CN103288444A - 一种陶瓷复合材料及其制备的超材料 - Google Patents

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刘若鹏
徐冠雄
缪锡根
安娜·玛丽亚·劳拉·博卡内格拉
林云燕
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Abstract

本发明提供一种陶瓷复合材料及其制备的超材料，超材料包括基板和阵列在基板上周期性排布的微结构，基板由陶瓷复合材料制成，该陶瓷复合材料按质量百分比包括90％～94％的BaTiO3的主晶相、2％～5％的SiO2、2％～5％的Al2O3和1％～5％的Nd2O3，利用该陶瓷复合材料制备的基板的介电常数可以达到38左右，同时损耗的正切角也可以降低到0.0001左右；并且利用该陶瓷复合材料制备的超材料的基板致密、均匀、机械性能良好，该基板介电常数高、损耗低，适合在超材料领域内推广、使用。

Description

一种陶瓷复合材料及其制备的超材料
【技术领域】
本发明涉及超材料领域，尤其涉及一种陶瓷复合材料及其制备的超材料。
【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，杜克大学的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。
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，往往需要比较高的介电常数材料作为介质基板，在满足各种机械性能的同时，很难寻找到合适的材料。
但是如果使用一些高介电常数、低损耗的材料，制备的产品机械性能不仅良好、致密、均匀，也可以制备成不同的形状来满足工业上的需求；
市面上的介质陶瓷材料包括钛酸钡和一些氧化物，虽然该介质陶瓷材料制备的基板的介电常数比较高、损耗比较低，但达不到超材料对高介电常数(例如大于30)的要求。
【发明内容】
本发明所要解决的第一个技术问题是：提供一种陶瓷复合材料，该陶瓷复合材料制成的基板介电常数高、损耗低；
本发明所要解决的第二个技术问题是：利用该陶瓷复合材料制成的基板作为超材料的基板，从而使得超材料的介电常数高、损耗低。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种陶瓷复合材料，按质量百分比包括90％～94％的主晶相、2％～5％的SiO2、2％～5％的Al2O3和1％～5％的Nd2O3。
所述的主晶相为BaTiO3。
所述的BaTiO3采用BaO、TiO2煅烧制得。
所述的主晶相、SiO2、Al2O3和Nd2O3的粒度都为0.5～1微米。
一种超材料，包括基板和阵列在基板上周期性排布的微结构，所述的基板由陶瓷复合材料制成，所述的陶瓷复合材料按质量百分比包括90％～94％的主晶相、2％～5％的SiO2、2％～5％的Al2O3和1％～5％的Nd2O3。
所述的主晶相为BaTiO3。
所述的BaTiO3采用BaO、TiO2煅烧制得。
所述的主晶相、SiO2、Al2O3和Nd2O3的粒度都为0.5～1微米。
本发明的有益效果为：超材料基板由陶瓷复合材料制成，该陶瓷复合材料由BaTiO3、SiO2、Al2O3和Nd2O3组成，利用该陶瓷复合材料制备的基板介电常数可以达到38左右，损耗的正切角可以降低到0.0001左右；并且制备出的基板致密、均匀、机械性能良好，可以广泛应用在超材料上，作为超材料的基板。
【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。
一种超材料，包括基板和阵列在基板上周期性排布的微结构，所述的基板由陶瓷复合材料制成，所述的陶瓷复合材料按质量百分比包括90％～94％的BaTiO3的主晶相、2％～5％的SiO2、2％～5％的Al2O3和1％～5％的Nd2O3，该BaTiO3采用BaO、TiO2煅烧制得；采用BaTiO3作为主晶相可以进一步提高基板的介电常数，同时加入少许Nd2O3可以提高基板的品质因素，并且添加SiO2和Al2O3降低烧结温度；BaTiO3、SiO2、Al2O3和Nd2O3的粒度都为0.5～1微米。
利用上述配方的陶瓷复合材料制成的基板，介电常数可以达到38左右，损耗的正切角可以降低到0.0001；并且制备出的基板致密、均匀、机械性能良好，可以广泛应用在超材料上，作为超材料的基板。
实施例一：
按一定比例将BaO、TiO2混合煅烧，将9O％的BaTiO3、4％SiO2、2％Al2O3和4％的Nd2O3利用热等静压技术在温度1250℃、压强200MPa条件下将上述材料烧结2小时，制备出所需的超材料的基板；经检测，所获得的基板的介电常数为38、损耗正切角为0.0001；也可以采用放电等离子烧结技术制备上述超材料基板。
实施例二：
按一定比例将BaO、TiO2混合煅烧，将92％的BaTiO3、2％SiO2、2％Al2O3和4％的Nd2O3利用热等静压技术在温度1200℃、压强200MPa条件下将上述材料烧结1.5小时，制备出所需的超材料的基板；经检测，所获得的基板的介电常数为38、损耗正切角为0.0001；也可以采用放电等离子烧结技术制备上述超材料基板。
实施例三：
按一定比例将BaO、TiO2混合煅烧，将94％的BaTiO3、2％的SiO2、2％Al2O3和2％的Nd2O3利用热等静压技术在温度1250℃、压强250MPa条件下将上述材料烧结3小时，制备出所需的超材料的基板；经检测，所获得的基板的介电常数为38、损耗正切角为0.0001；也可以采用放电等离子烧结技术制备上述超材料基板。
上述超材料基板综上所述，利用配方为90％～94％的BaTiO3的主晶相、2％～5％的SiO2、2％～5％的Al2O3和1％～5％的Nd2O3的陶瓷复合材料制成的超材料基板，其基板的介电常数可以达到38、同时损耗正切角降低到0.0001。
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 (8)

1.一种陶瓷复合材料，其特征在于：按质量百分比包括90％～94％的主晶相、2％～5％的SiO2、2％～5％的Al2O3和1％～5％的Nd2O3。
2.根据权利要求1所述的陶瓷复合材料，其特征在于：所述的主晶相为BaTiO3。
3.根据权利要求2所述的陶瓷复合材料，其特征在于：所述的BaTiO3采用BaO、TiO2煅烧制得。
4.根据权利要求1所述的陶瓷复合材料，其特征在于：所述的主晶相、SiO2、Al2O3和Nd2O3的粒度都为0.5～1微米。
5.一种超材料，包括基板和阵列在基板上周期性排布的微结构，其特征在于：所述的基板由陶瓷复合材料制成，所述的陶瓷复合材料按质量百分比包括90％～94％的主晶相、2％～5％的SiO2、2％～5％的Al2O3和1％～5％的Nd2O3。
6.根据权利要求5所述的超材料，其特征在于：所述的主晶相为BaTiO3。
7.根据权利要求5所述的超材料，其特征在于：所述的BaTiO3采用BaO、TiO2煅烧制得。
8.根据权利要求5所述的超材料，其特征在于：所述的主晶相、SiO2、Al2O3和Nd2O3的粒度都为0.5～1微米。
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