CN102531539B - 一种介质基板的制备方法及超材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种介质基板的制备方法以及超材料，值得的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，所述介质基板由有机树脂基板与多孔基板材料复合而成，所述多孔基板材料具有均匀分布的纳米通孔和介孔结构。通过使用根据本发明制备方法获得的超材料，其介质基板由有机树脂基板与多孔基板材料复合而成，多孔基板材料具有均匀分布的纳米通孔和介孔结构，由于纳米通孔和介孔结构的存在，相当于使介质基板内填充有空气，而空气的介电常数约为1，大大小于有机树脂基板的介电常数，这样使得介质基板整体的介电常数降低，满足某些特定应用要求，有机树脂基板具有良好的机械性能，能满足超材料各种应用场合的要求。

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，介质基板的介电常数大小局限于固定的范围，对于超材料的某些应用而言，需要较低介电常数的介质基板，为获得良好的机械性能和满足介电常数要求，现有的基板材料均不能同时满足，这成为现有技术亟待解决的技术问题。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题是提供一种介电常数大小可调节的超材料介质基板以及以该介质基板制备得到的超材料。
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.采用电纺的方法制备纳米有机纤维膜；
b.将硅源加入到乙醇和水的混合溶剂中，再加入高分子聚合物模板剂，混合均匀后，调节pH值，得到二氧化硅溶胶；
c.以纳米有机纤维膜为基材，将二氧化硅溶胶均匀涂布在基材上,静置，使二氧化硅溶胶形成介孔二氧化硅，再对二氧化硅溶胶进行干燥处理；
d.在500-800℃的温度下进行烧结，得到具有纳米通孔和介孔结构的多孔基板材料；
e.将所述多孔基板材料与有机树脂基板固化粘结，得到介质基板。
具体地，所述c步骤中，先将所述基材置于一模具中，通过刮片或旋转涂膜的方法将所述二氧化硅溶胶均匀涂布在基材上。
具体地，所述模具内壁涂覆有脱模剂，所述脱模剂为滑石粉或石蜡。
具体地，所述硅源为正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、硅溶胶或水玻璃。
具体地，所述b步骤中，调节pH值为2-4或11-13。
具体地，所述高分子聚合物模板剂为十六烷基三甲基溴化铵或聚醚类三嵌段聚合物F127、F108、P123。
具体地，所述c步骤中，采用冷冻干燥或超临界干燥的方法对二氧化硅溶胶进行干燥处理。
具体地，所述e步骤中，所述有机树脂基板为环氧树脂玻璃纤维半固化片，所述多孔基板材料与所述环氧树脂类半固化片通过热压的方法固化粘结，得到介质基板。
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，所述介质基板由有机树脂基板与多孔基板材料复合而成，所述多孔基板材料具有均匀分布的纳米通孔和介孔结构。
优选地所述有机树脂基板为环氧树脂玻璃纤维基板。
通过使用根据本发明制备方法获得的超材料，其介质基板由有机树脂基板与多孔基板材料复合而成，多孔基板材料具有均匀分布的纳米通孔和介孔结构，由于纳米通孔和介孔结构的存在，相当于使介质基板内填充有空气，而空气的介电常数约为1，大大小于有机树脂基板的介电常数，这样使得介质基板整体的介电常数降低，满足某些特定应用要求，有机树脂基板具有良好的机械性能，能满足超材料各种应用场合的要求。
本发明的制备方法还具有工艺简单、能灵活选择材料的优点。
【附图说明】
图1,本发明介质基板制备方法的主要制备步骤流程图。
图2，电纺的工艺流程示意图。
【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
一种介质基板的制备方法，其主要制备步骤的流程图参看附图1，包括以下步骤：
a.采用电纺的方法制备纳米有机纤维膜，电纺的工艺流程示意图可参看附图1，电纺工艺包括设置注射器1、金属针头2、金属板3以及管路4，其具体过程为：将熔融状态的有机高分子材料置于注射器1中，注射器1通过管路4连通金属针头2，金属针头2与金属板3之间形成有高压电场，通过推动注射器1可以使熔融状态的有机高分子材料由金属针头2溢出，在高压电场的作用下，由金属针头2溢出的有机高分子材料被拉伸成很细的纳米级纤维，并在金属板上形成一层膜状纤维材料，作为具体实施方式，有机高分子材料只需满足能在500-800℃高温下被燃烧掉即可，如常用的电纺纤维材料聚苯乙烯、聚芳醚以及聚酰亚胺等；
b.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，逐滴加入浓度为0.35mol/L的氨水，再加入三嵌段聚合物F127作为介孔模板剂，混合均匀后，调节pH值至2.5-3.5，得到二氧化硅溶胶；
c.以纳米有机纤维膜为基材，将二氧化硅溶胶均匀涂布在基材上,静置，在静置过程中，二氧化硅溶胶渗入到纳米有机纤维膜的较大孔隙中，同时，溶胶中的模板剂F127在静置过程中进行自组装，形成定向排列，二氧化硅分子以模板剂中的聚醚分子为模板，团聚在聚醚分子周围，形成介孔二氧化硅，再对二氧化硅溶胶进行冷冻干燥处理，去除二氧化硅溶胶中的溶剂乙醇和水；
d.在500-800℃的温度下进行烧结，在高温下，纳米有机纤维膜中纳米有机纤维被烧掉，形成纳米通孔，介孔模板剂F127中的聚醚分子也被烧掉，形成或连通或封闭的介孔结构，得到具有纳米通孔和介孔结构的多孔基板材料；
e.将所述多孔基板材料与有机树脂基板通过粘结剂粘结即可得到介质基板。
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。
本实施例中，超材料介质基板由有机树脂基板与多孔基板材料复合而成，多孔基板材料具有均匀分布的纳米通孔和介孔结构，由于纳米通孔和介孔结构的存在，相当于使介质基板内填充有空气，而空气的介电常数约为1，大大小于有机树脂基板的介电常数，这样使得介质基板整体的介电常数降低，满足某些特定应用要求。
实施例2
一种介质基板的制备方法，包括以下步骤：
a.采用电纺的方法制备纳米有机纤维膜，电纺的工艺流程示意图可参看附图1，电纺工艺包括设置注射器1、金属针头2、金属板3以及管路4，其具体过程为：将有机高分子聚合物溶液置于注射器1中，注射器1通过管路4连通金属针头2，金属针头2与金属板3之间形成有高压电场，通过推动注射器1可以使有机高分子聚合物溶液由金属针头2溢出，在高压电场的作用下，由金属针头2溢出的有机高分子聚合物溶液被拉伸成很细的纳米级纤维，并在金属板上形成一层膜状纤维材料，作为具体实施方式，有机高分子材料只需满足能在500-800℃高温下被燃烧掉即可，如常用的电纺纤维材料聚苯乙烯、聚芳醚以及聚酰亚胺等；
b.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，为提高气孔率，还可加入甲酰胺或乙二醇作为干燥控制剂，60℃恒温水浴保温2小时，再加入十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）作为介孔模板剂，滴入质量分数为1.5%的氨水，调节pH值至11-12，混合均匀后，调节pH值至2.5-3.5，得到二氧化硅溶胶；
c.以纳米有机纤维膜为基材，将二氧化硅溶胶均匀涂布在基材上,静置，在静置过程中，二氧化硅溶胶渗入到纳米有机纤维膜的较大孔隙中，同时，溶胶中的模板剂F127在静置过程中进行自组装，形成定向排列，二氧化硅分子以模板剂中的CTAB分子为模板，团聚在CTAB分子周围，形成介孔二氧化硅，再对二氧化硅溶胶进行冷冻干燥处理，去除二氧化硅溶胶中的溶剂乙醇和水；
d.在500-800℃的温度下进行烧结，在高温下，纳米有机纤维膜中纳米有机纤维被烧掉，形成纳米通孔，介孔模板剂中的CTAB分子也被烧掉，形成或连通或封闭的介孔结构，得到具有纳米通孔和介孔结构的多孔基板材料；
e.将所述多孔基板材料与环氧树脂玻璃纤维半固化片通过热压的方法进行压合，得到双层复合介质基板。
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。
本实施例中，超材料介质基板由有机树脂基板与多孔基板材料复合而成，多孔基板材料具有均匀分布的纳米通孔和介孔结构，由于纳米通孔和介孔结构的存在，相当于使介质基板内填充有空气，而空气的介电常数约为1，大大小于有机树脂基板的介电常数，这样使得介质基板整体的介电常数降低，满足某些特定应用要求。
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.采用电纺的方法制备纳米有机纤维膜；
b.将硅源加入到乙醇和水的混合溶剂中，再加入高分子聚合物模板剂，混合均匀后，调节pH值，得到二氧化硅溶胶；
c.以纳米有机纤维膜为基材，将二氧化硅溶胶均匀涂布在基材上,静置，使二氧化硅溶胶形成介孔二氧化硅，再对二氧化硅溶胶进行干燥处理；
d.在500-800℃的温度下进行烧结，得到具有纳米通孔和介孔结构的多孔基板材料；
e.将所述多孔基板材料与有机树脂基板固化粘结，得到介质基板。
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c步骤中，先将所述基材置于一模具中，通过刮片或旋转涂膜的方法将所述二氧化硅溶胶均匀涂布在基材上。
3.根据权利要求2所述的介质基板的制备方法，其特征在于，所述模具内壁涂覆有脱模剂，所述脱模剂为滑石粉或石蜡。
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，所述硅源为正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、硅溶胶或水玻璃。
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b步骤中，调节pH值为2-4或11-13。
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，所述高分子聚合物模板剂为聚醚类三嵌段聚合物F127、P123。
7.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，采用冷冻干燥或超临界干燥的方法对二氧化硅溶胶进行干燥处理。
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e步骤中，所述有机树脂基板为环氧树脂玻璃纤维半固化片，所述多孔基板材料与所述环氧树脂玻璃纤维半固化片通过热压的方法固化粘结，得到介质基板。
9.一种超材料，其特征在于,包括根据权利要求1-8任意一项所述的制备方法制备的介质基板、以及阵列在介质基板上的多个人造微结构，所述介质基板由有机树脂基板与多孔基板材料复合而成，所述多孔基板材料具有均匀分布的纳米通孔和介孔结构。
10.根据权利要求9所述的超材料，其特征在于：所述有机树脂基板为环氧树脂玻璃纤维基板。
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