CN103029403A - 一种介质基板的制备方法及超材料 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种介质基板的制备方法及超材料，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，所述介质基板包括第一有机树脂基板、第二有机树脂基板和块状多孔二氧化硅气凝胶层，所述块状多孔二氧化硅气凝胶层位于所述第一有机树脂基板和第二有机树脂基板之间。其有益效果是：在超材料介质基板中加入一层块状多孔二氧化硅气凝胶，能降低整个超材料介质基板的介电常数，同时通过控制块状多孔二氧化硅气凝胶的厚度，可以进一步控制超材料介质基板的介电常数大小，为超材料的应用提供更为准确和灵活的设计途径；具有轻质、无毒、阻燃、廉价优点。

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，有机树脂基板材料的介电常数一般为3-5之间，而对于超材料的某些应用而言，往往需要更低介电常数的材料作为介质基板，在满足各种机械性能的同时，很难寻找到合适的材料。即使有更低介电常数且满足机械性能要求的材料，其介电常数大小受材料本身性质的决定而无法达到超材料需要的预定值。 

另外，随着超材料应用领域的不断扩大，对超材料介质基板的要求也越 来越高，如绝缘、轻质、无毒、阻燃、廉价等，现有的介质基板材料尚不能满足要求。 

【发明内容】

本发明为解决上述技术问题，提供一种具有较低介电常数且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：一种介质基板的制备方法，包括以下步骤： 

a.制备块状多孔二氧化硅气凝胶； 

b.将块状多孔二氧化硅气凝胶叠放在涂布有有机树脂胶液的第一增强材料上； 

c.在块状多孔二氧化硅气凝胶的上面再叠放涂布有有机树脂胶液的第二增强材料，在加热的条件下进行层压，得到介质基板。 

更好地，所述制备方法还包括：改变所述块状多孔二氧化硅气凝胶的厚度，使所述介质基板具有不同的介电常数。 

具体地，所述有机树脂胶液为热固性有机树脂、固化剂以及有机树脂溶剂的混合物。 

具体地，所述热固性有机树脂为环氧树脂、溴化环氧树脂或环氧酚醛树脂。 

具体地，所述增强材料为玻璃纤维布、陶瓷纤维布、碳纤维布或芳香族聚酰胺纤维布。 

具体地，所述a步骤的制备方法是： 

a1将硅源加入到乙醇和水的混合溶剂中，混合均匀； 

a2调节PH值，静置后形成凝胶； 

a3以乙醇或丙酮作为置换剂，去除所述凝胶内的水； 

a4将乙醇或丙酮进行干燥，再进行热处理，得到块状多孔二氧化硅气凝胶。 

优选地，所述硅源为正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、硅溶胶或水玻璃。 

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，所述介质基板包括第一有机树脂基板、第二有机树脂基板和块状多孔二氧化硅气凝胶层，所述块状多孔二氧化硅气凝胶层位于所述第一有机树脂基板和第二有机树脂基板之间。 

具体地，所述人造微结构为金属铜、银或金，所述有机树脂基板为热固性有机树脂与增强材料组成的复合基板，所述热固性有机树脂为环氧树脂、溴化环氧树脂或环氧酚醛树脂。 

具体地，所述增强材料为玻璃纤维布、陶瓷纤维布、碳纤维布或芳香族聚酰胺纤维布。 

本发明的有益效果是： 

1、根据本发明提供的介质基板的制备方法，在超材料介质基板中加入一层块状多孔二氧化硅气凝胶，由于多孔二氧化硅气凝胶自身具有空气孔隙，而空气具有极低的介电常数，所以能降低整个超材料介质基板的介电常数，相比与现有有机树脂介质基板3-5的介电常数范围，本发明的超材料介质基板介电常数能达到1-2的极低范围，以该种介质基板制得的超材料在整体上能获得极低的介电常数； 

2、通过控制块状多孔二氧化硅气凝胶的厚度，可以进一步控制超材料介质基板的介电常数大小，为超材料的应用提供更为准确和灵活的设计途径； 

3、根据本发明提供一种超材料，其介质基板由上述制备方法制得，具有轻质、无毒、阻燃、廉价优点。 

【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： 

首先制备块状多孔二氧化硅气凝胶，可采用以下方法：以正硅酸乙酯为硅源，取正硅酸乙酯，水和乙醇混合均匀，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的稀盐酸，调节pH值至2.5-3.5，60℃恒温水浴中静置120分钟，加入氨水调节pH值至4左右直至得到凝胶，在室温下老化一天，将所得的湿硅凝胶在无水乙醇中老化30天，最后以二氧化碳为干燥介质，进行超临界干燥，得到块状多孔二氧化硅气凝 胶； 

将块状多孔二氧化硅气凝胶叠放在涂布有环氧树脂胶液的第一玻璃纤维布上，环氧树脂胶液由以下成分配制，将二甲基甲酰胺和乙二醇甲醚搅拌混合，配成混合溶剂，加入双氰胺作为固化剂，加入环氧树脂，搅拌溶解，混合均匀后即得到环氧树脂胶液； 

在块状多孔二氧化硅气凝胶的上面再叠放涂布有环氧树脂胶液的第二玻璃纤维布，在加热的条件下进行层压，使环氧树脂胶液固化，并在固化的同时将块状多孔二氧化硅气凝胶与上下两层玻璃纤维布粘结为一体，得到介质基板。 

进一步的，为继续加工制备超材料，将上述介质基板与铜箔在一定温度和压力下进行压合，即可获得环氧树脂玻璃纤维覆铜板，根据现有PCB电路板的加工工艺，可以很方便地在环氧树脂玻璃纤维覆铜板上通过蚀刻的方法制备出具有特定排列规律的金属铜微结构，进而获得超材料。 

实施例2： 

首先制备块状多孔二氧化硅气凝胶，可采用以下方法：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，60℃恒温水浴保温2小时，滴入质量分数为1.5％的氨水，调节pH值至2.5-3.5，进行二氧化碳超临界干燥，将气凝胶分别在空气中在1000℃温度下进行热处理，得到块状多孔二氧化硅气凝胶； 

将块状多孔二氧化硅气凝胶叠放在涂布有溴化环氧树脂胶液的第一碳纤维布上，溴化环氧树脂胶液由以下成分配制，以丙酮作为溶剂，加入二氨基二苯基甲烷作为固化剂，加入溴化环氧树脂，搅拌溶解，混合均匀后即得到溴化环氧树脂胶液； 

在块状多孔二氧化硅气凝胶的上面再叠放涂布有溴化环氧树脂胶液的第二碳纤维布，在加热的条件下进行层压，使溴化环氧树脂胶液固化，并在固化的同时将块状多孔二氧化硅气凝胶与上下两层碳纤维布粘结为一体，得到介质基板。 

进一步的，为继续加工制备超材料，将上述介质基板与铜箔在一定温度 和压力下进行压合，即可获得溴化环氧树脂碳纤维覆铜板，根据现有PCB电路板的加工工艺，可以很方便地在环氧树脂碳纤维覆铜板上通过蚀刻的方法制备出具有特定排列规律的金属铜微结构，进而获得超材料。 

应当理解：上述实施例中的热固性有机树脂包括但不限于环氧树脂、溴化环氧树脂或环氧酚醛树脂，增强材料包括但不限于玻璃纤维布、陶瓷纤维布、碳纤维布或芳香族聚酰胺纤维布。 

根据上述实施例制备得到的超材料介质基板，由于在超材料介质基板中加入一层块状多孔二氧化硅气凝胶，由于多孔二氧化硅气凝胶自身具有空气孔隙，而空气具有极低的介电常数，所以能降低整个超材料介质基板的介电常数，相比与现有有机树脂介质基板3-5的介电常数范围，本发明的超材料介质基板介电常数能达到1-2的极低范围，以该种介质基板制得的超材料在整体上能获得极低的介电常数；同时，通过控制块状多孔二氧化硅气凝胶的厚度，可以进一步控制超材料介质基板的介电常数大小，为超材料的应用提供更为准确和灵活的设计途径；根据本发明提供一种超材料，其介质基板由上述制备方法制得，具有轻质、无毒、阻燃、廉价优点。 

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 (12)

1.一种介质基板的制备方法，包括以下步骤：

a.制备块状多孔二氧化硅气凝胶；

b.将块状多孔二氧化硅气凝胶叠放在涂布有有机树脂胶液的第一增强材料上；

c.在块状多孔二氧化硅气凝胶的上面再叠放涂布有有机树脂胶液的第二增强材料，在加热的条件下进行层压，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，所述制备方法还包括：改变所述块状多孔二氧化硅气凝胶的厚度，使所述介质基板具有不同的介电常数。

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，所述有机树脂胶液为热固性有机树脂、固化剂以及有机树脂溶剂的混合物。

4.根据权利要求3所述的介质基板的制备方法，其特征在于，所述热固性有机树脂为环氧树脂、溴化环氧树脂或环氧酚醛树脂。

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，所述增强材料为玻璃纤维布、陶瓷纤维布、碳纤维布或芳香族聚酰胺纤维布。

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a步骤的制备方法是：

a1将硅源加入到乙醇和水的混合溶剂中，混合均匀；

a2调节PH值，静置后形成凝胶；

a3以乙醇或丙酮作为置换剂，去除所述凝胶内的水；

a4将乙醇或丙酮进行干燥，再进行热处理，得到块状多孔二氧化硅气凝胶。

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，所述硅源为正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、硅溶胶或水玻璃。

8.一种超材料，包括介质基板以及阵列在介质基板上的多个人造微结构，其特征在于：所述介质基板包括第一有机树脂基板、第二有机树脂基板和块状多孔二氧化硅气凝胶层，所述块状多孔二氧化硅气凝胶层位于所述第一有机树脂基板和第二有机树脂基板之间。

9.根据权利要求8所述的超材料，其特征在于，所述人造微结构为金属铜、银或金。

10.根据权利要求8所述的超材料，其特征在于，所述有机树脂基板为热固性有机树脂与增强材料组成的复合基板。

11.根据权利要求10所述的超材料，其特征在于，所述热固性有机树脂为环氧树脂、溴化环氧树脂或环氧酚醛树脂。

12.根据权利要求10所述的超材料，其特征在于，所述增强材料为玻璃纤维布、陶瓷纤维布、碳纤维布或芳香族聚酰胺纤维布。