐射热流计算结果云图。
【发明内容】
本发明提供一种介质基板的制备方法以及具有该介质基板的超材料，以实现超材料介质基板的介电常数大小呈非均匀分布。
本发明实现发明目的采用的技术方案是，一种介质基板的制备方法，包括以下步骤：
a.将硅源加入到乙醇和水的混合溶剂中，混合均匀后，得到二氧化硅溶胶；
b.调节pH值后静置，使所述二氧化硅溶胶老化形成凝胶；
c.以乙醇或丙酮作为置换剂，置换所述凝胶内的水，得到凝胶块；
d.以单个热辐射红外灯对上述凝胶块非均匀加热，使凝胶块不同区域内的置换剂以不同的挥发速率进行干燥，最后形成具有连续变化的孔隙度的二氧化硅气凝胶，制得介质基板。
作为具体实施方式，所述d步骤中，所述热辐射红外灯设置在所述凝胶块的几何中心位置。
更好地，控制所述热辐射红外灯的中心加热温度为100-120℃。
更好地，所述热辐射红外灯的加热时间为24-72小时。
更好地，所述b步骤还包括：设置一模具，在所述模具底部放置一纤维增强材料，将所述二氧化硅溶胶注入到所述模具内，再调节pH值后静置，使所述二氧化硅溶胶老化形成凝胶。
更好地，所述a步骤中，所述混合溶剂中还加入有干燥控制添加剂，所述干燥控制添加剂为甲酰胺和乙二醇。
更好地，所述c步骤中，去除所述凝胶内的水后，还包括以表面修饰剂对所述凝胶进行疏水处理。所述表面修饰剂为三甲基氯硅烷。
作为具体实施方式，所述硅源为正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、硅溶胶或水玻璃。
具体实施时，所述b步骤中，调节pH值为2-4或11-13。
本发明还提供一种超材料，包括介质基板以及阵列在介质基板上的多个人造微结构，所述介质基板为二氧化硅气凝胶层，所述二氧化硅气凝胶层在水平平面内具有连续变化的孔隙度分布。
作为具体实施方式，所述二氧化硅气凝胶层含有纤维增强材料。所述纤维增强材料为玻璃纤维布或有机纤维布。
本发明的有益效果是：通过本发明介质基板的制备方法，得到的介质基板以二氧化硅气凝胶为基体材料，在二氧化硅气凝胶的制备过程中，以单个热辐射红外灯对凝胶块进行加热，通过加热的方法对凝胶块进行干燥，热辐射红外灯在被测物体上产生的温度场具有以热源对应点为中心,向外围递减的特点，而干燥方法和干燥温度对于二氧化硅气凝胶的孔隙率有很大的影响。干燥过程中，气液两相共存于凝胶的孔结构中，当液体开始蒸发时，由分子间引力而产生的表面张力会导致液体在毛细管中形成弯月面。若凝胶孔壁的机械强度不足以抵抗毛细力，则孔洞会发生收缩。因此，湿凝胶的干燥温度越高，所得到的气凝胶的孔隙度就越低。
对于超材料而言，其各个基本单元的等效介电常数和等效磁导率是由人造微结构和介质基板所共同决定，当介质基板为均匀介质时基本单元的等效介电常数和等效磁导率是由人造微结构，而当介质基板为非均匀介质时，介质基板的介电常数变化也会影响到超材料各个基本单元的等效介电常数和等效磁导率，本发明中，当二氧化硅气凝胶介质基板的孔隙度连续变化时，由于空气的介电常数为1，而凝胶本身的介电常数为2-3，这使得介质基板的介电常数随着孔隙度的降低而增大。也就是说干燥温度越高，所得到的二氧化硅气凝胶的介电常数越大。因此，可以通过控制湿凝胶干燥时的温度场的均匀规律性变化，相应得到介电常数与温度场变化规律一致的二氧化硅气凝胶。
本发明通过上述原理，能为超材料的功能设计提供更为灵活的设计途径，大大扩展超材料的功能应用。
【附图说明】
图1，实施例1超材料的平面结构示意图。
图2，实施例1介质基板的介电常数分布示意图。
图3，实施例2超材料的平面结构示意图。
图4，实施例2介质基板的介电常数分布示意图。
【具体实施方式】
实施例1
一种介质基板的制备方法，包括以下步骤：
a.以正硅酸乙酯为硅源，取正硅酸乙酯104克，水31.5克，乙醇92-460克混合均匀，摩尔比相当于正硅酸乙酯:水:乙醇为1:3.5:4-20，得到二氧化硅溶胶；
b.将上述二氧化硅溶胶倒入一模具内，模具的形状可根据介质基板的应用要求进行任意设计，本实施例采用平板形，逐滴加入浓度为0.35mol/L的氨水，调节pH值至2.5-3.5，静置，使二氧化硅溶胶老化形成凝胶；
c.以乙醇或丙酮作为置换剂，置换凝胶内的水，脱模后得到凝胶块；
d.以单个热辐射红外灯对上述凝胶块进行非均匀加热，本实施例中，热辐射红外灯位于凝胶块的边缘位置，由于热辐射红外灯在被测物体上产生的温度场具有以热源对应点为中心,向外围递减的特点，温度的变化使凝胶块不同区域内的置换剂以不同的挥发速率进行干燥，使得最终形成的二氧化硅气凝胶的孔隙度越靠近边缘位置越小，从而使制得的介质基板的介电常数越靠近边缘位置越大。
在上述制得的介质基板上覆铜，通过蚀刻或激光雕刻的方法在介质基板上制作出具有一定形状和排布规律的人造金属铜微结构，得到超材料，本实施例制得的超材料的介质基板1上阵列有工字型人造微结构2，介质基板1为二氧化硅气凝胶，二氧化硅气凝胶在水平平面内具有连续变化的孔隙度，超材料的平面结构示意图参看附图1，介质基板的介电常数分布示意图参看附图2，图2中小圆点的分布密度代表的是介电常数的大小。对于超材料而言，阵列在介质基板1上的多个人造微结构2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2的结构和排列规律进行精确设计可以控制超材料各个基本单元的等效介电常数和等效磁导率，而等效介电常数是有介质基板1以及固定在介质基板1上的人造微结构2所共同决定，本实施例中，介质基板沿厚度方向孔隙度的不同使得介质基板1的介电常数在平面内呈非均匀的分布，这为超材料的功能设计提供了一种新的设计途径。
实施例2
一种介质基板的制备方法，包括以下步骤：
a.将正硅酸甲酯:水:乙醇:HCl按1:3.5:8:8.4×10-4的摩尔比混合得到混合溶液，为提高孔隙度，可加入甲酰胺和乙二醇作为干燥控制剂，60℃恒温水浴保温2小时，得到二氧化硅溶胶；
b.在一模具的底部平放一层有机纤维布，模具的形状可根据介质基板的应用要求进行任意设计，本实施例采用圆板形，将上述二氧化硅溶胶倒入模具内，逐滴滴入质量分数为1.5%的盐酸，调节pH值至11-12，静置，使二氧化硅溶胶老化形成凝胶；
c.以乙醇或丙酮作为置换剂，去除凝胶内的水，以表面修饰剂三甲基氯硅烷对凝胶进行疏水处理，脱模后得到凝胶块；；
d.以单个热辐射红外灯对上述凝胶块进行非均匀加热，本实施例中，热辐射红外灯位于凝胶块的几何中心位置，由于热辐射红外灯在被测物体上产生的温度场具有以热源对应点为中心,向外围递减的特点，温度的变化使凝胶块不同区域内的置换剂以不同的挥发速率进行干燥，使得最终形成的圆板形二氧化硅气凝胶的孔隙度中心位置最小，由中心位置向周边位置逐渐连续变大，从而使制得的介质基板的介电常数中心位置的介电常数最大，由中心位置向周边位置逐渐连续变小。
在上述制得的介质基板上覆铜，通过蚀刻或激光雕刻的方法在介质基板上制作出具有一定形状和排布规律的人造金属铜微结构，得到超材料，本实施例制得的超材料的介质基板1上阵列有开口环型人造微结构2，介质基板1以有机纤维布为基底，基底上附着有二氧化硅气凝胶层，二氧化硅气凝胶层在水平平面内具有连续变化的孔隙度分布，最终使介质基板具有连续变化的介电常数分布，超材料的平面结构示意图参看附图3，介质基板的介电常数分布示意图参看附图4，图4中小圆点的分布密度代表的是介电常数的大小。对于超材料而言，阵列在介质基板1上的多个人造微结构2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2的结构和排列规律进行精确设计可以控制超材料各个基本单元的等效介电常数和等效磁导率，而等效介电常数是有介质基板1以及固定在介质基板1上的人造微结构2所共同决定，本实施例中，介质基板的介电常数中心位置的介电常数最大，由中心位置向周边位置逐渐连续变小的分布规律，为超材料的功能应用提供了一种解决途径。
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和润饰，这些修改和润饰均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种介质基板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.将硅源加入到乙醇和水的混合溶剂中，混合均匀后，得到二氧化硅溶胶；
b.调节pH值后静置，使所述二氧化硅溶胶老化形成凝胶；
c.以乙醇或丙酮作为置换剂，置换所述凝胶内的水，得到凝胶块；
d.以单个热辐射红外灯对上述凝胶块进行非均匀加热，控制所述热辐射红外灯的中心加热温度为100-120℃,使凝胶块不同区域内的置换剂以不同的挥发速率进行干燥，最后形成具有连续变化的孔隙度的二氧化硅气凝胶，制得介质基板。
2.根据权利要求1所述的介质基板的制备方法，其特征在于，所述d步骤中，所述热辐射红外灯设置在所述凝胶块的几何中心位置。
3.根据权利要求1所述的介质基板的制备方法，其特征在于，所述热辐射红外灯的加热时间为24-72小时。
4.根据权利要求1所述的介质基板的制备方法，其特征在于，所述b步骤还包括：设置一模具，在所述模具底部放置一纤维增强材料，将所述二氧化硅溶胶注入到所述模具内，再调节pH值后静置，使所述二氧化硅溶胶老化形成凝胶。
5.根据权利要求1所述的介质基板的制备方法，其特征在于，所述a步骤中，所述混合溶剂中还加入有干燥控制添加剂，所述干燥控制添加剂为甲酰胺和乙二醇。
6.根据权利要求1所述的介质基板的制备方法，其特征在于，所述c步骤中，去除所述凝胶内的水后，还包括以表面修饰剂对所述凝胶进行疏水处理。
7.根据权利要求6所述的介质基板的制备方法，其特征在于，所述表面修饰剂为三甲基氯硅烷。
8.根据权利要求1所述的介质基板的制备方法，其特征在于，所述硅源为正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、硅溶胶或水玻璃。
9.根据权利要求1所述的介质基板的制备方法，其特征在于，所述b步骤中，调节pH值为2-4或11-13。
10.一种超材料，其特征在于,包括权利要求1-9任意一项所述的制备方法制备的介质基板、以及阵列在所述介质基板上的多个人造微结构。
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