CN109437092B - 一种编码阵列结构复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种编码阵列结构复合材料的制备方法，涉及超微型功能器件领域，其采用第一方形丝和第二方形丝按照所需的编码结构在方形丝套管内进行堆积组合，再进行热拉伸、切片，并溶解掉第二方形丝的内芯，得到具有规律排布的孔洞的模板。最后在模板的孔洞中沉积金属，得到编码阵列结构复合材料。该制备方法操作简单方便，对设备要求低，原料易得，具有较低的生产成本。并且其可重复性强，产品性能稳定，可以按照需求的编码结构合成复合材料，实现阵列点的准确定位。一种编码阵列结构复合材料，其采用上述编码阵列结构复合材料的制备方法制备得到，其具有按一定规律编码的阵列结构，在超微型功能器件领域具有重要的应用潜能。

Description

一种编码阵列结构复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及超微型功能器件领域，具体而言，涉及一种编码阵列结构复合材料及其制备方法。

背景技术

具有有序结构的微/nm线阵列材料在传感器、磁记录、光电组件、生物医药等超微型功能器件领域具有重要的应用潜能。在超短超强脉冲激光与物质相互作用的研究中，为了不断提高X射线源的品质，获取高时空分辨和高激光吸收转化效率，金属/低Z材料复合编码阵列结构材料是极具潜力的高时空分辨X射线强辐射源材料。可见，如何控制微/nm线阵列的结构尺寸，使其按照一定规律进行排列、复合，具有十分重要的意义。

编码阵列结构不同于常见的六边形阵列结构，它是指材料中的微/nm阵列点的分布是一种正方形排列的具有特定分布的阵列结构，例如图1所示，微/nm阵列点的直径、间距及长度可根据需要进行设计并准确控制。

要制备微/nm线编码阵列结构复合材料，首先需要研制出微/nm编码阵列结构模板材料，利用模板孔道的尺寸和位置的限制使微/nm线生长成所需的直径、长度，并有一定的排列方式，是制备微/nm线阵列的理想方法。目前国内外现有的模板及制备技术对模板的孔结构尺寸参数的调控范围非常有限，尤其是大长径比模板的制备难度较大，可控性差，生产成本高，效率低，由于模板的尺寸参数限制，很难对微/nm线阵列的结构尺寸进行大范围准确调控，从而限制了微/nm线阵列复合材料的应用范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种编码阵列结构复合材料的制备方法，其操作简单方便，可以按照需求的编码结构合成复合材料，实现阵列点的准确定位。

本发明的另一目的在于提供一种编码阵列结构复合材料，其采用上述编码阵列结构复合材料的制备方法制备得到，其具有按一定规律编码的阵列结构，在超微型功能器件领域具有重要的应用潜能。

本发明的实施例是这样实现的：

一种编码阵列结构复合材料的制备方法，其包括：

S1.将第一方形丝和第二方形丝按照所需的编码结构在方形丝套管内进行堆积组合，得到复合预制材料；

其中，方形丝套管和第一方形丝均由聚合物A制备得到，第二方形丝包括相互套设的外壳和内芯，外壳由聚合物A制备得到，内芯由聚合物B制备得到；聚合物A和聚合物B为不同的聚合物材料，且聚合物B的溶解过程不会对聚合物A造成影响；

S2.对复合预制材料进行热拉伸，得到复合丝；

S3.对复合丝进行切片，并将切片后的复合丝置于有机溶剂中，溶解掉内芯以形成孔洞，同时保留由聚合物A制备得到的其它结构，得到编码结构模板；

S4.在编码结构模板的孔洞内沉积金属，得到编码阵列结构复合材料。

一种编码阵列结构复合材料，其由上述编码阵列结构复合材料的制备方法制备得到。

本发明实施例的有益效果是：

本发明实施例提供一种编码阵列结构复合材料的制备方法，其采用第一方形丝和第二方形丝按照所需的编码结构在方形丝套管内进行堆积组合，再进行热拉伸、切片，并溶解掉第二方形丝的内芯，得到具有规律排布的孔洞的模板。最后在模板的孔洞中沉积金属，得到编码阵列结构复合材料。该制备方法操作简单方便，对设备要求低，原料易得，具有较低的生产成本。并且其可重复性强，产品性能稳定，可以按照需求的编码结构合成复合材料，实现阵列点的准确定位。

本发明实施例还提供了一种编码阵列结构复合材料，其采用上述编码阵列结构复合材料的制备方法制备得到，其具有按一定规律编码的阵列结构，在超微型功能器件领域具有重要的应用潜能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为编码阵列结构的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面对本发明实施例的一种编码阵列结构复合材料及其制备方法进行具体说明。

本发明实施例提供了一种编码阵列结构复合材料的制备方法，其包括：

S1.将第一方形丝和第二方形丝按照所需的编码结构在方形丝套管内进行堆积组合，得到复合预制材料。

其中，方形丝套管和第一方形丝均由聚合物A制备得到，第二方形丝包括相互套设的外壳和内芯，外壳由聚合物A制备得到，内芯由聚合物B制备得到。

进一步地，可以将聚合物A加工而成的第一预制棒，通过热拉伸来形成第一方形丝。第一预制棒的直径为30mm左右，热拉伸过程中温度控制在200～240℃，挤出速度为0.1～5mm/min。挤出时采用正方形口模，正方形口模的边长为0.3～5mm，优选地，正方形口模的边长为0.5～1mm，以此制备出的第一方形丝，其边长为0.3～5mm，优选为0.5～1mm。温度和挤出速度的选择，跟聚合物A的性质有关，既要保证聚合物A具有较佳的流动性，让挤出过程得以顺利完成，又要保证挤出后的产品能够保持形状。通过选择合适的口模、温度和挤出速度来控制丝直径大小。

同样地，将聚合物B制成的芯棒装入聚合物A制成的管套中组成第二预制棒，再通过热拉伸来形成第二方形丝。芯棒的直径为10～15mm，管套的外径约为30mm，内径与芯棒匹配。热拉伸过程中温度控制在200～240℃，挤出速度为0.1～5mm/min。挤出时采用正方形口模，正方形口模的边长为0.3～5mm，优选地，正方形口模的边长为0.5～1mm，以此制备出的第二方形丝，其边长为0.3～5mm，优选为0.5～1mm。温度和挤出速度的选择，跟聚合物A和聚合物B的性质有关，既要保证聚合物A和聚合物B具有较佳的流动性，让挤出过程得以顺利完成，又要保证挤出后的产品能够保持形状。通过选择合适的口模、温度和挤出速度来控制丝直径大小。

值得注意的是，第一方形丝和第二方形丝的边长可以相同，也可以不同。当二者边长不同的时候，可以将二者的边长设置为倍数关系。例如，第一方形丝的边长可以为第二方形丝的2倍、3倍、4倍等，使得在进行堆叠时，第一方形丝的一条边可以同时堆叠2个、3个或4个第二方形丝，使二者的堆叠过程产生更丰富的变化。

优选地，方形丝套管的横截面为外圆内方的形状，其方形的内孔可以与第一方形丝和第二方形丝的边缘更好的贴合。将第一方形丝和第二方形丝在方形丝套管内进行堆积组合后，还需要在140～160℃下熔合2～3h，得到复合预制材料。可选地，在进行熔合之前，还可以先在90～100℃下真空干燥4～6h，去除水分和其它小分子杂质，来提高熔合的质量。

聚合物A和聚合物B为不同的聚合物材料，二者的溶解条件不同，聚合物B的溶解过程不会对聚合物A造成影响，使得后续操作中，可以通过溶解掉聚合物B，来形成模板所需的孔洞。同时，聚合物A和聚合物B的剪切粘度接近，均具有良好的加工性能，使得二者在热拉伸过程中，具有近似的拉伸性能。

进一步地，聚合物A包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚丙烯中的任一种，聚合物B包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯中的任一种。优选地，通常情况下，就溶解容易程度来看，聚苯乙烯、聚碳酸酯＞聚甲基丙烯酸甲酯＞聚乙烯、聚丙烯。当选择聚乙烯或聚丙烯作为聚合物A时，聚合物B可以选择聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯中的任一种。当选择聚甲基丙烯酸甲酯作为聚合物A时，则需要选择聚苯乙烯或聚碳酸酯来作为聚合物B，同时，要注意溶剂条件的选择，避免聚甲基丙烯酸甲酯被溶解。

本发明实施例所提供的一种编码阵列结构复合材料的制备方法，还包括：

S2.对复合预制材料进行热拉伸，得到复合丝。

其中，对复合预制材料的热拉伸是在温度为200～240℃，挤出速度为0.1～5mm/min的条件下进行的。温度和挤出速度的选择，跟聚合物A和聚合物B的性质有关，既要保证聚合物A和聚合物B具有较佳的流动性，让挤出过程得以顺利完成，又要保证挤出后的产品能够保持形状和堆叠好的编码阵列。

在有些情况下，通过一次的热拉伸，受限于设备的尺寸，并考虑到后期的可操作性和实用性(如果丝太细的话，在切片后难以进行后续操作)，一次热拉伸还不能达到最终产品所需的孔洞尺寸。这时候，可以对复合预制材料进行多级热拉伸。每一级的热拉伸后，将得到的预拉伸复合丝固定在由聚合物A制备得到的复合丝套管内熔合后，再进行下一级的热拉伸。复合丝套管的设置，相当于增加了预拉伸复合丝的直径，使其在仪器、材料受限的情况下，可以进一步进行热拉伸，让孔洞尺寸进一步缩小，得到所需的尺寸。

通常情况下，第二预制棒的芯棒直径为10～15mm，经过拉伸制成第二方形丝后，其内芯的直径为200～500μm。通过堆叠形成复合预制材料，经过一级热拉伸后，可以将直径缩小至10～30μm；再经过二级热拉伸后，可以将直径缩小至0.5～10μm，以满足对孔洞尺寸的不同需求。

本发明实施例所提供的一种编码阵列结构复合材料的制备方法，还包括：

S3.对复合丝进行切片，并将切片后的复合丝置于有机溶剂中，溶解掉内芯以形成孔洞，同时保留由聚合物A制备得到的其它结构，得到编码结构模板。

其中，可以将复合丝切成厚度为15～300μm的薄片，再置于有机溶剂中溶解。切片的方式可以采用多级切片，先采用金刚石线切割的方法，获得厚度为数百微米的厚片，再采用研磨抛光的方法获得厚度为数十微米到数百微米不等的模板。或者直接采用切片机切制成厚度数十微米甚至更薄的模板。这也是本技术方法的优势之一，即可以根据需要，制得各种厚度尤其是大厚度的模板材料，而其他模板制备技术的很大问题在于难以制备出微米量级及以上的大厚度的模板。

进一步地，用以对内芯进行溶解的有机溶剂包括环己烷和甲苯中的任一种。有机溶剂的选择需根据聚合物A和聚合物B的材料种类而定，对于聚甲基丙烯酸甲酯作为聚合物A使用的情况，由于聚甲基丙烯酸甲酯本身溶解较好，可以选择环己烷这类溶解性能稍差的溶剂来避免在溶解聚合物B时对聚合物A造成影响。而对于聚乙烯、聚丙烯作为聚合物A的情况，则可以选择溶解性能较好的甲苯等溶剂，来对聚合物B进行溶解。

本发明实施例所提供的一种编码阵列结构复合材料的制备方法，还包括：

S4.在编码结构模板的孔洞内沉积金属，得到编码阵列结构复合材料。

其中，沉积金属的具体方式为电化学沉积，可以用作电化学沉积的金属都可以作为沉积的对象，来得到不同编码阵列结构复合材料。优选地，金属包括金、银、铜、锌和铬中的至少一种。

本发明实施例还提供了一种编码阵列结构复合材料，其采用上述编码阵列结构复合材料的制备方法制备得到，其具有按一定规律编码的阵列结构。其通过调整编码结构和沉积的金属的种类，可以得到不同的编码阵列结构复合材料，具有丰富的变化，在传感器、磁记录、光电组件、生物医药等超微型功能器件领域具有重要的应用潜能。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供了一种编码阵列结构复合材料，其制备方法如下：

S1由直径约29mm的聚甲基丙烯酸甲酯作为第一预制棒，将直径约11mm的聚苯乙烯芯棒装入外径约29mm，内径约11mm的聚甲基丙烯酸甲酯管中组成的第二预制棒；分别对第一预制棒和第二预制棒进行热拉伸得到第一方形丝和第二方形丝。其中，热拉伸的温度为240℃，挤出速度为0.1～0.5mm/min，采用边长为0.5mm的正方形口模。经过热拉伸后，第二方形丝的聚苯乙烯内芯直径约230μm。

S2.按照一定的编码结构对第一方形丝和第二方形丝进行排列，固定在聚甲基丙烯酸甲酯制成的方形丝套管内，在真空烘箱中150℃熔合2小时，得到复合预制材料。

S3.对复合预制材料进行一级热拉伸，一级热拉伸的温度为240℃，挤出速度为1.5～2mm/min，采用直径为2mm的圆形口模。经一级热拉伸制得直径约2mm的预拉伸复合丝，其中聚苯乙烯内芯的直径约20μm，间距约20μm。

S4.对预拉伸复合丝固定在聚甲基丙烯酸甲酯制成的复合丝套管中，在真空烘箱中150℃熔合2h，进行二级热拉伸，得到复合丝。二级热拉伸的温度为240℃，挤出速度为2～3mm/min，采用直径为3mm的圆形口模。经二级热拉伸制得直径约3mm的复合丝，其中聚苯乙烯内芯的直径约2μm，间距约2μm。

S5.先采用金刚石线切割法将上述复合丝切制厚度为300μm的厚片，再采用研磨抛光的方法制得厚度为30μm的薄片；将切好的薄片置于环己烷溶液中，在50℃下溶解去掉聚苯乙烯内芯，获得多孔的编码结构模板。

S6.经磁控溅射镀电极-硫酸铜电解液中电化学沉积，获得铜/聚甲基丙烯酸甲酯的编码阵列结构复合材料。

实施例2

本实施例提供了一种编码阵列结构复合材料，其制备方法如下：

S1由直径约29mm的聚乙烯作为第一预制棒，将直径约14mm的聚苯乙烯芯棒装入外径约29mm，内径约14mm的聚乙烯管中组成的第二预制棒；分别对第一预制棒和第二预制棒进行热拉伸得到第一方形丝和第二方形丝。其中，热拉伸的温度为200℃，挤出速度为0.5～1mm/min，采用边长为1mm的正方形口模。经过热拉伸后，第二方形丝的聚苯乙烯内芯直径约500μm。

S2.按照一定的编码结构对第一方形丝和第二方形丝进行排列，固定在聚乙烯制成的方形丝套管内，在真空烘箱中150℃熔合2小时，得到复合预制材料。

S3.对复合预制材料进行一级热拉伸，一级热拉伸的温度为200℃，挤出速度为1.5～2mm/min，采用直径为2mm的圆形口模。经一级热拉伸制得直径约2mm的预拉伸复合丝，其中聚苯乙烯内芯的直径约30μm，间距约30μm。

S4.对预拉伸复合丝固定在聚乙烯制成的复合丝套管中，在真空烘箱中150℃熔合2h，进行二级热拉伸，得到复合丝。二级热拉伸的温度为200℃，挤出速度为3～5mm/min，采用直径为10mm的圆形口模。经二级热拉伸制得直径约10mm的复合丝，其中聚苯乙烯内芯的直径约10μm，间距约10μm。

S5.先采用金刚石线切割法将上述复合丝切制厚度为300μm的厚片，再采用研磨抛光的方法制得厚度为200μm的薄片；将切好的薄片置于甲苯溶液中溶解去掉聚苯乙烯内芯，获得多孔的编码结构模板。

S6.经磁控溅射镀电极-镀金电解液中电化学沉积，获得金/聚乙烯的编码阵列结构复合材料。

实施例3

本实施例提供了一种编码阵列结构复合材料，其制备方法如下：

S1由直径约29mm的聚丙烯作为第一预制棒，将直径约14mm的聚碳酸酯芯棒装入外径约29mm，内径约14mm的聚丙烯管中组成的第二预制棒；分别对第一预制棒和第二预制棒进行热拉伸得到第一方形丝和第二方形丝。其中，热拉伸的温度为230℃，挤出速度为0.1～0.5mm/min，采用边长为0.5mm的正方形口模。经过热拉伸后，第二方形丝的聚碳酸酯内芯直径约250μm。

S2.按照一定的编码结构对第一方形丝和第二方形丝进行排列，固定在聚丙烯制成的方形丝套管内，在真空烘箱中150℃熔合2小时，得到复合预制材料。

S3.对复合预制材料进行一级热拉伸，一级热拉伸的温度为230℃，挤出速度为0.5～1mm/min，采用直径为1mm的圆形口模。经一级热拉伸制得直径约1mm的预拉伸复合丝，其中聚碳酸酯内芯的直径约10μm，间距约10μm。

S4.对预拉伸复合丝固定在聚丙烯制成的复合丝套管中，在真空烘箱中150℃熔合2h，进行二级热拉伸，得到复合丝。二级热拉伸的温度为230℃，挤出速度为1.5～2mm/min，采用直径为2mm的圆形口模。经二级热拉伸制得直径约2mm的复合丝，其中聚碳酸酯内芯的直径约500nm，间距约500nm。

S5.采用超薄切片机将上述复合丝切成厚度为15μm的薄片；将切好的薄片置于甲苯溶液中溶解去掉聚碳酸酯内芯，获得多孔的编码结构模板。

S6.经磁控溅射镀电极-镀银电解液中电化学沉积，获得银/聚丙烯的编码阵列结构复合材料。

综上所述，本发明实施例提供一种编码阵列结构复合材料的制备方法，其采用第一方形丝和第二方形丝按照所需的编码结构在方形丝套管内进行堆积组合，再进行热拉伸、切片，并溶解掉第二方形丝的内芯，得到具有规律排布的孔洞的模板。最后在模板的孔洞中沉积金属，得到编码阵列结构复合材料。该制备方法操作简单方便，对设备要求低，原料易得，具有较低的生产成本。并且其可重复性强，产品性能稳定，可以按照需求的编码结构合成复合材料，实现阵列点的准确定位。

本发明实施例还提供了一种编码阵列结构复合材料，其采用上述编码阵列结构复合材料的制备方法制备得到，其具有按一定规律编码的阵列结构，在超微型功能器件领域具有重要的应用潜能。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种编码阵列结构复合材料的制备方法，其特征在于，包括：

S1.将第一方形丝和第二方形丝按照所需的编码结构在方形丝套管内进行堆积组合，得到复合预制材料；

其中，所述方形丝套管和所述第一方形丝均由聚合物A制备得到，所述第二方形丝包括相互套设的外壳和内芯，所述外壳由所述聚合物A制备得到，所述内芯由聚合物B制备得到；所述聚合物A和所述聚合物B为不同的聚合物材料，且所述聚合物B的溶解过程不会对所述聚合物A造成影响；

S2.对所述复合预制材料进行热拉伸，得到复合丝；

S3.对所述复合丝进行切片，并将切片后的所述复合丝置于有机溶剂中，溶解掉所述内芯以形成孔洞，同时保留由所述聚合物A制备得到的其它结构，得到编码结构模板；

S4.在所述编码结构模板的所述孔洞内沉积金属，得到所述编码阵列结构复合材料。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚合物A包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚丙烯中的任一种，所述聚合物B包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯中的任一种。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，将所述第一方形丝和所述第二方形丝在所述方形丝套管内进行堆积组合后，在140～160℃下熔合2～3h，得到所述复合预制材料。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，对所述复合预制材料的热拉伸是在温度为200～240℃，挤出速度为0.1～5mm/min的条件下进行的。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一方形丝的边长为0.3～5mm，所述第二方形丝的边长为0.3～5mm。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述第一方形丝的边长为0.5～1mm，所述第二方形丝的边长为0.5～1mm。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述复合丝的直径为0.5～10mm。

8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，对所述复合预制材料进行热拉伸分多级进行，每一级的热拉伸后，将得到的预拉伸复合丝固定在复合丝套管内熔合后，再进行下一级的热拉伸；所述复合丝套管由聚合物A制备得到。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，将所述复合丝切成厚度为15～300μm的薄片，再置于所述有机溶剂中溶解。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂包括环己烷和甲苯中的任一种。

11.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属包括金、银、铜、锌和铬中的至少一种。

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