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及超材料，通过本发明专利技术介质基板的制备方法，能得到以多孔硅石气凝胶为基体并镶嵌有钛酸锶钡陶瓷的介质基板，可这使得介质基板的介电常数在整体上呈现出跳跃式的变化，这为超材料的电磁性能适应某些应用提供了一种新的设计途径；介质基板以多孔硅石气凝胶为基体具有轻质的优点，能减少整个超材料的重量；同时，通过控制钛酸锶钡中锶和钡的摩尔比，可以实现对钛酸锶钡陶瓷介电常数的调节；通过控制钛酸锶钡陶瓷几何形状和放置位置，在介质基板上可以任意地改变局部区域的介电常数，从而可以方便地对介质基板的介电常数分布进行设计，进而实现对介质基板介电常数的分布规律进行任意设计。

【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, 介质基板的介电常数大小一般为均匀分布，对于超材料的某些应用而言，需要介质基板的介电常数大小呈非均匀的分布，并且该非均匀分布的规律需要人为可控，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匀分布。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.制备具有一定几何形状的钛酸锶钡陶瓷；b.将硅源加入到乙醇和水的混合溶剂中，混合均匀后，调节pH值，得到溶胶，在形成凝胶之前将所述钛酸锶钡陶瓷置于所述溶胶中；c.静置使所述溶胶老化形成凝胶，以乙醇或丙酮作为置换剂，去除所述凝胶内的水；d.将乙醇或丙酮进行干燥，再进行热处理，使所述凝胶形成多孔硅石气凝胶，得到以所述多孔硅石气凝胶为基体并镶嵌有钛酸锶钡陶瓷的介质基板。具体地，所述步骤a中，钛酸锶钡陶瓷的制备方法如下al、将用于制备钛酸锶钡的有机或无机钡源、有机或无机锶源、有机或无机钛源按照Ba(1_x)SrxTiO3的化学计量比混合,其中x为0_1之间的任意实数；a2、在上述混合物中加入粘结剂，采用干压成型的方法获得具有一定几何形状的坯体；a3、将所述坯体在还原性气氛中以1200-1500°C的高温进行烧结，得到钛酸锶钡陶瓷。具体地，所述钡源为碳酸钡，所述锶源为碳酸锶、所述钛源为二氧化钛。具体地，所述粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛。作为具体实施方式，所述坯体的几何形状为棱柱体或圆柱体或以不规则面为底面的柱体。具体地，所述还原性气氛为空气或体积分数为5%氢气和95%氮气的混合气体气氛。具体地，所述步骤b中，所述混合溶胶剂中还加入有干燥控制剂，所述干燥控制剂为甲酰胺和乙二醇。具体地，所述硅源为正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、硅溶胶或水玻璃。更好地，所述b步骤中，调节pH值为2-4或11-13。更好地，所述b步骤中， 所述混合溶剂中还加入二氧化钛粉体或玻璃纤维作为添加剂。更好地，所述c步骤中，去除所述凝胶内的水后还包括用表面修饰剂对所述凝胶进行疏水处理。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，所述介质基板以多孔硅石气凝胶为基体，所述多孔硅石气凝胶内镶嵌有具有一定几何形状的钛酸锶钡陶瓷。作为具体实施方式，所述钛酸锶钡陶瓷的几何形状为棱柱体或圆柱体或以不规则面为底面的柱体。更好地，所述钛酸锶钡陶瓷设置有多个，所述多个钛酸锶钡陶瓷呈一定的间隔距离依次排列。本专利技术的有益效果是1、通过本专利技术介质基板的制备方法，能得到以多孔硅石气凝胶为基体并镶嵌有钛酸锶钡陶瓷的介质基板，该介质基板中，多孔硅石气凝胶由于具有大量的孔隙结构，其介电常数很低，能接近于空气的介电常数，而钛酸锶钡陶瓷则具有极高的介电常数，这使得介质基板的介电常数在整体上呈现出跳跃式的变化，这为超材料的电磁性能适应某些应用提供了一种新的设计途径；2、介质基板以多孔硅石气凝胶为基体具有轻质的优点，能减少整个超材料的重3、通过控制钛酸锶钡中锶和钡的摩尔比，可以实现对钛酸锶钡陶瓷介电常数的调节;4、通过控制钛酸锶钡陶瓷几何形状和放置位置，在介质基板上可以任意地改变局部区域的介电常数，从而可以方便地对介质基板的介电常数分布进行设计，进而实现对介质基板介电常数的分布规律进行任意设计。附图说明图1，实施例1超材料的平面结构示意图。图2，图1的A-A剖面结构示意图。图3，实施例2超材料的平面结构示意图。图4，图3的B-B剖面结构示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进行详细说明。实施例1一种介质基板的制备方法，包括以下步骤a.制备钛酸锶钡陶瓷；以碳酸钡作为钡源、碳酸锶作为锶源、二氧化钛为钛源，按照Baa2Sra8TiO3的化学计量比混合，球磨干燥后，以聚乙烯醇缩丁醛(PVB)为粘结剂，通过干压成型的方法制得条形柱体状坯体，在1200-1500°C下，在5% H2气氛下烧结4-20小时， 成型后的得到条形柱体状钛酸锶钡陶瓷(Baa2Sra8TiO3)，制备多个条形柱体状钛酸锶钡陶瓷备用。b.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，逐滴加入浓度为O. 35mol/L的氨水，调节pH值至2. 5-3. 5，得到溶胶，在形成凝胶之前将多个条形柱体状钛酸锶钡陶瓷按照均匀间距依次排列，放置于溶胶中，；c.静置30天，使溶胶老化形成凝胶，以乙醇或丙酮作为置换剂，去除凝胶内的水；d.将乙醇或丙酮进行常温常压干燥，再在500°C温度下进行热处理，使凝胶形成多孔硅石气凝胶，得到以多孔硅石气凝胶为基体并镶嵌有钛酸锶钡陶瓷的介质基板。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I上阵列有工字型人造微结构2，介质基板I以多孔硅石气凝胶11为基体，在多孔硅石气凝胶11内镶嵌有多个条形柱体状的钛酸锶钡陶瓷12，超材料的平面结构示意图参看附图1，图1的A-A剖面结构示意图参看附图2。实施例2一种介质基板的制备方法，包括以下步骤a.制备钛酸锶钡陶瓷；以碳酸钡作为钡源、碳酸锶作为锶源、二氧化钛为钛源，按照Baa2Sra8TiO3的化学计量比混合，球磨干燥后，以聚乙烯醇缩丁醛(PVB)为粘结剂，通过干压成型的方法制得圆环形柱体状坯体，在1200-1500°C下，在5% H2气氛下烧结4_20小时，成型后的得到圆环形柱体状钛酸锶钡陶瓷(Baa2Sra8TiO3)，制备多个具有不同直径的圆环形柱体状钛酸锶钡陶瓷备用。b.将正硅酸甲酯水乙醇HCl按1: 3.5 : 8 : 8. 4X 10_4的摩尔比混合得到混合溶液，加入适量的二氧化钛粉体或玻璃纤维作为添加剂，为提高气孔率，还可加入甲酰胺或乙二醇作为干燥控制剂，60°C恒温水浴保温2小时，滴入质量分数为1. 5%的氨水， 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种介质基板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：a.制备具有一定几何形状的钛酸锶钡陶瓷；b.将硅源加入到乙醇和水的混合溶剂中，混合均匀后，调节pH值，得到溶胶，在形成凝胶之前将所述钛酸锶钡陶瓷置于所述溶胶中；c.静置使所述溶胶老化形成凝胶，以乙醇或丙酮作为置换剂，去除所述凝胶内的水；d.将乙醇或丙酮进行干燥，再进行热处理，使所述凝胶形成多孔硅石气凝胶，得到以所述多孔硅石气凝胶为基体并镶嵌有钛酸锶钡陶瓷的介质基板。

【技术特征摘要】
1.一种介质基板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤a.制备具有一定几何形状的钛酸锶钡陶瓷；b.将硅源加入到乙醇和水的混合溶剂中，混合均匀后，调节pH值，得到溶胶，在形成凝胶之前将所述钛酸锶钡陶瓷置于所述溶胶中；c.静置使所述溶胶老化形成凝胶，以乙醇或丙酮作为置换剂，去除所述凝胶内的水；d.将乙醇或丙酮进行干燥，再进行热处理，使所述凝胶形成多孔硅石气凝胶，得到以所述多孔硅石气凝胶为基体并镶嵌有钛酸锶钡陶瓷的介质基板。2.根据权利要求1所述的介质基板的制备方法，其特征在于，所述步骤a中，钛酸锶钡陶瓷的制备方法如下al、将用于制备钛酸锶钡的有机或无机钡源、有机或无机锶源、有机或无机钛源按照Ba(1_x)SrxTi03的化学计量比混合，其中x为0_1之间的任意实数；a2、在上述混合物中加入粘结剂，采用干压成型的方法获得具有一定几何形状的坯体；a3、将所述坯体在还原性气氛中以1200-1500°C的高温进行烧结，得到钛酸锶钡陶瓷。3.根据权利要求2所述的介质基板的制备方法，其特征在于，所述钡源为碳酸钡，所述锶源为碳酸锶、所述钛源为二氧化钛。4.根据权利要求2所述的介质基板的制备方法，其特征在于，所述粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛。5.根据权利要求2所述的介质基板的制备方法，其特征在于，所述坯体的几何形状为棱柱体或圆柱体或以不规则面为底面的柱体。...

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