CN104649678A - 在陶瓷材料表面形成导电几何结构的方法以及陶瓷基超材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在陶瓷材料表面形成导电几何结构的方法以及陶瓷基超材料。本发明所提出的在陶瓷材料表面形成导电几何结构的方法,包括以下步骤:提供一陶瓷基板,该陶瓷基板表面具有微孔;在该陶瓷基板表面涂上陶瓷浆料,使各微孔中填充有陶瓷浆料;以及在该陶瓷基板表面丝网印刷导电浆料,形成导电几何机构。本发明具有使得导电几何结构在陶瓷基板表面的分布精度得到提高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料的制备方法,尤其是涉及一种在陶瓷材料表面形成导电几何结构的方法,以及按照该方法制备的陶瓷基超材料。
背景技术
超材料(Metamaterial)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。超材料的奇特性质源于其精密的几何结构以及尺寸大小。超材料中的微结构,大小尺度小于它作用的波长,因此得以对波施加影响。迄今发展出的超材料包括左手材料、光子晶体、超磁性材料等。左手(LH)材料是一类在一定的频段下同时具有负的磁导率和负的介电常数的材料系统(对电磁波的传播形成负的折射率)。与之相对的是,大多数自然的材料是RH材料。超材料的奇异性质使它具有广泛的应用前景,从高接收率天线,雷达反射罩甚至是地震预警。
从结构上看,超材料是由非金属材料制成的基板和附着在基板表面上或嵌入在基板内部的多个导电几何结构构成的。基板可以虚拟地划分为阵列排布的多个基板单元。每个基板单元上附着有导电几何结构,从而形成一个超材料单元。整个超材料是由很多这样的超材料单元组成的,就像晶体是由无数的晶格按照一定的排布构成的。每个超材料单元上的导电几何结构可以相同或者不完全相同。导电几何结构是由导电材料组成的具有一定几何图形的平面或立体结构。
由于导电几何结构的存在,每个超材料单元具有不同于基板本身的电磁特性,因此所有的超材料单元构成的超材料对电场和磁场呈现出特殊的响应特性。通过对导电几何结构设计不同的具体结构和形状,可以改变整个超材料的响应特性。
由于需要各超材料单元对电磁波具有预先精确设计的响应特性,这就要求导电几何结构在基板上的分布是十分精确的。
为了满足超材料所需的电学特性、机械强度和热学性能,目前经常使用在陶瓷基板上形成导电图案的方案。在陶瓷材料上形成导电图案的研究已十分广泛,以下举例说明:
方法一是选择性化学镀形成图案,之后电镀加厚膜图案。但该方法的局限性较明显,因为化学镀反应难控制,反应物容易渗入多孔的陶瓷基板,造成杂质和介电损耗增加,且孤立(即不连通)的图案不能进行电镀加厚膜的工序。
方法二是压印法,即用一种凹凸板涂上金属油墨,然后印在陶瓷表面上。但该方法法的精度难以控制。
方法三是在某种基体上涂上金属导电油墨,使其面对待印表面,且有一较小间距,然后用激光按图案扫描,所扫之处的油墨就会转落在待印陶瓷表面。这一方法的优点是精度高,但要有较贵的激光设备。
方法四是将导电油墨打印在某种纸或塑料膜上,然后贴在陶瓷表面上,除上纸或膜将留下导电油墨图案。
方法五是丝网印刷,它是通过丝网网版将导电浆料印在陶瓷表面上。中国专利公开CN102757229A披露了一种金属-陶瓷复合材料的制备方法,该方法就使用丝网印刷将金属浆料印刷在流延成型的陶瓷生坯的表面,然后在900℃~1400℃的真空或惰性气体环境中进行烧结。中国专利公开CN102757229A所披露的共形陶瓷超材料制备方法也是使用丝网印刷来制备导电图案。然而在实际实施时,常规的丝网印刷方法所获得的导电图案精度并不理想。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种在陶瓷材料表面形成导电几何结构的方法,以提高导电几何结构在陶瓷材料表面上的分布精度。
本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提出一种在陶瓷材料表面形成导电几何结构的方法,包括以下步骤:
提供一陶瓷基板,该陶瓷基板表面具有微孔;
在该陶瓷基板表面涂上陶瓷浆料,使各微孔中填充有陶瓷浆料;以及
在该陶瓷基板表面丝网印刷导电浆料,形成导电几何机构。
在本发明的一实施例中,该微孔的孔径小于5μm。
在本发明的一实施例中,该陶瓷基板的表面粗糙度Ra在0.4-3.2μm之间。
在本发明的一实施例中,该陶瓷浆料中陶瓷粉末为亚微米粉末。
在本发明的一实施例中,该陶瓷浆料中陶瓷粉末为纳米粉末。
在本发明的一实施例中,该陶瓷浆料中的陶瓷粉末为氧化硅粉末、氧化铝粉末、石英玻璃粉末中的一种或多种的混合物。
在本发明的一实施例中,该导电浆料包含的金属为银、铂、钼、钨、银钯合金中的一种或多种的混合物。
在本发明的一实施例中,该导电几何结构的线条宽度≥70μm。
在本发明的一实施例中,该导电几何结构的线条厚度是7-20μm。
本发明还提出一种制备陶瓷基超材料的方法,包括以下步骤:
提供一陶瓷基板,该陶瓷基板表面具有微孔;
在该陶瓷基板表面涂上陶瓷浆料,使各微孔中填充有陶瓷浆料;以及
在该陶瓷基板表面丝网印刷导电浆料,形成导电几何结构;
制备流延片;
将该流延片贴附在该陶瓷基板的印有导电几何结构的表面上;
烧结该陶瓷基板,获得陶瓷基超材料。
在本发明的一实施例中,该微孔的孔径小于5μm。
在本发明的一实施例中,该陶瓷基板的表面粗糙度Ra在0.4-3.2μm之间。
在本发明的一实施例中,该陶瓷浆料中陶瓷粉末为亚微米粉末。
在本发明的一实施例中,该陶瓷浆料中陶瓷粉末为纳米粉末。
在本发明的一实施例中,该陶瓷浆料中的陶瓷粉末为氧化硅粉末、氧化铝粉末、石英玻璃粉末中的一种或多种的混合物。
在本发明的一实施例中,该导电浆料包含的金属为银、铂、钼、钨、银钯合金中的一种或多种的混合物。
在本发明的一实施例中,该导电几何结构的线条宽度≥70μm。
在本发明的一实施例中,该导电几何结构的线条厚度是7-20μm。
在本发明的一实施例中,该流延片为陶瓷-玻璃混合体系流延片。
在本发明的一实施例中,将该流延片贴附在该陶瓷基板的印有导电几何结构的表面上的方法为真空热压。
在本发明的一实施例中,将该流延片贴附在该陶瓷基板的印有导电几何结构的表面上的方法为温等静压。
在本发明的一实施例中,烧结该陶瓷基板的温度在900~1500℃之间。
本发明还提出一种按照上述的在陶瓷材料表面形成导电几何结构的方法获得的具有导电几何结构的陶瓷基板。
本发明还提出一种按照上述的制备陶瓷基超材料的方法获得的陶瓷基超材料。
本发明由于采用以上技术方案,使之与现有技术相比,通过在丝网印刷之前选择具有微孔的陶瓷基板并用陶瓷浆料进行封孔处理,可以控制丝网印刷导电浆料的扩散,使丝网印刷的精度得到提高。并且,在烧结工序中提高导电几何机构与陶瓷基板表面的结合强度,使得与陶瓷基板表面结合牢固的导电几何机构将更不容易因为收缩而变形。因此,本发明使得导电几何结构在陶瓷基板表面的分布精度得到提高。
附图说明
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂,以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明,其中:
图1示出根据本发明一实施例的在陶瓷材料表面形成导电几何结构的方法流程图。
图2示出根据本发明一实施例的陶瓷基超材料的制备方法流程图。
图3A示出根据本发明一实施例的陶瓷基板剖视图。
图3B示出根据本发明一实施例的陶瓷基板俯视图。
图4示出根据本发明一实施例的陶瓷基超材料剖视图。
图5示出根据本发明一实施例的陶瓷基超材料剖视图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明,在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明,但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎,因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。
本发明实施例提出在陶瓷材料表面形成导电几何结构的方法,这一方法是基于丝网印刷。丝网印刷尽管适于在陶瓷材料表面形成导电几何结构,但是其精度有改进空间。本发明的实施例提出在丝网印刷之前,对陶瓷材料表面进行预处理,以提高导电几何结构在陶瓷材料表面上的分布精度。
图1示出根据本发明一实施例的在陶瓷材料表面形成导电几何结构的方法流程图。参照图1所示,方法流程如下:
在步骤101,提供一陶瓷基板,该陶瓷基板表面具有微孔。
在步骤102,在陶瓷基板表面涂上陶瓷浆料,使各微孔中填充有陶瓷浆料。
在步骤103,在陶瓷基板表面丝网印刷导电浆料,形成导电几何机构。
这一方法中,步骤102所进行的是表面封孔处理。经过表面封孔处理,陶瓷基板表面可以更为平整。更为重要的是,陶瓷基板的微孔中填充有陶瓷浆料。陶瓷浆料中包含了陶瓷粉末。这一处理的一个优点是可以控制步骤103中导电浆料的扩散。导电浆料的扩散得到控制,意味着丝网印刷的精度得到提高。另一优点是在后续制备超材料的烧结步骤中,可以提高导电几何机构与陶瓷基板表面的结合强度。与陶瓷基板表面结合牢固的导电几何机构将更不容易因为收缩而变形。
因此上述两个优点的共同结果是,导电几何结构在陶瓷基板表面的分布精度得到提高。
在此实施例中,陶瓷基板可以是一平面基板。因陶瓷基板的微孔的一个作用是在后续步骤中吸入陶瓷浆料中的陶瓷粉末,因此需要选择具有合适的孔径微孔的陶瓷基板。在一实施例中,陶瓷基板的微孔孔径<5μm。
在确定了微孔孔径后,陶瓷粉末的粒径可选择为亚微米粉末。更进一步,陶瓷粉末可选择为纳米粉末。陶瓷粉末的材料例如可以为氧化硅、氧化铝、石英玻璃。陶瓷粉末可以是前述材料中的一种,也可以是前述材料中多种的混合物。
在步骤102中,陶瓷浆料可为水性浆料,例如硅溶胶(SiO2 Sol)与氧化硅干粉混合成的水性浆料。
可以理解,陶瓷基板的表面粗糙度对于导电几何结构与陶瓷基板表面之间的结合强度会有影响,因此可以选择合适表面粗糙度的陶瓷基板。然而,仍需考虑到过于不平整的陶瓷基板会影响导电几何结构的附着。在本发明的实施例中,选择Ra为介于0.4-3.2μm之间的粗糙度。
在步骤103中,丝印导电浆料所形成的导电几何结构的线条宽度≥70μm。导电几何结构的线条厚度是7-20μm。
在步骤103中,导电浆料中包含的金属可为银、铂、钼、钨、银钯合金等。导电浆料可以从这些金属或其它金属中选择一种,或者选择几种组成混合物。由于各种金属的熔点不同,因此陶瓷基板的材料需要能够与所选择的金属共烧。例如,如果导电浆料中包含的金属为银(熔点为960.8℃),则陶瓷基板需要适合900℃左右的低温烧结温度。
在本实施例中,可以在陶瓷基板的其中一面或者两面上丝网印刷,形成导电几何结构。
图3A示出根据本发明一实施例的陶瓷基板剖面示意图。参照图3A所示,陶瓷基板31的其中一个表面上附着有导电几何结构32。
图3B示出根据本发明一实施例的陶瓷基板俯视图。参照图3B所示,在陶瓷基板31表面形成了包含横线32a和纵线32b的导电几何结构32。然而可以理解,导电几何结构可以是其它的形状,在此不作限制。
在获得了具有导电几何结构的陶瓷基板后,可以在此基础上制备陶瓷基超材料。
图2示出根据本发明一实施例的陶瓷基超材料的制备方法流程图。参照图2所示,方法流程如下:
在步骤201,提供一陶瓷基板,该陶瓷基板表面具有微孔。
在步骤202,在陶瓷基板表面涂上陶瓷浆料,使各微孔中填充有陶瓷浆料。
在步骤203,在陶瓷基板表面丝网印刷导电浆料,形成导电几何机构。
步骤201-203的细节与图1所示实施例的步骤101-103相同,在此不再展开描述。
在步骤204,制备流延片。这一流延片用于覆盖和保护导电几何结构。
在步骤205,将流延片贴附在陶瓷基板的印有导电几何结构的表面上。
在步骤206,烧结该陶瓷基板,获得陶瓷基超材料。
在步骤204中,流延片是以流延法形成的生坯。流延片的材质通常与陶瓷基板接近,这使得流延片与陶瓷基板间有所期望的粘结力。适应于导电几何机构的金属材质的熔点限制,流延片也需能与导电几何机构共烧。例如,如果导电浆料中包含的金属为银(熔点为960.8℃),则流延片可以选择适合900℃左右的低温烧结温度的陶瓷-玻璃混合体系流延片。
在步骤205中,将流延片贴附在陶瓷基板的印有导电几何结构的表面上的方法可以为真空热压或温等静压。
在步骤206中,烧结该陶瓷基板的温度在900~1500℃之间。具体温度可以参考导电几何机构的熔点来确定。
图4示出根据本发明一实施例的陶瓷基超材料剖视图。参照图4所示,在陶瓷基板41的其中一个表面上附着有导电几何结构42,然后在导电几何结构42上贴附有流延片43。
图5示出根据本发明一实施例的陶瓷基超材料剖视图。在陶瓷基板51的两个相对表面上都附着有导电几何结构52,然后在导电几何结构52上分别贴附有流延片53。
下面例举本发明实际实施的例子。
实例1
使用石英陶瓷基板(可以从山东陶瓷研究设计院商业获得),表面粗糙度Ra=0.8μm,有细小微孔,孔隙度达10%,孔径<3μm。用硅溶胶基浆料对石英陶瓷基板的其中一个表面进行封孔处理,使氧化硅粉末进入微孔内。
接着,在石英陶瓷基板经过处理的表面上以银基导电浆料进行丝网印刷,形成银基导电几何结构。
然后,用熔融石英陶瓷粉和介质玻璃粉(熔点在700-800℃)制成流延生瓷片。
之后,将流延生瓷片覆盖于印有导电几何结构的石英陶瓷基板表面上,进行热压,烧结。
测试结果发现该实例的导电几何结构的形状和尺寸得到精确控制。
实例2
使用反应烧结氮化硅平板作为陶瓷基板。氮化硅平板表面也有孔隙,可以用Al2O3-Y2O3-SiO2浆料体系做表面封孔处理,再用砂纸或刮板除去多余浆料。
接着,在氮化硅平板经过封孔处理的表面上以钼(Mo)基导电浆料进行丝网印刷,形成钼基导电几何结构。
然后,可以用高熔点介质玻璃粉制成流延片,之后用压力将流延片压合在氮化硅的表面上。
最后在气氛保持炉中,在1500℃的条件下,用氩(Ar)气保护,制得陶瓷基超材料。
虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述,但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到,以上的实施例仅是用来说明本发明,在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换,因此,只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。
Claims (24)
1.一种在陶瓷材料表面形成导电几何结构的方法,包括以下步骤:
提供一陶瓷基板,该陶瓷基板表面具有微孔;
在该陶瓷基板表面涂上陶瓷浆料,使各微孔中填充有陶瓷浆料;以及
在该陶瓷基板表面丝网印刷导电浆料,形成导电几何机构。
2.如权利要求1所述的在陶瓷材料表面形成导电几何结构的方法,其特征在于,该微孔的孔径小于5μm。
3.如权利要求1所述的在陶瓷材料表面形成导电几何结构的方法,其特征在于,该陶瓷基板的表面粗糙度Ra在0.4-3.2μm之间。
4.如权利要求2所述的在陶瓷材料表面形成导电几何结构的方法,其特征在于,该陶瓷浆料中陶瓷粉末为亚微米粉末。
5.如权利要求2所述的在陶瓷材料表面形成导电几何结构的方法,其特征在于,该陶瓷浆料中陶瓷粉末为纳米粉末。
6.如权利要求1所述的在陶瓷材料表面形成导电几何结构的方法,其特征在于,该陶瓷浆料中的陶瓷粉末为氧化硅粉末、氧化铝粉末或石英玻璃粉末。
7.如权利要求1所述的在陶瓷材料表面形成导电几何结构的方法,其特征在于,该导电浆料包含的金属为银、铂、钼、钨、或银钯合金。
8.如权利要求1所述的在陶瓷材料表面形成导电几何结构的方法,其特征在于,该导电几何结构的线条宽度≥70μm。
9.如权利要求1所述的在陶瓷材料表面形成导电几何结构的方法,其特征在于,该导电几何结构的线条厚度是7-20μm。
10.一种制备陶瓷基超材料的方法,包括以下步骤:
提供一陶瓷基板,该陶瓷基板表面具有微孔;
在该陶瓷基板表面涂上陶瓷浆料,使各微孔中填充有陶瓷浆料;以及
在该陶瓷基板表面丝网印刷导电浆料,形成导电几何结构;
制备流延片;
将该流延片贴附在该陶瓷基板的印有导电几何结构的表面上;
烧结该陶瓷基板,获得陶瓷基超材料。
11.如权利要求10所述的制备陶瓷基超材料的方法,其特征在于,该微孔的孔径小于5μm。
12.如权利要求10所述的制备陶瓷基超材料的方法,其特征在于,该陶瓷基板的表面粗糙度Ra在0.4-3.2μm之间。
13.如权利要求11所述的制备陶瓷基超材料的方法,其特征在于,该陶瓷浆料中陶瓷粉末为亚微米粉末。
14.如权利要求11所述的制备陶瓷基超材料的方法,其特征在于,该陶瓷浆料中陶瓷粉末为纳米粉末。
15.如权利要求10所述的制备陶瓷基超材料的方法,其特征在于,该陶瓷浆料中的陶瓷粉末为氧化硅粉末、氧化铝粉末、石英玻璃粉末中的一种或多种的混合物。
16.如权利要求10所述的制备陶瓷基超材料的方法,其特征在于,该导电浆料包含的金属为银、铂、钼、钨、银钯合金中的一种或多种的混合物。
17.如权利要求10所述的制备陶瓷基超材料的方法,其特征在于,该导电几何结构的线条宽度≥70μm。
18.如权利要求10所述的制备陶瓷基超材料的方法,其特征在于,该导电几何结构的线条厚度是7-20μm。
19.如权利要求10所述的制备陶瓷基超材料的方法,其特征在于,该流延片为陶瓷-玻璃混合体系流延片。
20.如权利要求10所述的制备陶瓷基超材料的方法,其特征在于,将该流延片贴附在该陶瓷基板的印有导电几何结构的表面上的方法为真空热压。
21.如权利要求10所述的制备陶瓷基超材料的方法,其特征在于,将该流延片贴附在该陶瓷基板的印有导电几何结构的表面上的方法为温等静压。
22.如权利要求10所述的制备陶瓷基超材料的方法,其特征在于,烧结该陶瓷基板的温度在900~1500℃之间。
23.一种按照权利要求1-9任一项的方法获得的具有导电几何结构的陶瓷基板。
24.一种按照权利要求10-22任一项的方法获得的陶瓷基超材料。
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