一种介质基板的制备方法及超材料技术

本发明专利技术提供了一种介质基板的制备方法以及应用该介质基板的超材料，通过本发明专利技术介质基板的制备方法，得到的介质基板以纤维增强材料为基底，基底上附着有二氧化硅气凝胶层，二氧化硅气凝胶层沿厚度方向具有不同的孔隙度，介质基板沿厚度方向孔隙度的不同使得介质基板的介电常数在厚度方向呈非均匀的分布，这为超材料的功能设计提供了一种新的设计途径，特别是对于在三维空间内对超材料进行功能设计、以及超材料的阻抗匹配设计等问题的解决提供了极大的方便。

【技术实现步骤摘要】
一种介质基板的制备方法及超材料
本专利技术涉及超材料领域，具体地涉及超材料介质基板材料的制备技术。
技术介绍
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，加州大学的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。超材料的基本结构由介质基板以及阵列在介质基板上的多个人造微结构组成，阵列在介质基板上的多个人造微结构具有特定的电磁特性，能对电场或磁场产生电磁响应， 通过对人造微结构的结构和排列规律进行精确设计可以控制超材料各个基本单元的等效介电常数和等效磁导率，从而使超材料呈现出各种一般材料所不具有的电磁特性，如能汇聚、发散和偏折电磁波等。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， 介质基板沿厚度方向的介电常数大小一般为均勻分布，对于超材料的某些功能设计如三维空间内电磁参数设计、阻抗匹配等而言，需要介质基板的介电常数大小特别是沿厚度方向呈非均勻的分布，这成为现有技术亟待解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术提供一种介质基板的制备方法以及具有该介质基板的超材料，以实现超材料介质基板的介电常数大小呈非均勻分布。本专利技术实现专利技术目的采用的技术方案是，一种介质基板的制备方法，包括以下步骤a.将硅源加入到乙醇和水的混合溶剂中，混合均勻后，得到二氧化硅溶胶；b.在一模具的底部平放一层纤维增强材料，将所述二氧化硅溶胶倒入所述模具内，调节PH值后静置，使所述二氧化硅溶胶老化形成凝胶；c.以乙醇或丙酮作为置换剂，去除所述凝胶内的水，脱模后得到凝胶块；d.将所述凝胶块置于一平板上，通过平板以热传导的方式进行均勻加热，控制温度为80-120°C，直至凝胶完全干燥，使凝胶形成沿厚度方向具有不同孔隙度的二氧化硅气凝胶，制得介质基板。更好地，所述d步骤中，在凝胶完全干燥后还包括一热处理步骤，所述热处理步骤为控制所述平板的加热温度为700-900°C，并维持1-3小时。更好地，所述a步骤中，所述混合溶剂中还加入有干燥控制添加剂，所述干燥控制添加剂为甲酰胺和乙二醇。更好地，所述c步骤中，去除所述凝胶内的水后，还包括以表面修饰剂对所述凝胶进行疏水处理。优选地，所述表面修饰剂为三甲基氯硅烷。具体实施时，所述硅源为正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、硅溶胶或水玻璃。具体实施时，所述b步骤中，调节pH值为2-4或11-13。本专利技术还提供一种超材料，包括介质基板以及阵列在介质基板上的多个人造微结构，所述介质基板以纤维增强材料为基底，所述基底上附着有二氧化硅气凝胶层，所述二氧化硅气凝胶层沿厚度方向具有不同的孔隙度。更好地，所述二氧化硅气凝胶层的孔隙度在80-90%的范围内连续变化。具体实施时，所述纤维增强材料为玻璃纤维布或有机纤维布。本专利技术的有益效果是通过本专利技术介质基板的制备方法，得到的介质基板以纤维增强材料为基底，基底上附着有二氧化硅气凝胶层，二氧化硅气凝胶层沿厚度方向具有不同的孔隙度，介质基板沿厚度方向孔隙度的不同使得介质基板的介电常数在厚度方向呈非均勻的分布，这为超材料的功能设计提供了一种新的设计途径，特别是对于在三维空间内对超材料进行功能设计、以及超材料的阻抗匹配设计等问题的解决提供了极大的方便。附图说明图1，实施例1超材料的平面结构示意图。图2，超材料的剖面结构示意图。图3，实施例2超材料的平面结构示意图。具体实施方式实施例1一种介质基板的制备方法，包括以下步骤a.以正硅酸乙酯为硅源，取正硅酸乙酯104克，水31. 5克，乙醇92-460克混合均勻，摩尔比相当于正硅酸乙酯水乙醇为1 3.5 4-20，得到二氧化硅溶胶；b.在一模具的底部平放一层玻璃纤维布，将上述二氧化硅溶胶倒入模具内，逐滴加入浓度为0. 35mol/L的氨水，调节pH值至2. 5-3. 5，静置，使二氧化硅溶胶老化形成凝胶；c.以乙醇或丙酮作为置换剂，去除凝胶内的水，脱模后得到凝胶块；；d.将凝胶块置于不锈钢平板上，通过不锈钢平板以热传导的方式进行均勻加热， 控制温度为80°C，直至凝胶完全干燥，制得介质基板。由于气凝胶本身是很好的纳米多孔隔热材料，因此温度将沿着气凝胶厚度方向递减，温度的递减使得形成的二氧化硅气凝胶的孔隙度沿厚度方向递增，由于空气的介电常数低，大约为1，因此，随着孔隙度的递增，二氧化硅气凝胶的介电常数沿厚度方向递减。在上述制得的介质基板上覆铜，通过蚀刻或激光雕刻的方法在介质基板上制作出具有一定形状和排布规律的人造金属铜微结构，得到超材料，本实施例制得的超材料的介质基板1上阵列有工字型人造微结构2，介质基板1以玻璃纤维布11为基底，所述基底上附着有二氧化硅气凝胶层12，二氧化硅气凝胶层12沿厚度方向具有不同的孔隙度，超材料的平面结构示意图参看附图1，超材料的剖面结构示意图参看附图2。对于超材料而言，阵列在介质基板1上的多个人造微结构2具有特定的电磁特性，能对电场或磁场产生电磁响应， 通过对人造微结构2的结构和排列规律进行精确设计可以控制超材料各个基本单元的等效介电常数和等效磁导率，而等效介电常数是有介质基板1以及固定在介质基板1上的人造微结构2所共同决定，本实施例中，介质基板沿厚度方向孔隙度的不同使得介质基板1的介电常数在厚度方向呈非均勻的分布，这为超材料的功能设计提供了一种新的设计途径， 特别是对于在三维空间内对超材料进行功能设计、以及超材料的阻抗匹配设计等问题的解决提供了极大的方便。实施例2一种介质基板的制备方法，包括以下步骤a.将正硅酸甲酯水乙醇HCl按1 3. 5 8 8. 4X IO"4的摩尔比混合得到混合溶液，为提高气孔率，可加入甲酰胺和乙二醇作为干燥控制剂，60°C恒温水浴保温2 小时，得到二氧化硅溶胶；b.在一模具的底部平放一层有机纤维布，将上述二氧化硅溶胶倒入模具内，逐滴滴入质量分数为1. 5%的盐酸，调节pH值至11-12，静置，使二氧化硅溶胶老化形成凝胶；c.以乙醇或丙酮作为置换剂，去除凝胶内的水，以表面修饰剂三甲基氯硅烷对所述凝胶进行疏水处理，脱模后得到凝胶块；；d.将凝胶块置于不锈钢平板上，通过不锈钢平板以热传导的方式进行均勻加热， 控制温度为120°C，直至凝胶完全干燥；然后再进行热处理步骤控制不锈钢平板的加热温度为700-900°C，并维持1-3小时，使凝胶形成沿厚度方向具有不同孔隙度的二氧化硅气凝胶，制得介质基板。由于气凝胶本身是很好的纳米多孔隔热材料，因此温度将沿着气凝胶厚度方向递减，温度的递减使得形成的二氧化硅气凝胶的孔隙度沿厚度方向递增，由于空气的介电常数低，大约为1，因此，随着孔隙度的递增，二氧化硅气凝胶的介电常数沿厚度方向递减。在上述制得的介质基板上覆铜，通过蚀刻或激光雕刻的方法在介质基板上制作出具有一定形状和排布规律的人造金属铜微结构，得到超材料，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘若鹏，赵治亚，缪锡根，李雪，金曦，
申请(专利权)人：深圳光启高等理工研究院，
类型：发明
国别省市：