CN103289274B - 一种超材料基板的制备方法及超材料天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超材料基板的制备方法，包括让铝粉、氯化铵和氮气进行反应得到氮化铝纳米线；将聚苯乙烯溶入苯乙烯中，然后加入氮化铝纳米线，形成第一混合溶液；向第一混合溶液中加入促进剂，混合均匀后形成第二混合溶液；向第二混合溶液中加入固化剂，搅拌均匀后形成第三混合溶液；去除第三混合溶液的溶剂，然后热压，得到超材料基板。本发明还公开了一种超材料天线，包括超材料基板。本发明的超材料基板的制备方法及超材料天线通过将氮化铝纳米线与聚苯乙烯进行人工复合，能够制备出具备高强度、高热导率、低介质损耗和低膨胀系数等优点的超材料基板。
Description
技术领域
本发明涉及超材料领域，特别是涉及一种超材料基板的制备方法及超材料天线。
背景技术
电子产品正向薄型化、高性能化和多功能化的方向发展。为此，电子产品中的电路板的基板不仅应具有较低的介电常数和介质损耗，还要具有优异的热性能、电性能和机械性能。但是，现有技术中基板的制作材料多采用酚醛树脂和环氧树脂。目前应用最多的材料是玻璃纤维增强的环氧树脂板FR-4，这种材料由于具有制造成本低、性价比高等优点，在低频电路中得到较好的应用，但是又由于其介电性能以及耐高温性能差，在高频电路中的应用难以得到业界认可。所以，业界开始将基板的制作材料转移到超材料上。
超材料是指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。
氮化铝具有热导率高，膨胀系数低，强度高，耐高温，耐化学腐蚀，电阻率高和介电损耗小等特点。而聚合物具有高电阻率，低介电常数和高可塑性等优点，常被用作封装材料或者基板材料。因此，若将氮化铝与环氧树脂或者酚醛树脂等聚合物混合制备成超材料基板将会增强基板的热稳定性和强度，以满足目前信息技术对高散热性基板的要求。但是，现有技术中并没有关于此类基板的制造。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种超材料基板的制备方法及超材料天线，能够将氮化铝纳米线与聚苯乙烯复合成超材料基板。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种超材料基板的制备方法，包括：让铝粉、氯化铵和氮气进行反应得到氮化铝纳米线；将聚苯乙烯溶入苯乙烯中，然后加入氮化铝纳米线，形成第一混合溶液；向第一混合溶液中加入促进剂，混合均匀后形成第二混合溶液；向第二混合溶液中加入固化剂，搅拌均匀后形成第三混合溶液；去除第三混合溶液的溶剂，然后热压，得到超材料基板。
其中，让铝粉、氯化铵和氮气进行反应得到氮化铝纳米线的步骤包括：将铝粉和氯化铵研磨均匀后置于氧化铝舟中，将氧化铝舟置于氧化铝管中，然后以10~15℃/min的升温速率升温至1000~1200℃以对氧化铝管进行加热并在加热的同时向氧化铝管中通入90~100sccm的氩气，升温完毕后将通入的气体换为90~100sccm的氢气和氮气的混合气体，反应完成后，再将通入的气体换为90~100sccm的氮气，并保温2~3h，然后冷却至18~25℃后得到氮化铝纳米线。
其中，在对氧化铝管进行加热之前，向氧化铝管中通入氩气，以排除氧化铝管中的水蒸气和氧气。
其中，铝粉和氯化铵的重量比为2:1~4:1。
其中，氢气的体积占混合气体的10%~20%。
其中，将聚苯乙烯溶入苯乙烯中，然后加入氮化铝纳米线，形成第一混合溶液的步骤包括：将聚苯乙烯溶入苯乙烯中、配成10%~30%的聚苯乙烯的苯乙烯溶液，然后加入0%~50%的氮化铝纳米线，搅拌均匀后形成第一混合溶液。
其中，促进剂为2~3份10%的N,N-二甲基苯胺的苯乙烯溶液和2~3份6%的萘酸钴的苯乙烯溶液。
其中，固化剂为4~5份50%的过氧化甲乙酮的邻苯二甲酸二甲醛溶液。
其中，去除第三混合溶液的溶剂，然后热压，得到超材料基板的步骤包括：将第三混合溶液浇注于模具中，通过蒸发去除溶剂，然后热压，得到所需形状的超材料基板，其中，热压温度为75~220℃，热压压力为5~30MPa。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种超材料天线，包括铜箔和热熔胶，该超材料天线还包括根据上述任一种方法制备的超材料基板，铜箔通过热熔胶粘合在超材料基板上。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明的超材料基板的制备方法及超材料天线通过将氮化铝纳米线与聚苯乙烯进行人工复合，能够制备出具备高强度、高热导率、低介质损耗和低膨胀系数等优点的超材料基板。
附图说明
图1是本发明第一实施例的超材料基板的制备方法流程图；
图2是本发明第三实施例的超材料天线的结构示意图；
图3是本发明第四实施例的超材料天线的结构示意图；
图4是本发明第五实施例的超材料天线的制作工艺示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。
请参见图1，图1所示为本发明第一实施例的超材料基板的制备方法流程图，该超材料基板的制备方法流程包括以下步骤：
S101：让铝粉、氯化铵和氮气进行反应得到氮化铝纳米线。
步骤S101包括：将铝粉和氯化铵研磨均匀后置于氧化铝舟中，将氧化铝舟置于氧化铝管中，然后以10~15℃的升温速率升温至1000~1200℃以对氧化铝管进行加热并在加热的同时向氧化铝管中通入90~100sccm（体积流量单位，表示标况毫升每分）的氩气，升温完毕后将通入的气体换为90~100sccm的氢气和氮气的混合气体，反应完成后，再将通入的气体换为90~100sccm的氮气，并保温2~3h，然后冷却至18~25℃后得到氮化铝纳米线。其中，铝粉和氯化铵的重量比为2:1~4:1，氢气的体积占混合气体的10%~20%。通入氢气和氮气的混合气体可以促进反应进行，通入氮气以形成可起氮气气氛，可起到保护作用。
步骤S101进一步包括：在对氧化铝管进行加热之前，向氧化铝管中通入氩气，以排除氧化铝管中的水蒸气和氧气。
S102：将聚苯乙烯溶入苯乙烯中，然后加入氮化铝纳米线，形成第一混合溶液。
步骤S102包括：将聚苯乙烯溶入苯乙烯中、配成10%~30%的聚苯乙烯的苯乙烯溶液，然后加入0%~50%的氮化铝纳米线，搅拌均匀后形成第一混合溶液。
S103：向第一混合溶液中加入促进剂，混合均匀后形成第二混合溶液。
在本实施例中，促进剂为2~3份10%的N,N-二甲基苯胺的苯乙烯溶液和2~3份6%的萘酸钴的苯乙烯溶液。
S104：向第二混合溶液中加入固化剂，搅拌均匀后形成第三混合溶液。
在本实施例中，固化剂为4~5份50%的过氧化甲乙酮的邻苯二甲酸二甲醛溶液。固化剂和促进剂配合使用，对于含有大量游离酚或者聚酯分子链中含有大分子支链的分子结构的树脂，是很有效的固化系统。
S105：去除第三混合溶液的溶剂，然后热压，得到超材料基板。
步骤S105包括：将第三混合溶液浇注于模具中，通过蒸发去除溶剂，然后热压，得到所需形状的超材料基板，其中，热压温度为75~220℃，热压压力为5~30MPa。
由于氮化铝纳米线的比表面积大，采用氮化铝纳米线作为聚苯乙烯的填料制备成超材料基板，可以增强在二相和复相上的韧性、提高致密度和强度。
第二实施例
一种超材料基板的制备方法，包括：
步骤一：将铝粉和氯化铵按照重量比3:1混合，研磨均匀后，置于氧化铝舟中，然后将氧化铝舟放入氧化铝管中，先向氧化铝管中通入一段时间的氩气，以排除氧化铝管中的水蒸气和氧气。然后对氧化铝管进行加热，加热过程为以15℃/min的升温速率升温至1100℃，并在升温的同时向氧化铝管中通入100sccm的氩气，当温度达到1100℃后，将通入的气体换为100sccm的氢气和氮气的混合气体。反应完成后，再将通入的气体换为100sccm的氮气，并在氮气气氛中保温2h，然后冷却至25℃后得到氮化铝纳米线。其中，氢气的体积占混合气体的10%。
步骤二：将聚苯乙烯溶于聚乙烯中，配成20%的聚苯乙烯的聚乙烯溶液，然后加入50%的氮化铝纳米线，充分搅拌均匀后形成第一混合溶液。
步骤三：向第一混合溶液中加入2份10%的N,N-二甲基苯胺的苯乙烯溶液和2份6%的萘酸钴的苯乙烯溶液，混合均匀后形成第二混合溶液。
步骤四：向第二混合溶液中加入4份50%的过氧化甲乙酮的邻苯二甲酸二甲醛溶液，搅拌均匀后形成第三混合溶液。
步骤五：将第三混合溶液浇注于模具中，通过蒸发去除溶剂，然后热压，得到所需形状的超材料基板。其中，热压温度为220℃，热压压力为30MPa。
请参见图2，图2所示为本发明第三实施例的超材料天线的结构示意图。
超材料天线200为单面覆铜天线，其包括铜箔201、热熔胶202和超材料基板203，超材料203的制备方法采用图1所示的超材料基板的制备方法。热熔胶202是一种可塑性的粘合剂，其经过热力溶胶后形成液体，待冷却后即完成粘合。铜箔201通过热熔胶202粘合在超材料基板203上，超材料天线200的具体制作方法为：
将热熔胶202涂布在超材料基板203的表面，采用覆铜工艺在热熔胶202上形成铜箔201；
使用真空压机对铜箔201、热熔胶202和超材料基板203进行热压，形成覆铜板，其中，热压温度为85~95℃，热压压力为1~1.5MPa，热压时间为30~90min，真空度小于25mbar；
采用蚀刻工艺在覆铜板上蚀刻出工作线路，形成结构如图2所示的超材料天线200。
请参见图3，图3所示为本发明第四实施例的超材料天线的结构示意图。
超材料天线300是以第三实施例的超材料天线200为基础制作的双面覆铜天线，其包括铜箔301、铜箔305、热熔胶302、热熔胶304和超材料基板303。铜箔301和铜箔305分别通过热熔胶302和热熔胶304粘合在超材料基板303的两个表面。
超材料天线300的结构依次为铜箔301、热熔胶302、超材料基板303、热熔胶304和铜箔305，其具体制作方法与第三实施例的超材料天线200的具体制作方法类似，故此处不再赘述。
请参见图4，图4所示为本发明第五实施例的超材料天线的制作工艺示意图。
该制作工艺可同时制作两片超材料天线，以节约工序和扩大生产规模，其具体制作方法为：
将热熔胶涂布在超材料基板的表面，采用覆铜工艺在热熔胶上形成铜箔，进而形成基材；
将基材404和基材406用钢板405隔开，置于工具板401和工具板409内侧，并将基材404与工具板401用钢板403和牛皮纸层402隔开、将基材406与工具板409用钢板407和牛皮纸层408隔开，形成如图4所示的结构，然后使用真空压机进行热压，得到两片覆铜板，其中，钢板403、405、407的厚度为1~2mm，牛皮纸层402、408由10~20张厚度为0.2mm的牛皮纸组成，热压温度为85~95℃，热压压力为1~1.5MPa，热压时间为30~90min，真空度小于25mbar；
采用蚀刻工艺在两片覆铜板上蚀刻出工作线路，形成两片超材料天线。
在本实施例中，该制作工艺同时制作两片超材料天线。在其他实施例中，该制作工艺还可根据实际需要同时制作其它数目的超材料天线。
应当理解，上述实施例中的超材料基板不限于制作超材料天线，本领域的技术人员可以轻易的根据本领域的公知常识及本发明将超材料基板应用于其他电路及电子产品中，譬如可将本发明的超材料基板作为封装材料，因此，包含本发明的超材料基板的相关产品同样包括在本发明的保护范围之内。
通过上述方式，本发明的超材料基板的制备方法及超材料天线通过将氮化铝纳米线与聚苯乙烯进行人工复合，能够制备出具备高强度、高热导率、低介质损耗和低膨胀系数等优点的超材料基板。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (7)
1.一种超材料基板的制备方法，其特征在于，包括：
让铝粉、氯化铵和氮气进行反应得到氮化铝纳米线，包括：将所述铝粉和所述氯化铵研磨均匀后置于氧化铝舟中，将氧化铝舟置于氧化铝管中，然后以10～15℃/min的升温速率升温至1000～1200℃以对所述氧化铝管进行加热并在加热的同时向所述氧化铝管中通入90～100sccm的氩气，升温完毕后将通入的气体换为90～100sccm的氢气和氮气的混合气体，反应完成后，再将通入的气体换为90～100sccm的氮气，并保温2～3h，然后冷却至18～25℃后得到氮化铝纳米线；
将聚苯乙烯溶入苯乙烯中，然后加入所述氮化铝纳米线，形成第一混合溶液；
向所述第一混合溶液中加入促进剂，混合均匀后形成第二混合溶液，所述促进剂为2～3份10％的N，N-二甲基苯胺的苯乙烯溶液和2～3份6％的萘酸钴的苯乙烯溶液；
向所述第二混合溶液中加入固化剂，搅拌均匀后形成第三混合溶液所述固化剂为4～5份50％的过氧化甲乙酮的邻苯二甲酸二甲醛溶液；
去除所述第三混合溶液的溶剂，然后热压，得到超材料基板。
2.根据权利要求1所述的超材料基板的制备方法，其特征在于，在对所述氧化铝管进行加热之前，向氧化铝管中通入氩气，以排除所述氧化铝管中的水蒸气和氧气。
3.根据权利要求1所述的超材料基板的制备方法，其特征在于，所述铝粉和所述氯化铵的重量比为2∶1～4∶1。
4.根据权利要求1所述的超材料基板的制备方法，其特征在于，所述氢气的体积占所述混合气体的10％～20％。
5.根据权利要求1所述的超材料基板的制备方法，其特征在于，所述将聚苯乙烯溶入苯乙烯中，然后加入所述氮化铝纳米线，形成第一混合溶液的步骤包括：
将所述聚苯乙烯溶入所述苯乙烯中、配成10％～30％的聚苯乙烯的苯乙烯溶液，然后加入0％～50％的所述氮化铝纳米线，搅拌均匀后形成第一混合溶液。
6.根据权利要求1所述的超材料基板的制备方法，其特征在于，所述去除所述第三混合溶液的溶剂，然后热压，得到超材料基板的步骤包括：
将所述第三混合溶液浇注于模具中，通过蒸发去除溶剂，然后热压，得到所需形状的超材料基板，其中，热压温度为75～220℃，热压压力为5～30MPa。
7.一种超材料天线，包括铜箔和热熔胶，其特征在于，所述超材料天线还包括根据权利要求1至6任一项的方法制备的超材料基板，所述铜箔通过所述热熔胶粘合在所述超材料基板上。
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| Dynamic mechanical properties of polystyrene-Aluminum Nitride Composite;Suzhu Yu et al;《Journal of Applied Polymer Science》;20001231;第78卷;p1348-1353 * |
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