專利名稱：一種介質(zhì)基板的制備方法及超材料的制作方法
一種介質(zhì)基板的制備方法及超材料技術(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。
現(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， 介質(zhì)基板沿厚度方向的介電常數(shù)大小一般為均勻分布，對(duì)于超材料的某些功能設(shè)計(jì)如三維空間內(nèi)電磁參數(shù)設(shè)計(jì)、阻抗匹配等而言，需要介質(zhì)基板的介電常數(shù)大小特別是沿厚度方向呈非均勻的分布，這成為現(xiàn)有技術(shù)亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種介質(zhì)基板的制備方法以及具有該介質(zhì)基板的超材料，以實(shí)現(xiàn)超材料介質(zhì)基板的介電常數(shù)大小呈非均勻分布。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的采用的技術(shù)方案是，一種介質(zhì)基板的制備方法，包括以下步驟
a.將硅源加入到乙醇和水的混合溶劑中，混合均勻后，得到二氧化硅溶膠；
b.在一模具的底部平放一層纖維增強(qiáng)材料，將所述二氧化硅溶膠倒入所述模具內(nèi)，調(diào)節(jié)PH值后靜置，使所述二氧化硅溶膠老化形成凝膠；
c.以乙醇或丙酮作為置換劑，去除所述凝膠內(nèi)的水，脫模后得到凝膠塊；
d.將所述凝膠塊置于一平板上，通過(guò)平板以熱傳導(dǎo)的方式進(jìn)行均勻加熱，控制溫度為80-120°C，直至凝膠完全干燥，使凝膠形成沿厚度方向具有不同孔隙度的二氧化硅氣凝膠，制得介質(zhì)基板。
更好地，所述d步驟中，在凝膠完全干燥后還包括一熱處理步驟，所述熱處理步驟為控制所述平板的加熱溫度為700-900°C，并維持1-3小時(shí)。
更好地，所述a步驟中，所述混合溶劑中還加入有干燥控制添加劑，所述干燥控制添加劑為甲酰胺和乙二醇。
更好地，所述c步驟中，去除所述凝膠內(nèi)的水后，還包括以表面修飾劑對(duì)所述凝膠進(jìn)行疏水處理。
優(yōu)選地，所述表面修飾劑為三甲基氯硅烷。
具體實(shí)施時(shí)，所述硅源為正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、硅溶膠或水玻璃。
具體實(shí)施時(shí)，所述b步驟中，調(diào)節(jié)pH值為2-4或11-13。
本發(fā)明還提供一種超材料，包括介質(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)，所述介質(zhì)基板以纖維增強(qiáng)材料為基底，所述基底上附著有二氧化硅氣凝膠層，所述二氧化硅氣凝膠層沿厚度方向具有不同的孔隙度。
更好地，所述二氧化硅氣凝膠層的孔隙度在80-90%的范圍內(nèi)連續(xù)變化。
具體實(shí)施時(shí)，所述纖維增強(qiáng)材料為玻璃纖維布或有機(jī)纖維布。
本發(fā)明的有益效果是通過(guò)本發(fā)明介質(zhì)基板的制備方法，得到的介質(zhì)基板以纖維增強(qiáng)材料為基底，基底上附著有二氧化硅氣凝膠層，二氧化硅氣凝膠層沿厚度方向具有不同的孔隙度，介質(zhì)基板沿厚度方向孔隙度的不同使得介質(zhì)基板的介電常數(shù)在厚度方向呈非均勻的分布，這為超材料的功能設(shè)計(jì)提供了一種新的設(shè)計(jì)途徑，特別是對(duì)于在三維空間內(nèi)對(duì)超材料進(jìn)行功能設(shè)計(jì)、以及超材料的阻抗匹配設(shè)計(jì)等問(wèn)題的解決提供了極大的方便。

圖1，實(shí)施例1超材料的平面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2，超材料的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3，實(shí)施例2超材料的平面結(jié)構(gòu)示意圖。具體實(shí)施方式

實(shí)施例1
一種介質(zhì)基板的制備方法，包括以下步驟
a.以正硅酸乙酯為硅源，取正硅酸乙酯104克，水31. 5克，乙醇92-460克混合均勻，摩爾比相當(dāng)于正硅酸乙酯水乙醇為1 3.5 4-20，得到二氧化硅溶膠；
b.在一模具的底部平放一層玻璃纖維布，將上述二氧化硅溶膠倒入模具內(nèi)，逐滴加入濃度為0. 35mol/L的氨水，調(diào)節(jié)pH值至2. 5-3. 5，靜置，使二氧化硅溶膠老化形成凝膠；
c.以乙醇或丙酮作為置換劑，去除凝膠內(nèi)的水，脫模后得到凝膠塊；；
d.將凝膠塊置于不銹鋼平板上，通過(guò)不銹鋼平板以熱傳導(dǎo)的方式進(jìn)行均勻加熱， 控制溫度為80°C，直至凝膠完全干燥，制得介質(zhì)基板。由于氣凝膠本身是很好的納米多孔隔熱材料，因此溫度將沿著氣凝膠厚度方向遞減，溫度的遞減使得形成的二氧化硅氣凝膠的孔隙度沿厚度方向遞增，由于空氣的介電常數(shù)低，大約為1，因此，隨著孔隙度的遞增，二氧化硅氣凝膠的介電常數(shù)沿厚度方向遞減。
在上述制得的介質(zhì)基板上覆銅，通過(guò)蝕刻或激光雕刻的方法在介質(zhì)基板上制作出具有一定形狀和排布規(guī)律的人造金屬銅微結(jié)構(gòu)，得到超材料，本實(shí)施例制得的超材料的介質(zhì)基板1上陣列有工字型人造微結(jié)構(gòu)2，介質(zhì)基板1以玻璃纖維布11為基底，所述基底上附著有二氧化硅氣凝膠層12，二氧化硅氣凝膠層12沿厚度方向具有不同的孔隙度，超材料的平面結(jié)構(gòu)示意圖參看附圖1，超材料的剖面結(jié)構(gòu)示意圖參看附圖2。對(duì)于超材料而言，陣列在介質(zhì)基板1上的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)2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)2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，而等效介電常數(shù)是有介質(zhì)基板1以及固定在介質(zhì)基板1上的人造微結(jié)構(gòu)2所共同決定，本實(shí)施例中，介質(zhì)基板沿厚度方向孔隙度的不同使得介質(zhì)基板1的介電常數(shù)在厚度方向呈非均勻的分布，這為超材料的功能設(shè)計(jì)提供了一種新的設(shè)計(jì)途徑， 特別是對(duì)于在三維空間內(nèi)對(duì)超材料進(jìn)行功能設(shè)計(jì)、以及超材料的阻抗匹配設(shè)計(jì)等問(wèn)題的解決提供了極大的方便。
實(shí)施例2
一種介質(zhì)基板的制備方法，包括以下步驟
a.將正硅酸甲酯水乙醇HCl按1 3. 5 8 8. 4X IO"4的摩爾比混合得到混合溶液，為提高氣孔率，可加入甲酰胺和乙二醇作為干燥控制劑，60°C恒溫水浴保溫2 小時(shí)，得到二氧化硅溶膠；
b.在一模具的底部平放一層有機(jī)纖維布，將上述二氧化硅溶膠倒入模具內(nèi)，逐滴滴入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1. 5%的鹽酸，調(diào)節(jié)pH值至11-12，靜置，使二氧化硅溶膠老化形成凝膠；
c.以乙醇或丙酮作為置換劑，去除凝膠內(nèi)的水，以表面修飾劑三甲基氯硅烷對(duì)所述凝膠進(jìn)行疏水處理，脫模后得到凝膠塊；；
d.將凝膠塊置于不銹鋼平板上，通過(guò)不銹鋼平板以熱傳導(dǎo)的方式進(jìn)行均勻加熱， 控制溫度為120°C，直至凝膠完全干燥；然后再進(jìn)行熱處理步驟控制不銹鋼平板的加熱溫度為700-900°C，并維持1-3小時(shí)，使凝膠形成沿厚度方向具有不同孔隙度的二氧化硅氣凝膠，制得介質(zhì)基板。由于氣凝膠本身是很好的納米多孔隔熱材料，因此溫度將沿著氣凝膠厚度方向遞減，溫度的遞減使得形成的二氧化硅氣凝膠的孔隙度沿厚度方向遞增，由于空氣的介電常數(shù)低，大約為1，因此，隨著孔隙度的遞增，二氧化硅氣凝膠的介電常數(shù)沿厚度方向遞減。
在上述制得的介質(zhì)基板上覆銅，通過(guò)蝕刻或激光雕刻的方法在介質(zhì)基板上制作出具有一定形狀和排布規(guī)律的人造金屬銅微結(jié)構(gòu)，得到超材料，本實(shí)施例制得的超材料的介質(zhì)基板1上陣列有開(kāi)口環(huán)型人造微結(jié)構(gòu)2，介質(zhì)基板1以有機(jī)纖維布11為基底，所述基底上附著有二氧化硅氣凝膠層12，二氧化硅氣凝膠層12沿厚度方向具有不同的孔隙度，超材料的平面結(jié)構(gòu)示意圖參看附圖3，超材料的剖面結(jié)構(gòu)示意圖參看附圖2。對(duì)于超材料而言， 陣列在介質(zhì)基板1上的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)2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)2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，而等效介電常數(shù)是有介質(zhì)基板1以及固定在介質(zhì)基板1上的人造微結(jié)構(gòu)2所共同決定，本實(shí)施例中，介質(zhì)基板沿厚度方向孔隙度的不同使得介質(zhì)基板1的介電常數(shù)在厚度方向呈非均勻的分布，這為超材料的功能設(shè)計(jì)提供了一種新的設(shè)計(jì)途徑，特別是對(duì)于在三維空間內(nèi)對(duì)超材料進(jìn)行功能設(shè)計(jì)、以及超材料的阻抗匹配設(shè)計(jì)等問(wèn)題的解決提供了極大的方便。
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
1.一種介質(zhì)基板的制備方法，其特征在于，包括以下步驟a.將硅源加入到乙醇和水的混合溶劑中，混合均勻后，得到二氧化硅溶膠；b.在一模具的底部平放一層纖維增強(qiáng)材料，將所述二氧化硅溶膠倒入所述模具內(nèi)，調(diào)節(jié)PH值后靜置，使所述二氧化硅溶膠老化形成凝膠；c.以乙醇或丙酮作為置換劑，去除所述凝膠內(nèi)的水，脫模后得到凝膠塊；d.將所述凝膠塊置于一平板上，通過(guò)平板以熱傳導(dǎo)的方式進(jìn)行均勻加熱，控制溫度為 80-120°C，直至凝膠完全干燥，使凝膠形成沿厚度方向具有不同孔隙度的二氧化硅氣凝膠， 制得介質(zhì)基板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的介質(zhì)基板的制備方法，其特征在于，所述d步驟中，在凝膠完全干燥后還包括一熱處理步驟，所述熱處理步驟為控制所述平板的加熱溫度為 700-900°C，并維持1-3小時(shí)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的介質(zhì)基板的制備方法，其特征在于，所述a步驟中，所述混合溶劑中還加入有干燥控制添加劑，所述干燥控制添加劑為甲酰胺和乙二醇。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的介質(zhì)基板的制備方法，其特征在于，所述c步驟中，去除所述凝膠內(nèi)的水后，還包括以表面修飾劑對(duì)所述凝膠進(jìn)行疏水處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的介質(zhì)基板的制備方法，其特征在于，所述表面修飾劑為三甲基氣娃焼。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的介質(zhì)基板的制備方法，其特征在于，所述硅源為正硅酸乙酯、 正硅酸甲酯、硅溶膠或水玻璃。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的介質(zhì)基板的制備方法，其特征在于，所述b步驟中，調(diào)節(jié)pH值為 2-4 或 11-13。
8.一種超材料，包括介質(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)，其特征在于 所述介質(zhì)基板以纖維增強(qiáng)材料為基底，所述基底上附著有二氧化硅氣凝膠層，所述二氧化硅氣凝膠層沿厚度方向具有不同的孔隙度。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的超材料，其特征在于，所述二氧化硅氣凝膠層的孔隙度在 80-90 %的范圍內(nèi)連續(xù)變化。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的超材料，其特征在于，所述纖維增強(qiáng)材料為玻璃纖維布或有機(jī)纖維布。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種介質(zhì)基板的制備方法以及應(yīng)用該介質(zhì)基板的超材料，通過(guò)本發(fā)明介質(zhì)基板的制備方法，得到的介質(zhì)基板以纖維增強(qiáng)材料為基底，基底上附著有二氧化硅氣凝膠層，二氧化硅氣凝膠層沿厚度方向具有不同的孔隙度，介質(zhì)基板沿厚度方向孔隙度的不同使得介質(zhì)基板的介電常數(shù)在厚度方向呈非均勻的分布，這為超材料的功能設(shè)計(jì)提供了一種新的設(shè)計(jì)途徑，特別是對(duì)于在三維空間內(nèi)對(duì)超材料進(jìn)行功能設(shè)計(jì)、以及超材料的阻抗匹配設(shè)計(jì)等問(wèn)題的解決提供了極大的方便。
文檔編號(hào)C01B33/158GK102531520SQ201110336520
公開(kāi)日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2011年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月31日
發(fā)明者劉若鵬, 李雪, 繆錫根, 趙治亞, 金曦 申請(qǐng)人:深圳光啟高等理工研究院