CN102952368B - 一种超材料介质基板的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超材料介质基板的制备方法，通过制备NiO-Gd0.1Ce0.9O2复合氧化物，然后再将NiO-Gd0.1Ce0.9O2复合氧化物通过干压的方法成型并以CeO2陶瓷基体材料浸润有机树脂，得到超材料介质基板。本发明的有益效果是：以本发明制备得到的CeO2陶瓷基体材料作为超材料介质基板的增强材料，具有很好的耐高温性能；制备得到的CeO2陶瓷基体材料具有微米级别的微孔，且孔径均匀，平均在1-10微米范围内，通过控制镍的盐溶液中镍离子的加入量，使制得的CeO2陶瓷基体材料孔隙度在50％以下可控，进而实现超材料介质基板的介电常数大小的可控，为超材料的应用提供更为准确和灵活的设计途径。
Description
【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，有机树脂基板一般是以玻璃纤维布为增强材料的环氧树脂基板，该类基板虽然具有较好的机械性能，但是存在耐高温性能低，介电常数无法按需要进行控制的缺点。
【发明内容】
本发明为解决上述技术问题，提供一种耐高温且介电常数大小可控的超材料介质基板的制备方法。
本发明实现发明目的采用的技术方案是：一种超材料介质基板的制备方法，包括以下步骤：
a.配制铈、钆的混合盐溶液，其中铈︰钆的摩尔比为0.9︰0.1；
b.在上述混合盐溶液中加入镍的盐溶液，制备NiO-Gd0.1Ce0.9O2复合氧化物；
c.将NiO-Gd0.1Ce0.9O2复合氧化物通过干压的方法成型为超材料介质基板的形状，在高温下煅烧，然后在还原气氛下将NiO还原成Ni；
d.采用稀硝酸洗去Ni，用水清洗后干燥，得到CeO2陶瓷基体材料；
e.将所述CeO2陶瓷基体材料浸润到有机树脂胶液中，固化后得到超材料介质基板。
更好地，通过控制所述镍的盐溶液中镍离子的加入量，使所述CeO2陶瓷基体材料具有不同的孔隙度。
优选地，所述混合盐溶液为铈、钆、镍与硝酸根离子或醋酸根离子或氯离子组成的混合盐溶液。
优选地，所述b步骤中，采用pechini法制备NiO-Gd0.1Ce0.9O2复合氧化物，具体步骤是：在所述混合盐溶液中加入足量的柠檬酸，充分溶解后加入乙二醇，加热至70-90℃，搅拌均匀；继续升温直至水分完全蒸发，得到NiO-Gd0.1Ce0.9O2复合氧化物。
优选地，制得所述NiO-Gd0.1Ce0.9O2复合氧化物后，还包括以无水乙醇为介质将所述NiO-Gd0.1Ce0.9O2复合氧化物进行高能球磨，再干燥。
优选地，所述c步骤中，在NiO-Gd0.1Ce0.9O2复合氧化物中加入粘结剂，然后再通过干压的方法成型为超材料介质基板的形状。
优选地，所述c步骤中，在1000-1500℃高温下煅烧。
优选地，所述c步骤中，在700-900℃的氢气气氛下将NiO还原成Ni。
优选地，所述d步骤中，采用1-3mol/L的稀硝酸在70-90℃的温度下洗去Ni。
优选地，所述有机树脂胶液为环氧树脂胶液、溴化环氧树脂胶液或环氧酚醛树脂胶液。
本发明的有益效果是：
1、以本发明制备得到的CeO2陶瓷基体材料作为超材料介质基板的增强材料，具有很好的耐高温性能；
2、制备得到的CeO2陶瓷基体材料具有微米级别的微孔，且孔径均匀，平均在1-10微米范围内，通过控制镍的盐溶液中镍离子的加入量，使制得的CeO2陶瓷基体材料孔隙度在50％以下可控，进而实现超材料介质基板的介电常数大小的可控，为超材料的应用提供更为准确和灵活的设计途径。
【具体实施方式】
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
将醋酸铈(Ce(NO3)3·6H2O)和醋酸钆(Gd(NO3)3·6H2O)按照Gd0.10Ce0.90O2的化学计量比溶于去离子水，即保证铈离子：钆离子＝0.90:0.10(摩尔比)；再加入醋酸镍(Ni(NO3)3·6H2O)，醋酸镍(Ni(NO3)3·6H2O)的加入量可根据最后生成物NiO-Gd0.1Ce0.9O2复合氧化物的孔隙度而定，采用Pechini法制备，具体步骤如下：在混合均匀的以上醋酸盐盐溶液中加入足量的柠檬酸，充分溶解后，加入乙二醇，在80℃搅拌30分钟后，升温至200℃，持续加热蒸发水分，直至溶液成胶燃烧反应得到“灰”状生成物即NiO-Gd0.1Ce0.9O2复合氧化物。
将生成物NiO-Gd0.1Ce0.9O2复合氧化物在1000℃热处理4小时。加入1wt％的聚乙烯醇(PVA)作为粘结剂，采用干压的方法成型为超材料介质基板的形状，在1500℃煅烧10小时。将高温煅烧后的样品在900℃氢气气氛中还原8小时，再用2mol/L的醋酸在90℃下浸泡样品24小时，然后采用超声清洗在去离子水中清洗，直至溶液澄清，取出后得到CeO2陶瓷基体材料。
将制得的CeO2陶瓷基体材料浸润到环氧酚醛树脂胶液中，固化后得到超材料介质基板。
实施例2
将硝酸铈(Ce(NO3)3·6H2O)39.0798g和硝酸钆(Gd(NO3)3·6H2O)4.5136g按照Gd0.10Ce0.90O2的化学计量比溶于去离子水200g，即硝酸铈：硝酸钆＝0.90:0.10(摩尔比)；再加入硝酸镍(Ni(NO3)3·6H2O)74g，采用Pechini法制备，具体步骤如下：在混合均匀的以上硝酸盐盐溶液中加入柠檬酸82g，充分溶解后，加入乙二醇200g，在80℃搅拌30分钟后，升温至200℃，持续加热蒸发水分，直至溶液成胶燃烧反应得到“灰”状生成物即NiO-Gd0.1Ce0.9O2复合氧化物。
将生成物NiO-Gd0.1Ce0.9O2复合氧化物取出以无水乙醇为介质高能球磨15分钟后，干燥，在1000℃热处理4小时。加入1wt％的聚乙烯醇(PVA)作为粘结剂，采用干压的方法成型为超材料介质基板的形状，在1500℃煅烧10小时。将高温煅烧后的样品在800℃氢气气氛中还原10小时，再用2mol/L的硝酸在80℃下浸泡样品24小时，然后采用超声清洗在去离子水中清洗，直至溶液澄清，取出后得到CeO2陶瓷基体材料。
将制得的CeO2陶瓷基体材料浸润到环氧树脂胶液中，固化后得到超材料介质基板。
采用本发明所制得的CeO2陶瓷基体材料具有耐高温性能好，强度较高，微米孔孔径比较均匀，在1-10μm之间；孔隙度较高，在0～50vol％范围内可控等优点，由于CeO2陶瓷基体材料中具有微米连通孔，环氧树脂胶液能比较容易地进入并填充到微孔中。通过控制CeO2陶瓷基体材料的孔隙度，可以使超材料介质基板内的环氧树脂含量，进而实现对超材料介质基板整体介电常数的控制。
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 (9)
1.一种超材料介质基板的制备方法，包括以下步骤：
a.配制铈、钆的混合盐溶液，其中铈︰钆的摩尔比为0.9︰0.1；
b.在上述混合盐溶液中加入镍的盐溶液，制备NiO-Gd0.1Ce0.9O2复合氧化物，所述镍的盐溶液的加入量根据最后生成物NiO-Gd0.1Ce0.9O2复合氧化物的孔隙度而定；
c.将NiO-Gd0.1Ce0.9O2复合氧化物通过干压的方法成型为超材料介质基板的形状，在高温下煅烧，然后在还原气氛下将NiO还原成Ni；
d.采用稀硝酸洗去Ni，用水清洗后干燥，得到CeO2陶瓷基体材料；
e.将所述CeO2陶瓷基体材料浸润到有机树脂胶液中，固化后得到超材料介质基板；
通过控制所述镍的盐溶液中镍离子的加入量，使所述CeO2陶瓷基体材料具有不同的孔隙度。
2.根据权利要求1所述的超材料介质基板的制备方法，其特征在于，所述混合盐溶液为铈、钆、镍与硝酸根离子或醋酸根离子或氯离子组成的混合盐溶液。
3.根据权利要求2所述的超材料介质基板的制备方法，其特征在于，所述b步骤中，采用pechini法制备NiO-Gd0.1Ce0.9O2复合氧化物，具体步骤是：
在所述混合盐溶液中加入足量的柠檬酸，充分溶解后加入乙二醇，加热至70-90℃，搅拌均匀；
继续升温直至水分完全蒸发，得到NiO-Gd0.1Ce0.9O2复合氧化物。
4.根据权利要求3所述的超材料介质基板的制备方法，其特征在于，制得所述NiO-Gd0.1Ce0.9O2复合氧化物后，还包括以无水乙醇为介质将所述NiO-Gd0.1Ce0.9O2复合氧化物进行高能球磨，再干燥。
5.根据权利要求1所述的超材料介质基板的制备方法，其特征在于，所述c步骤中，在NiO-Gd0.1Ce0.9O2复合氧化物中加入粘结剂，然后再通过干压的方法成型为超材料介质基板的形状。
6.根据权利要求1所述的超材料介质基板的制备方法，其特征在于，所述c步骤中，在1000-1500℃高温下煅烧。
7.根据权利要求1所述的超材料介质基板的制备方法，其特征在于，所述c步骤中，在700-900℃的氢气气氛下将NiO还原成Ni。
8.根据权利要求1所述的超材料介质基板的制备方法，其特征在于，所述d步骤中，采用1-3mol/L的稀硝酸在70-90℃的温度下洗去Ni。
9.根据权利要求1所述的超材料介质基板的制备方法，其特征在于，所述有机树脂胶液为环氧树脂胶液、溴化环氧树脂胶液或环氧酚醛树脂胶液。
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