專利名稱：一種超材料介質(zhì)基板的制備方法
一種超材料介質(zhì)基板的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超材料領(lǐng)域，具體地涉及超材料介質(zhì)基板材料的制備技術(shù)。
背景技術(shù)：
超材料是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料。通過(guò)在材料的關(guān)鍵物理尺度上的結(jié)構(gòu)有序設(shè)計(jì)，可以突破某些表觀自然規(guī)律的限制，從而獲得超出自然界固有的普通性質(zhì)的超常材料功能。超材料的性質(zhì)和功能主要來(lái)自于其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)而非構(gòu)成它們的材料，因此，為設(shè)計(jì)和合成超材料，人們進(jìn)行了很多研究工作。2000年，加州大學(xué)的Smith等人指出周期性排列的金屬線和開(kāi)環(huán)共振器(SRR)的復(fù)合結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ同時(shí)為負(fù)的雙負(fù)材料，也稱左手材料。之后他們又通過(guò)在印刷電路板(PCB)上制作金屬線和SRR復(fù)合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了二維的雙負(fù)材料。 超材料的基本結(jié)構(gòu)由介質(zhì)基板以及陣列在介質(zhì)基板上的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)組成，陣列在介質(zhì)基板上的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)具有特定的電磁特性，能對(duì)電場(chǎng)或磁場(chǎng)產(chǎn)生電磁響應(yīng)，通過(guò)對(duì)人造微結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和排列規(guī)律進(jìn)行精確設(shè)計(jì)可以控制超材料各個(gè)基本單元的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率，從而使超材料呈現(xiàn)出各種一般材料所不具有的電磁特性，如能匯聚、發(fā)散和偏折電磁波等?，F(xiàn)有的超材料人造微結(jié)構(gòu)一般為金屬材料,而介質(zhì)基板一般采用有機(jī)樹(shù)脂基板，有機(jī)樹(shù)脂基板材料的介電常數(shù)一般為3-5之間，而對(duì)于超材料的某些應(yīng)用而言，往往需要更低介電常數(shù)的材料作為介質(zhì)基板，在滿足各種機(jī)械性能的同時(shí)，很難尋找到合適的材料。即使有更低介電常數(shù)且滿足機(jī)械性能要求的材料，其介電常數(shù)大小受材料本身性質(zhì)的決定而無(wú)法達(dá)到超材料需要的預(yù)定值。另外，隨著超材料應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，對(duì)超材料介質(zhì)基板的要求也越來(lái)越高，如絕緣、輕質(zhì)、無(wú)毒、阻燃、廉價(jià)等，現(xiàn)有的介質(zhì)基板材料尚不能滿足要求。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題，提供一種具有較低介電常數(shù)且大小可控的超材料介質(zhì)基板的制備方法。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的采用的技術(shù)方案是一種超材料介質(zhì)基板的制備方法，包括以下步驟a.制備多孔二氧化硅氣凝膠粉體；b.在有機(jī)單體的水溶液中加入交聯(lián)劑和分散劑，制得混合溶液，在混合溶液中多孔二氧化硅氣凝膠粉體得到懸浮液；c.在所述懸浮液中加入固化引發(fā)劑，得到混合漿料；d.以陶瓷纖維布為增強(qiáng)材料，使陶瓷纖維布上浸潤(rùn)有所述混合漿料；e.將浸潤(rùn)有混合漿料的陶瓷纖維布在60-120°C的溫度下干燥，固化后得到超材料介質(zhì)基板。
具體實(shí)施時(shí)，所述多孔二氧化硅氣凝膠粉體的加入量為混合溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的30-80 %，通過(guò)控制所述多孔二氧化硅氣凝膠粉體的加入量，控制制得的超材料介質(zhì)基板的介電常數(shù)。更好地，所述c步驟還包括將所述混合漿料進(jìn)行抽真空處理，去除所述混合漿料中的氣泡。更好地，所述e步驟后還包括在50-70°C水浴條件下，將所述超材料介質(zhì)基板在
三甲基氯硅烷或二甲基二乙氧基硅烷中浸泡20-40分鐘。優(yōu)選地，所述有機(jī)單體為丙烯酰胺單體或甲基丙烯酰胺單體或甲基丙烯酸單體。
優(yōu)選地，所述交聯(lián)劑為亞甲基雙丙烯酰胺、二丙烯酒石酸二酰胺或聚二甲基丙烯酸。優(yōu)選地，所述分散劑為聚丙烯酰胺。優(yōu)選地，所述固化引發(fā)劑為過(guò)硫酸銨、雙氧水或鹽酸偶氮。優(yōu)選地，所述有機(jī)單體的水溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10-20%。優(yōu)選地，所述交聯(lián)劑的質(zhì)量為有機(jī)單體的1/30-1/20。優(yōu)選地，所述分散劑的質(zhì)量為多孔二氧化硅氣凝膠粉體的1_2%。本發(fā)明的有益效果是I、根據(jù)本發(fā)明提供超材料介質(zhì)基板的制備方法，在超材料介質(zhì)基板的材料中加入了多孔二氧化硅氣凝膠粉體，由于多孔二氧化硅氣凝膠粉體自身具有空氣孔隙，而空氣具有極低的介電常數(shù)，所以能降低整個(gè)超材料介質(zhì)基板的介電常數(shù)，相比與現(xiàn)有有機(jī)樹(shù)脂介質(zhì)基板3-5的介電常數(shù)范圍，本發(fā)明的超材料介質(zhì)基板介電常數(shù)能達(dá)到1-2的極低范圍；2、通過(guò)控制二氧化硅氣凝膠粉體的加入量，可以進(jìn)一步控制超材料介質(zhì)基板的介電常數(shù)大小，為超材料的應(yīng)用提供更為準(zhǔn)確和靈活的設(shè)計(jì)途徑；3、根據(jù)本發(fā)明提供超材料介質(zhì)基板的制備方法,超材料介質(zhì)基板具有輕質(zhì)、無(wú)毒、阻燃、廉價(jià)優(yōu)點(diǎn)。
具體實(shí)施方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例I :首先制備多孔二氧化硅氣凝膠粉體，可采用以下方法以正硅酸乙酯為硅源，取正硅酸乙酯，水和乙醇混合均勻，摩爾比相當(dāng)于正硅酸乙酯水乙醇為I : 3.5 : 4-20，逐滴加入濃度為O. 35mol/L的稀鹽酸，調(diào)節(jié)pH值至2. 5-3. 5，60°C恒溫水浴中靜置120分鐘，加入氨水調(diào)節(jié)PH值至4左右直至得到凝膠，在室溫下老化一天，將所得的濕硅凝膠在無(wú)水乙醇中老化30天，最后以二氧化碳為干燥介質(zhì)，進(jìn)行超臨界干燥，得到多孔二氧化硅氣凝膠粉體；以丙稀酰胺為單體，配制濃度為15mass%的丙稀酰胺單體的水溶液，加入亞甲基雙丙稀酰胺為交聯(lián)劑，丙稀酰胺與亞甲基雙丙稀酰胺的質(zhì)量比為24 1，加入聚丙烯酰胺作為分散劑，得到混合溶液，加入混合溶液70%質(zhì)量比的多孔二氧化硅氣凝膠粉體，聚丙烯酰胺質(zhì)量可為多孔二氧化硅氣凝膠粉體的I %，混合球磨時(shí)間48小時(shí)，制備成固相體積分?jǐn)?shù)70vOl%的懸浮液，再向已經(jīng)制備好的懸浮液中加入O. 15ν01%的四甲基乙二胺作為催化劑，O. 4ν01%的過(guò)硫酸銨水溶液(過(guò)硫酸銨水溶液的濃度為5mass% )作為固化引發(fā)劑，攪拌均勻后得到混合漿料，抽真空5分鐘，除去混合漿料中的氣泡后，將混合漿料注入到放置有陶瓷纖維布的模具后，置于60°C的水浴中恒溫15分鐘；脫模后室溫下干燥48小時(shí)，然后放入60°C的烘箱中干燥12小時(shí)，再在110°C的溫度下干燥24小時(shí)，最后得到以陶瓷纖維布為增強(qiáng)材料的超材料介質(zhì)基板。實(shí)施例2:首先制備多孔二氧化硅氣凝膠粉體，可采用以下方法將正硅酸甲酯水乙醇HCl按I : 3.5 : 8 : 8. 4X 10_4的摩爾比混合得到混合溶液，60°C恒溫水浴保溫2小時(shí)，滴入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為I. 5%的氨水，調(diào)節(jié)pH值至2. 5-3. 5，進(jìn)行二氧化碳超臨界干燥，將氣凝膠分別在空氣中在KKKTC溫度下進(jìn)行熱處理，得到多孔二氧化硅氣凝膠粉體；以甲基丙稀酰胺為單體，配制濃度為15maSS%的甲基丙稀酰胺水溶液，以二丙稀 基酒石酸二酰胺為交聯(lián)劑，甲基丙稀酰胺二丙稀基酒石酸二酰胺為24 1，加入聚丙烯酰胺作為分散劑，得到混合溶液，加入混合溶液50%質(zhì)量比的多孔二氧化硅氣凝膠粉體，聚丙烯酰胺質(zhì)量可為多孔二氧化硅氣凝膠粉體的I %，混合球磨時(shí)間24小時(shí)，制備成固相體積分?jǐn)?shù)50vol%的懸浮液，再向已經(jīng)制備好的懸浮液中加入O. 4vol%的雙氧水作為固化引發(fā)劑，攪拌均勻后得到混合漿料，抽真空5分鐘，除去混合漿料中的氣泡后，將陶瓷纖維布浸潤(rùn)到混合漿料中，取出后，置于60°C的水浴中恒溫30分鐘；放入60°C的烘箱中干燥24小時(shí)，再在110°C的溫度下干燥24小時(shí)，得到超材料介質(zhì)基板，在60°C水浴條件下，將制得的超材料介質(zhì)基板在三甲基氯硅烷或二甲基二乙氧基硅烷中浸泡30分鐘，以進(jìn)行疏水處理。根據(jù)上述實(shí)施例制備得到的超材料介質(zhì)基板，在超材料介質(zhì)基板的材料中加入了多孔二氧化硅氣凝膠粉體，由于多孔二氧化硅氣凝膠粉體自身具有空氣孔隙，而空氣具有極低的介電常數(shù)，所以能降低整個(gè)超材料介質(zhì)基板的介電常數(shù)，相比與現(xiàn)有有機(jī)樹(shù)脂介質(zhì)基板3-5的介電常數(shù)范圍，本發(fā)明的超材料介質(zhì)基板介電常數(shù)能達(dá)到1-2的極低范圍；本發(fā)明通過(guò)控制二氧化硅氣凝膠粉體的加入量，可以進(jìn)一步控制超材料介質(zhì)基板的介電常數(shù)大小，為超材料的應(yīng)用提供更為準(zhǔn)確和靈活的設(shè)計(jì)途徑；同時(shí)，本發(fā)明的超材料介質(zhì)基板還具有輕質(zhì)、無(wú)毒、阻燃、廉價(jià)的優(yōu)點(diǎn)。在上述實(shí)施例中，僅對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了示范性描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀本專利申請(qǐng)后可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種修改。
權(quán)利要求
1.一種超材料介質(zhì)基板的制備方法，包括以下步驟 a.制備多孔二氧化硅氣凝膠粉體； b.在有機(jī)單體的水溶液中加入交聯(lián)劑和分散劑，制得混合溶液，在混合溶液中多孔二氧化硅氣凝膠粉體得到懸浮液； c.在所述懸浮液中加入固化引發(fā)劑，得到混合漿料； d.以陶瓷纖維布為增強(qiáng)材料，使陶瓷纖維布上浸潤(rùn)有所述混合漿料； e.將浸潤(rùn)有混合漿料的陶瓷纖維布在60-120°C的溫度下干燥，固化后得到超材料介質(zhì)基板。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超材料介質(zhì)基板的制備方法，其特征在于，所述多孔二氧化硅氣凝膠粉體的加入量為混合溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的30-80%，通過(guò)控制所述多孔二氧化硅氣凝膠粉體的加入量，控制制得的超材料介質(zhì)基板的介電常數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超材料介質(zhì)基板的制備方法，其特征在于，所述c步驟還包括將所述混合漿料進(jìn)行抽真空處理，去除所述混合漿料中的氣泡。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超材料介質(zhì)基板的制備方法，其特征在于，所述e步驟后還包括在50-70°C水浴條件下，將所述超材料介質(zhì)基板在三甲基氯硅烷或二甲基二乙氧基硅烷中浸泡20-40分鐘。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超材料介質(zhì)基板的制備方法，其特征在于，所述有機(jī)單體為丙烯酰胺單體或甲基丙烯酰胺單體或甲基丙烯酸單體。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超材料介質(zhì)基板的制備方法，其特征在于，所述交聯(lián)劑為亞甲基雙丙烯酰胺、二丙烯酒石酸二酰胺或聚二甲基丙烯酸。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超材料介質(zhì)基板的制備方法，其特征在于，所述分散劑為聚丙烯酰胺。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超材料介質(zhì)基板的制備方法，其特征在于，所述固化引發(fā)劑為過(guò)硫酸銨、雙氧水或鹽酸偶氮。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超材料介質(zhì)基板的制備方法，其特征在于，所述有機(jī)單體的水溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10-20%。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超材料介質(zhì)基板的制備方法，其特征在于，所述交聯(lián)劑的質(zhì)量為有機(jī)單體的1/30-1/20。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超材料介質(zhì)基板的制備方法，其特征在于，所述分散劑的質(zhì)量為多孔二氧化硅氣凝膠粉體的1_2%。
全文摘要
本發(fā)明提供一種超材料介質(zhì)基板的制備方法，包括以下步驟制備多孔二氧化硅氣凝膠粉體；在有機(jī)單體的水溶液中加入交聯(lián)劑、分散劑和多孔二氧化硅氣凝膠粉體得到懸浮液；在所述懸浮液中加入固化引發(fā)劑，得到混合漿料；以陶瓷纖維布為增強(qiáng)材料，浸潤(rùn)有所述混合漿料，干燥并固化后得到超材料介質(zhì)基板。其有益效果是能降低整個(gè)超材料介質(zhì)基板的介電常數(shù)；通過(guò)控制二氧化硅氣凝膠粉體的加入量，可以進(jìn)一步控制超材料介質(zhì)基板的介電常數(shù)大小，為超材料的應(yīng)用提供更為準(zhǔn)確和靈活的設(shè)計(jì)途徑；還具有輕質(zhì)、無(wú)毒、阻燃、廉價(jià)優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C04B38/00GK102964140SQ20111025644
公開(kāi)日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2011年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月31日
發(fā)明者劉若鵬, 趙治亞, 繆錫根, 李雪 申請(qǐng)人:深圳光啟高等理工研究院, 深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司