CN102963062B - 复合板、超材料及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供复合板、超材料及其加工方法，复合板包括基板、金属箔，所述基板和金属箔通过热压机直接无胶压合在一起，所述基板由热塑性树脂制成，其中所述热塑性树脂为聚丙烯、聚苯乙烯、聚苯醚、聚苯硫醚、聚酰胺、聚酯或有机硅。复合板的加工方法包括步骤：将一基板和一金属箔叠加在一起形成预压复合板；在所述预压复合板的上、下表面分别设置刚性板，形成一预压整体后再放入热压机进行压合；将所述预压整体放入热压机内热压压合后再进行降温处理，得到所需的复合板。本发明在不使用胶粘剂的情况下，直接将基板与金属箔压合，得到的复合板的剥离强度仍然达到超材料使用要求。简化了生产工艺、大幅降低了成本，金属箔也不易剥离。
Description
【技术领域】
本发明涉及复合材料领域，尤其涉及复合板、超材料及其加工方法。
【背景技术】
目前覆铜板的实现是在热固性树脂基材上贴覆金属铜箔，金属箔通过半固化树脂片与基板压合形成覆铜板，虽然制作方便，但半固化片的使用使覆铜板的生产成本较高、加工效率相对较低。杜邦公司开发的无胶粘剂型挠性覆铜板为直接将热固性的聚酰亚胺树脂熔化后直接涂覆在铜箔上，经过加热固化交联，聚酰亚胺自身起胶粘剂的作用。对于常规热塑性基板的覆铜，一般也是采用在基板表面增加热熔胶或热固性胶粘剂与铜箔金属箔复合。而直接采用电镀的方式在基板表面镀上金属层，也会因为基板表面的粗糙度较低，使得电镀铜后铜的剥离强度较低，同样不能满足实际加工的要求，而且直接电镀对环境污染非常大。工业上通常所用的无胶压合也仅仅是预先将胶粘剂涂覆在基材上，再将基材与其它材料直接压合。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题是：提供一种复合板、超材料及其加工方法，该加工方法不需要使用胶粘剂，直接将由热塑性树脂制成的基材加热软化与铜箔粗糙面压合，简化了生产工艺、大幅降低了成本。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：提供一种复合板，所述复合板包括基板、金属箔，所述基板和金属箔通过热压机直接无胶压合在一起，所述基板由热塑性树脂制成，其中所述热塑性树脂为聚丙烯、聚苯乙烯、聚苯醚、聚苯硫醚、聚酰胺、聚酯或有机硅。
在本发明所述的复合板中，所述金属箔为铜箔、银箔或铝箔。
在本发明所述的复合板中，所述金属箔的厚度为0.005～0.15毫米。
本发明还提供一种复合板的加工方法，包括以下步骤，
将一基板和一金属箔叠加在一起形成预压复合板，所述基板由热塑性树脂制成；
在所述预压复合板的上、下表面分别设置刚性板，形成一预压整体后再放入热压机进行压合；
将所述预压整体放入热压机内热压压合后再进行降温处理，得到所需的复合板。
在本发明所述的复合板的加工方法中，在将所述预压整体放入热压机之前还包括：在所述刚性板的另一表面还设置温度缓冲层，形成一预压整体后再放入热压机进行压合。
在本发明所述的复合板的加工方法中，所述温度缓冲层为牛皮纸。
在本发明所述的复合板的加工方法中，热压温度范围为80～200℃。
在本发明所述的复合板的加工方法中，热压温度范围为100～180℃。
在本发明所述的复合板的加工方法中，热压温度为120℃。
在本发明所述的复合板的加工方法中，热压温度为140℃。
在本发明所述的复合板的加工方法中，热压温度高于基板的玻璃化转变温度，低于基板的熔点。
在本发明所述的复合板的加工方法中，热压时间范围为15～250分钟。
在本发明所述的复合板的加工方法中，热压时间范围为20～200分钟。
在本发明所述的复合板的加工方法中，热压机的热压压力范围为5～60kg/cm2。
在本发明所述的复合板的加工方法中，热压机的热压压力为45kg/cm2。
在本发明所述的复合板的加工方法中，所述降温处理包括以1～20℃/min的速率缓慢降温至100℃以下。
在本发明所述的复合板的加工方法中，所述降温处理是通过水冷冷压机缓慢降温预设时间或在热压机内缓慢降温预设时间。
在本发明所述的复合板的加工方法中，将所述预压整体放入热压机内热压压合是采用分段热压的方式进行压合。
在本发明所述的复合板的加工方法中，所述刚性板为钢板、钛板、铜板或刚性合金板。
在本发明所述的复合板的加工方法中，所述金属箔的厚度为0.005～0.15毫米。
本发明还提供一种超材料的加工方法，包括如上所述的复合板的加工方法制得的复合板上的金属箔加工成所需的人造微结构图案。
本发明还提供一种超材料，由上文所述的超材料的加工方法制成。
在本发明所述的超材料中，所述超材料用于实现对电磁波进行透波、吸波、波束调制、极化转化。
本发明的有益效果为：在不适用胶粘剂的情况下，采用直接压合的方式在基板上覆金属箔例如铜箔，该加工方法简化了生产工艺、大幅降低了成本，金属箔也不易剥离，因此该复合板可以广泛应用在超材料加工领域以及覆铜板领域。另外采用本发明的复合板可以加工成满足多种功能需求的超材料。
【附图说明】
图1是本发明的复合板的结构示意图；
图2是依据本发明一实施例的复合板的加工流程图；
图3是依据本发明另一实施例的复合板的加工流程图；
图4是依据本发明再一实施例的复合板的加工流程图；
图5是依据本发明一实施例的能够实现透波功能超材料的人造微结构图案排布示意图；
图6是依据本发明一实施例的能够实现吸波功能的超材料的人造微结构图案排布示意图；
图7是依据本发明一实施例的能够实现极化转换的超材料的人造微结构图案排布示意图；
图8是依据本发明一实施例的能够实现波束调制的超材料的人造微结构图案排布示意图。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种复合板，如图1所示，复合板包括基板1、金属箔2，基板1和金属箔2直接无胶压合在一起，这里的无胶压合是指不适用胶粘剂来直接压合。在本发明一优选实施例中，基板1和金属箔通过热压机直接压合在一起。这里的基板可以为热塑性树脂制成，例如可以选择聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚苯醚、聚苯硫醚、聚酰胺、聚酯或有机硅。金属箔为铜箔、银箔或铝箔。金属箔厚度为0.005～0.15mm，例如是0.018mm。
本发明还提供了上文所述的复合板的加工方法，包括以下步骤：
S1、将一基板和一金属箔叠加在一起形成预压复合板，基板由热塑性树脂制成；
S2、将所述预压复合板放入热压机内热压压合后再进行降温处理，得到所需的复合板。
在本发明一优选实施例中，为了使得压合效果更好，不至于出现表面不平整的情况，通常还会在将所述预压复合板放入热压机之前（即S1和S2之间）还增加一步骤：
S10、在所述预压复合板的上、下表面分别设置刚性板，形成一预压整体后再放入热压机进行压合。
其中，刚性板使热压机传递给预压复合板的压力更为均匀，保证了压合后的复合板是平整的。刚性板可以是钢板、钛板、铜板或其它刚性合金板。刚性合金板例如但不限于铝镁合金板、铝硅镁合金板或钛合金板。刚性板厚度可以为1.0～9.0mm。
为了使得热压机的温度能够均匀的传递到基板和金属箔上，在将所述预压复合板放入热压机之前（即S10和S2之间）还增加一步骤：
S11、在所述刚性板的另一表面还设置温度缓冲层，形成一预压整体后再放入热压机进行压合。
经过步骤S2处理之后移除牛皮纸和钢板，得到所需的复合板。
这里的温度缓冲层能够起到温度均匀传递。温度缓冲层优选牛皮纸，可以是一层或多层牛皮纸，根据牛皮纸厚度不同，选择不同层数。使用的牛皮纸厚度可以依据需要来设定。
热压机压合的热压温度通常高于基板的玻璃化转变温度，低于基板的熔点。热压温度范围在80～200℃之间，优选温度范围为100～180℃。热压时间范围在15～250分钟之间，优选时间范围为20～200分钟。热压机的热压压力范围为5～60kg/cm2。
步骤S2中的降温处理可以通过水冷冷压机降温一定时间，也可以是以1～20℃/min的速率缓慢降温至100℃以下，例如50～60度。
在一优选实施例中，将所述预压复合板放入热压机内热压压合是采用分段热压的方式进行压合。
这里的基板可以为热塑性树脂制成，例如可以选择聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚酯、有机硅或特氟龙等热塑性树脂及其改性品种。金属箔为铜箔、银箔或铝箔。金属箔为铜箔、银箔或铝箔。金属箔厚度为0.005～0.15mm，例如是0.018mm。
传统的热压压合时容易造成基板的变形，而本实施例中采用热压机压合的方式在基板上覆金属箔(例如铜箔、银箔、铝箔，其他金属箔也都是可以选用的)的加工方法，该加工方法不需要使用胶粘剂，简化了生产工艺、大幅降低了成本，金属箔也不易剥离，因此该复合板可以广泛应用在超材料加工领域。
实施例一:
a、在聚苯乙烯基板表面覆上厚度为0.018毫米的金属箔形成预压复合板；
b、在预压复合板的上、下表面分别设置厚度为2mm的钢板，在钢板的另一面设置牛皮纸，形成一预压整体；
c、将该预压整体放入热压机140℃恒温热压110分钟，压力40Kg/cm2；
d、将热压好的板放于水冷冷压机中降温60分钟后取出，移除牛皮纸和钢板获得所需的复合板；
采用剥离强度测试仪(IPC-TM-650)测试实施例一得到的复合板，剥离强度为0.8Kgf/cm。
实施例二：
a、在聚碳酸酯基板表面覆上厚度为0.0075毫米的金属箔形成预压复合板；
b、在预压复合板的上、下表面分别设置厚度为2mm的钢板，在钢板的另一面设置牛皮纸，形成一预压整体；
c、将该预压整体放入热压机190℃恒温热压80分钟，压力5Kg/cm2；
d、将热压好的板放于水冷冷压机中降温80分钟后取出，移除牛皮纸和钢板获得所需的复合板。
采用剥离强度测试仪(IPC-TM-650)测试实施例二得到的复合板，剥离强度为1.0Kgf/cm。
实施例三:
a、在聚苯乙烯基板表面覆上厚度为0.018毫米的金属箔形成预压复合板；
b、在预压复合板的上、下表面分别设置厚度为2mm的钢板，形成一预压整体；
c、将该预压整体放入热压机80℃恒温热压250分钟，压力50Kg/cm2；
d、将热压好的板放于水冷冷压机中降温60分钟后取出，移除钢板获得所需的复合板；
采用剥离强度测试仪(IPC-TM-650)测试实施例三得到的复合板，剥离强度为0.4Kgf/cm。
实施例四:
a、在聚苯乙烯基板表面覆上厚度为0.018毫米的金属箔形成预压复合板；
b、在预压复合板的上、下表面分别设置厚度为2mm的钢板，在钢板的另一面设置牛皮纸，形成一预压整体；
c、将该预压整体放入热压机100℃恒温热压200分钟，压力45Kg/cm2；
d、将热压好的板放于水冷冷压机中降温60分钟后取出，移除牛皮纸和钢板获得所需的复合板；
采用剥离强度测试仪(IPC-TM-650)测试实施例四得到的复合板，剥离强度为0.5Kgf/cm。
实施例五:
a、在聚苯醚基板表面覆上厚度为0.018毫米的金属箔形成预压复合板；
b、在预压复合板的上、下表面分别设置厚度为2mm的钢板，在钢板的另一面设置牛皮纸，形成一预压整体；
c、将该预压整体放入热压机260℃恒温热压180分钟，压力45Kg/cm2；
d、将热压好的板放于水冷冷压机中降温90分钟后取出，移除牛皮纸和钢板获得所需的复合板；
采用剥离强度测试仪(IPC-TM-650)测试实施例五得到的复合板，剥离强度为0.7Kgf/cm。
实施例六:
a、在聚苯硫醚基板表面覆上厚度为0.018毫米的金属箔形成预压复合板；
b、在预压复合板的上、下表面分别设置厚度为2mm的钢板，在钢板的另一面设置牛皮纸，形成一预压整体；
c、将该预压整体放入热压机300℃恒温热压60分钟，压力60Kg/cm2；
d、将热压好的板放于水冷冷压机中降温90分钟后取出，移除牛皮纸和钢板获得所需的复合板；
采用剥离强度测试仪(IPC-TM-650)测试实施例六得到的复合板，剥离强度为0.75Kgf/cm。
本实施例中采用热压机直接无胶压合的方式在基板上覆金属箔(例如铜箔、银箔、铝箔，其他金属箔也都是可以选用的)的加工方法，该加工方法不仅简化了生产工艺、降低了成本，并且制备出的复合板介电损耗小，金属箔也不易剥离，因此该复合板可以广泛应用在超材料加工领域。
实施例七
a、在聚苯醚基板表面覆上厚度为0.018毫米的铜箔形成预压复合板；
b、在预压复合板的上、下表面分别设置厚度为2mm的钢板，在钢板的另一面设置牛皮纸，形成一预压整体；
c、采用分段热压，将所述预压整体放入热压机内压合，其中，第一段为：热压温度为70℃，热压压力为14Kg/cm2，热压时间为50分钟；第二段为：完成第一段热压后，将热压温度改为100℃，热压压力改为25Kg/cm2，热压时间改为40分钟；第三段为：完成第二段热压后，将热压温度改为130℃，热压压力改为50Kg/cm2，热压时间改为30分钟。
d、将压合后的预压整体在热压机内缓慢降温至50℃后取出，移除牛皮纸和钢板获得所需的复合板。
采用剥离强度测试仪(IPC-TM-650)测试实施例七得到的复合板，剥离强度为0.9Kgf/cm。
实施例七
a、在尼龙66（聚酰胺的一种）基板表面覆上厚度为0.036毫米的铜箔形成预压复合板；
b、在预压复合板的上、下表面分别设置厚度为5mm的钢板，在钢板的另一面设置牛皮纸，形成一预压整体；
c、采用分段热压，将所述预压整体放入热压机内压合，其中，第一段为：热压温度为100℃，热压压力为14Kg/cm2，热压时间为50分钟；第二段为：完成第一段热压后，将热压温度改为220℃，热压压力改为20Kg/cm2，热压时间改为40分钟；第三段为：完成第二段热压后，将热压温度改为255℃，热压压力改为20Kg/cm2，热压时间改为10分钟。
d、将压合后的预压整体在热压机内缓慢降温至50℃后取出，移除牛皮纸和钢板获得所需的复合板。
采用剥离强度测试仪(IPC-TM-650)测试实施例七得到的复合板，剥离强度为0.8Kgf/cm。
从以上多个实施例中，可以看出，在不使用胶粘剂的情况下，直接将基板与金属箔压合，得到的复合板的剥离强度仍然达到超材料使用要求。简化了生产工艺、大幅降低了成本，金属箔也不易剥离。当基板由热塑性树脂特别是聚苯乙烯制成时，得到的复合板的剥离强度较高。因此该复合板可以广泛应用在超材料加工领域以及覆铜板领域。
本发明还提供一种超材料的加工方法，包括如上文所述的复合板的加工方法制得的复合板上的金属箔加工成所需的人造微结构图案。具体采用的加工方式有多种，例如但不限于蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或者离子刻等等。人造微结构图案的设计根据超材料功能来进行设计，可以是各种各样的拓扑结构。
本发明还提供一种超材料，由上文所述的超材料的加工方法制成。制成的超材料用于实现对电磁波进行透波、吸波、波束调制、极化转化等。超材料的具体功能可通过设计人造微结构的排布和图案来实现。图5示出了一种能够实现透波功能的超材料的立体结构图。图5中的方块状黑色图案是蚀刻之后的人造微结构图案。图6示出了一种能够实现吸波功能的超材料的人造微结构图案排布，人造微结构图案大致是周期排布，每一人造微结构拓扑结构相同，均包括五个具有一定线宽的圆圈，其中四个圆圈对角排布，另一个置于四个圆圈的对角线的中心，具有该人造微结构图案的超材料具有较好的吸波特性。图7是能够实现极化转换的超材料的人造微结构图案排布，通常为了实现更好的极化角度的改变，采用多层超材料叠加来达到。图7中人造微结构时矩形金属片，多个矩形金属片周期排布在基板上，图6和图7中的虚线仅为了表明每一人造微结构是周期排布，并不代表一实体。图7所示的人造微结构图案可以调整一定的极化角度，若要实现将线极化转圆极化或者圆极化转线极化或者线极化之间的转换，则通过设计多层超材料的人造微结构图案来达到。图8是能够实现波束调制的超材料的人造微结构图案排布。波束调制可以是电磁波的汇聚、发散、偏折等，图8给出的人造微结构图案排布能够实现电磁波的汇聚，类似于雪花状，拓扑结构相同，但尺寸有所变化，越靠近中部的位置，尺寸越大，对应的折射率也就越大，那么就可实现电磁波向超材料的中间靠拢。图8所示的雪花状人造微结构包括两条垂直平分的金属线，在每一金属线的两端连接有金属分支，金属分支的中点位于金属线的端点上。这样的超材料可以应用在卫星天线、微波天线以及远距离传输系统等上面。
因此，本发明提供的复合板、超材料及其加工方法，应用非常广泛，适用于通信领域、卫星通信、电视广播传播等等。
本发明采用直接无胶压合的方式在基板上覆金属箔例如铜箔的加工方法，该加工方法不需要使用胶粘剂，简化了生产工艺、大幅降低了成本，金属箔也不易剥离，因此该复合板可以广泛应用在超材料加工领域以及覆铜板领域。另外采用本发明的复合板可以加工成满足多种功能需求的超材料。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (19)
1.一种复合板，其特征在于，所述复合板包括基板、金属箔，所述基板和金属箔通过热压机直接无胶压合在一起，所述基板由热塑性树脂制成，其中所述热塑性树脂为聚丙烯、聚苯乙烯、聚苯醚、聚苯硫醚、聚酰胺、聚酯或有机硅。
2.根据权利要求1所述的复合板，其特征在于，所述金属箔为铜箔、银箔或铝箔。
3.根据权利要求1所述的复合板，其特征在于，所述金属箔的厚度为0.005～0.15毫米。
4.一种制备权利要求1～3任一项所述的复合板的加工方法，其特征在于，包括以下步骤，
将一基板和一金属箔叠加在一起形成预压复合板，所述基板由热塑性树脂制成；
在所述预压复合板的上、下表面分别设置刚性板，形成一预压整体后再放入热压机进行压合；
将所述预压整体放入热压机内热压压合后再进行降温处理，得到所需的复合板。
5.根据权利要求4所述的复合板的加工方法，其特征在于，在将所述预压整体放入热压机之前还包括：在所述刚性板的另一表面还设置温度缓冲层，形成一预压整体后再放入热压机进行压合。
6.根据权利要求5所述的复合板的加工方法，其特征在于，所述温度缓冲层为牛皮纸。
7.根据权利要求4所述的复合板的加工方法，其特征在于，热压温度范围为80～300℃。
8.根据权利要求4所述的复合板的加工方法，其特征在于，热压温度范围为100～260℃。
9.根据权利要求4所述的复合板的加工方法，其特征在于，热压温度高于基板的玻璃化转变温度，低于基板的熔点。
10.根据权利要求4所述的复合板的加工方法，其特征在于，热压时间范围为15～250分钟。
11.根据权利要求3所述的复合板的加工方法，其特征在于，热压时间范围为20～200分钟。
12.根据权利要求4所述的复合板的加工方法，其特征在于，热压机的热压压力范围为5～60kg/cm2。
13.根据权利要求4所述的复合板的加工方法，其特征在于，所述降温处理包括以1～20℃/min的速率缓慢降温至100℃以下。
14.根据权利要求4所述的复合板的加工方法，其特征在于，所述降温处理是通过水冷冷压机缓慢降温预设时间或在热压机内缓慢降温预设时间。
15.根据权利要求4～14任一项所述的复合板的加工方法，其特征在于，将所述预压整体放入热压机内热压压合是采用分段热压的方式进行压合。
16.根据权利要求4所述的复合板的加工方法，其特征在于，所述刚性板为钢板、钛板、铜板或刚性合金板。
17.一种超材料的加工方法，其特征在于，包括将如权利要求4～16任一项所述的复合板的加工方法制得的复合板上的金属箔加工成所需的人造微结构图案。
18.一种超材料，其特征在于，由权利要求17所述的复合板的加工方法制成。
19.根据权利要求18所述的超材料，其特征在于，所述超材料用于实现对电磁波进行透波、吸波、波束调制、极化转化。
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