CN103296450A - 一种超材料 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超材料，由至少一个超材料片层叠加形成，每一个超材料片层包括基板、空板及设置在基板与空板之间的呈周期排布的多个人造微结构，所述空板为有机树脂板，所述有机树脂板内部含有二氧化硅气凝胶粉体。根据本发明的超材料，在有机树脂板制成的空板中加入二氧化硅气凝胶粉体，可以通过控制二氧化硅气凝胶粉体的比重及颗粒度来控制空板的孔隙率，从而控制超材料片层的介电常数，从而可以得到介电常数较小且介电损耗较小的超材料片层。
Description
技术领域
本发明属于人工复合材料领域，尤其涉及一种超材料。
背景技术
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，从而或得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。超材料通常包括基板及周期排布在基板上的多个人造微结构，每一人造微结构与其附着的那部分基板可以看做是一个超材料单元。超材料的性质和功能由基板的特性及周期排布在基板上的人造微结构的特性共同决定。对应于特定频率的电磁波，每一超材料单元表现出一个等效介电常数与磁导率，而这两个物理参数分别对应了材料的电场响应与磁场响应。
目前超材料结构的实现主要还是以在PCB板(例如FR-4、F4b)上制作金属线完成，PCB所采用的基板含胶量一般在50％左右，密度1.6左右，因此用多层板压合得到的超材料重量较重，现在大部分电磁产品都有轻量化的要求，因此降低超材料的密度具有很高的实际意义。
同时目前市售的PCB基板因里面含有大量的增强纤维，介电损耗较大。并且FR-4、F4b等此类材料制成的基板介电常数一般在2以上。以此为基板的超材料通常介电常数较大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种介电常数较小且介电损耗较小的超材料。
本发明为解决上述的技术问题所采用的技术方案是：一种超材料，由至少一个超材料片层叠加形成，每一个超材料片层包括基板、空板及设置在基板与空板之间的呈周期排布的多个人造微结构，所述空板为有机树脂板，所述有机树脂板内部含有二氧化硅气凝胶粉体。
进一步地，所述有机树脂板由热塑性树脂或其改性材料制得，所述热塑性树脂材料为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚酯、特氟龙或热塑性有机硅。
进一步地，所述有机树脂板由热固性树脂或其改性材料制得，所述热固性树脂材料为环氧树脂、酚醛树脂聚氨酯、酚醛或热固性有机硅。
进一步地，所述二氧化硅气凝胶粉体的颗粒度为5-30nm。
进一步地，所述空板孔隙率为1-70％。
进一步地，所述基板由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。
进一步地，所述人造微结构为金属微结构，所述金属微结构由一条或多条金属线组成，所述金属线为铜线或银线。
进一步地，所述人造微结构为平面雪花状的金属微结构，所述金属微结构具有相互垂直平分的第一金属线及第二金属线，所述第一金属线两端连接有相同长度的两个第一金属分支，所述第一金属线两端连接在两个第一金属分支的中点上，所述第二金属线两端连接有相同长度的两个第二金属分支，所述第二金属线两端连接在两个第二金属分支的中点上，所述第一金属分支与第二金属分支的长度相等。
进一步地，所述基板上的多个金属微结构通过如下方法得到：
S1、利用热熔胶在基板表面粘贴预定厚度的金属薄层；
S2、通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法得到多个金属微结构。
进一步地，所述金属薄层的厚度为0.005-0.1mm，热熔胶的厚度为0.01-0.2mm，所述基板的厚度为0.1-5mm，所述空板的厚度为0.1-5mm。
根据本发明的超材料，在有机树脂板制成的空板中加入二氧化硅气凝胶粉体，可以通过控制二氧化硅气凝胶粉体的比重及颗粒度来控制空板的孔隙率，从而控制超材料片层的介电常数，从而可以得到介电常数较小且介电损耗较小的超材料片层。并且在磁导率一定的情况下，通过降低介电常数，可以得到具有较低的最小折射率值的超材料。
附图说明
图1为本发明的超材料片层的结构示意图；
图2为本发明的超材料片层去掉空板以后的结构示意图；
图3是本发明的平面雪花状的金属微结构的示意图；
图4是图3所示的平面雪花状的金属微结构的一种衍生结构；
图5是图3所示的平面雪花状的金属微结构的一种变形结构；
图6为本发明的超材料片层中金属薄层、热熔胶及基板三者的叠加示意图；
图7为本发明的多个超材料片层叠加形成超材料的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的超材料，由至少一个如图1所示的超材料片层10叠加形成，如图1及图2所示，每一个超材料片层10包括基板11、空板13及设置在基板11与空板13之间的呈周期排布的多个人造微结构12，所述空板13为有机树脂板，所述有机树脂板内部含有二氧化硅气凝胶粉体。图7为本发明的多个超材料片层叠加形成超材料的示意图，图中超材料具有三个超材料片层10，如图7所示，所述多个超材料片层10通过热熔胶RJ连接成为一体，热熔胶的厚度为0.01-0.2mm，例如0.08mm。
热熔胶是指在常温下为固态，加热后能熔融且在熔融状态下具有粘性的一类高分子树脂材料，例如聚酰胺、聚胺酯、聚乙烯等。
当然，超材料片层10的数量根据不同的需要可以灵活设置。
本发明中，所述有机树脂板可以由热塑性树脂或其改性材料制得，热塑性树脂材料为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚酯、特氟龙或热塑性有机硅等。
本发明中，所述有机树脂板也可以由热固性树脂或其改性材料制得，所述热固性树脂材料为环氧树脂、酚醛树脂聚氨酯、酚醛或热固性有机硅等。
本发明中，所述基板由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料等制得。高分子材料可选用的有聚四氟乙烯、环氧树脂、F4B复合材料、FR-4复合材料等。例如，聚四氟乙烯的电绝缘性非常好，因此不会对电磁波的电场产生干扰，并且具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性，使用寿命长。
本发明中，所述二氧化硅气凝胶粉体的颗粒度为5-30nm，例如可以是5nm、7nm、20nm、30nm，这个根据空板所需要的孔隙率可以灵活调节。
本发明中，所述空板孔隙率为1-70％。
本发明中，所述空板可以通过以下步骤得到：
S1、将有机树脂溶液、二氧化硅气凝胶粉体及固化剂混合均匀，得到混合溶液；
S2、固化，得到含有二氧化硅气凝胶粉体的空板。
当然，还可通过本领域其它公知的方法将二氧化硅气凝胶粉体置入到有机树脂板中。
二氧化硅气凝胶的主要成分是二氧化硅，是通过溶胶凝胶方法将有机或无机硅源制备成湿凝胶，然后用气体取代凝胶中的液体，通过干燥控制添加剂及干燥工艺的控制，保持其空间网络结构基本不变，从而得到纳米多孔的二氧化硅气凝胶材料。二氧化硅气凝胶内含大量空气，其孔隙率可达80％-99％，通过控制工艺可以得到如5-30nm范围内颗粒均匀的气凝胶粉体。其纳米多孔结构使其具备许多优良的电气性能，如在3-40GHz范围内，通过控制其孔隙度可将其介电常数控制在1.008-2.27范围内，热膨胀系数仅为普通二氧化硅的1/5，密度为5-200kg/m3，电阻率为二氧化硅的1000倍。二氧化硅气凝胶的介电常数很低，热稳定好，还具有绝缘、轻质、无毒、阻燃、廉价等性能。
本发明中，所述人造微结构优选为金属微结构，所述金属微结构由一条或多条金属线组成，所述金属线优选为铜线或银线。
本发明中，所述人造微结构可以是如图3所示的平面雪花状的金属微结构，所述的雪花状的金属微结构具有相互垂直平分的第一金属线J1及第二金属线J2，所述第一金属线J1与第二金属线J2的长度相同，所述第一金属线J1两端连接有相同长度的两个第一金属分支F1，所述第一金属线J1两端连接在两个第一金属分支F1的中点上，所述第二金属线J2两端连接有相同长度的两个第二金属分支F2，所述第二金属线J2两端连接在两个第二金属分支F2的中点上，所述第一金属分支F1与第二金属分支F2的长度相等。
图4是图3所示的平面雪花状的金属微结构的一种衍生结构。其在每个第一金属分支F1及每个第二金属分支F2的两端均连接有完全相同的第三金属分支F3，并且相应的第三金属分支F3的中点分别与第一金属分支F1及第二金属分支F2的端点相连。依此类推，本发明还可以衍生出其它形式的金属微结构。
图5是图3所示的平面雪花状的金属微结构的一种变形结构，此种结构的金属微结构，第一金属线J1与第二金属线J2不是直线，而是弯折线，第一金属线J1与第二金属线J2均设置有两个弯折部WZ，但是第一金属线J1与第二金属线J2仍然是垂直平分，通过设置弯折部的朝向与弯折部在第一金属线与第二金属线上的相对位置，使得图5所示的金属微结构绕垂直于第一金属线与第二金属线交点的轴线向任意方向旋转90度的图形都与原图重合。另外，还可以有其它变形，例如，第一金属线J1与第二金属线J2均设置多个弯折部WZ。
本发明中，所述基板上的多个金属微结构通过如下方法得到：
S1、利用热熔胶在基板表面粘贴预定厚度的金属薄层；所述金属薄层的厚度为0.005-0.1mm(金属薄层的厚度即金属微结构的厚度)，热熔胶的厚度为0.01-0.2mm，基板的厚度为0.1-5mm。图6为本发明的超材料片层中金属薄层、热熔胶及基板三者的叠加示意图，金属薄层JS、热熔胶RJ及基板11三者依次叠加。
S2、通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法得到多个金属微结构。优选为蚀刻。将要蚀刻区域(金属微结构以外的区域)的保护膜去除，在蚀刻时接触化学溶液，达到溶解腐蚀的作用，最终剩下的即为我们需要的在基板上周期排布的金属微结构。
将空板13覆盖在蚀刻好的金属微结构上，即形成了如图1所示的一个超材料片层10，空板与金属微结构之间也用热熔胶连接。其中，空板的作用为调节超材料片层的介电常数，使其能够得到较小的介电常数，从而使得整个超材料片层的介电常数降低。空板的厚度为0.1-5mm。
本发明中，超材料片层，优选地可以有如下几种尺寸：
(1)空板厚度为0.4mm，空板与金属微结构之间的热熔胶厚度为0.08mm，金属微结构厚度为0.018mm，基板11与金属微结构之间的热熔胶厚度为0.08mm，基板的厚度为0.4mm，超材料片层厚度为0.834mm。
(2)空板厚度为0.32mm，空板与金属微结构之间的热熔胶厚度为0.08mm，金属微结构厚度为0.018mm，基板11与金属微结构之间的热熔胶厚度为0.08mm，基板的厚度为0.32mm，超材料片层厚度为0.818mm。
根据本发明的超材料，在有机树脂板制成的空板中加入二氧化硅气凝胶粉体，可以通过控制二氧化硅气凝胶粉体的比重及颗粒度来控制空板的孔隙率，从而控制超材料片层的介电常数，从而可以得到介电常数较小且介电损耗较小的超材料片层。并且在磁导率一定的情况下，通过降低介电常数，可以得到具有较低的最小折射率值的超材料。
在上述实施例中，仅对本发明进行了示范性描述，但是本领域技术人员在阅读本专利申请后可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改。
Claims (10)
1.一种超材料，由至少一个超材料片层叠加形成，其特征在于，每一个超材料片层包括基板、空板及设置在基板与空板之间的呈周期排布的多个人造微结构，所述空板为有机树脂板，所述有机树脂板内部含有二氧化硅气凝胶粉体。
2.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述有机树脂板由热塑性树脂或其改性材料制得，所述热塑性树脂材料为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚酯、特氟龙或热塑性有机硅。
3.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述有机树脂板由热固性树脂或其改性材料制得，所述热固性树脂材料为环氧树脂、酚醛树脂聚氨酯、酚醛或热固性有机硅。
4.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述二氧化硅气凝胶粉体的颗粒度为5-30nm。
5.根据权利要求4所述的超材料，其特征在于，所述空板孔隙率为1-70％。
6.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述基板由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。
7.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述人造微结构为金属微结构，所述金属微结构由一条或多条金属线组成，所述金属线为铜线或银线。
8.根据权利要求7所述的超材料，其特征在于，所述人造微结构为平面雪花状的金属微结构，所述金属微结构具有相互垂直平分的第一金属线及第二金属线，所述第一金属线两端连接有相同长度的两个第一金属分支，所述第一金属线两端连接在两个第一金属分支的中点上，所述第二金属线两端连接有相同长度的两个第二金属分支，所述第二金属线两端连接在两个第二金属分支的中点上，所述第一金属分支与第二金属分支的长度相等。
9.根据权利要求7所述的超材料，其特征在于，所述基板上的多个金属微结构通过如下方法得到：
S1、利用热熔胶在基板表面粘贴预定厚度的金属薄层；
S2、通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法得到多个金属微结构。
10.根据权利要求9所述的超材料，其特征在于，所述金属薄层的厚度为0.005-0.1mm，热熔胶的厚度为0.01-0.2mm，所述基板的厚度为0.1-5mm，所述空板的厚度为0.1-5mm。
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