專利名稱：一種介質基板的制備方法及超材料的制作方法
一種介質基板的制備方法及超材料技術領域：
本發明涉及超材料領域，具體地涉及超材料介質基板材料的制備技術。背景技術：
超材料是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工復合結構或復合材料。通過在材料的關鍵物理尺度上的結構有序設計，可以突破某些表觀自然規律的限制， 從而獲得超出自然界固有的普通性質的超常材料功能。超材料的性質和功能主要來自于其內部的結構而非構成它們的材料，因此，為設計和合成超材料，人們進行了很多研究工作。 2000年，加州大學的Smith等人指出周期性排列的金屬線和開環共振器(SRR)的復合結構可以實現介電常數ε和磁導率μ同時為負的雙負材料，也稱左手材料。之后他們又通過在印刷電路板(PCB)上制作金屬線和SRR復合結構實現了二維的雙負材料。
超材料的基本結構由介質基板以及陣列在介質基板上的多個人造微結構組成，陣列在介質基板上的多個人造微結構具有特定的電磁特性，能對電場或磁場產生電磁響應， 通過對人造微結構的結構和排列規律進行精確設計可以控制超材料各個基本單元的等效介電常數和等效磁導率，從而使超材料呈現出各種一般材料所不具有的電磁特性，如能匯聚、發散和偏折電磁波等。
現有的超材料人造微結構一般為金屬材料,而介質基板一般采用有機樹脂基板, 有機樹脂基板材料的介電常數一般為3-5之間，而對于超材料的某些應用而言，往往需要更低介電常數的材料作為介質基板，在滿足各種機械性能的同時，很難尋找到合適的材料。 即使有更低介電常數且滿足機械性能要求的材料，其介電常數大小受材料本身性質的決定而無法達到超材料需要的預定值。
發明內容
本發明為解決上述技術問題，提供一種具有較低介電常數且大小可控的介質基板的制備方法及超材料。
本發明實現發明目的采用的技術方案是一種介質基板的制備方法，包括以下步驟
a.制備具有納米孔隙的聚合物薄膜；
b.將硅源加入到乙醇和水的混合溶劑中，混合均勻后，調節pH值，得到溶膠，將所述聚合物薄膜浸入到所述溶膠中，使所述聚合物薄膜的納米孔隙內浸滿有所述溶膠；
c.取出所述聚合物薄膜，靜置使所述聚合物薄膜的納米孔隙內的溶膠老化形成凝膠，以乙醇或丙酮作為置換劑，去除所述凝膠內的水；
d.將乙醇或丙酮進行干燥，再進行熱處理，使所述聚合物薄膜的納米孔隙內的凝膠形成多孔硅石氣凝膠，得到介質基板。
具體地，所述a步驟的制備方法是
al將苯乙烯和聚 甲基丙烯酸甲酯混溶于芳香烴類溶劑或四氫呋喃中，得到混合溶液；
a2將上述混合溶液涂覆在硬質基板上，烘干；
a3將上述硬質基板浸泡在環己烷或環己酮中，清洗后烘干，將烘干后的聚合物與硬質基板分離，得到具有納米孔隙的聚合物薄膜。
更好地，所述制備方法還包括，通過控制所述聚甲基丙烯酸甲酯的分子量、環境溫度、環境濕度、溶劑沸點使所述聚合物薄膜具有不同的孔隙率和不同的孔徑大小。
更好地，所述制備方法還包括通過控制所述乙醇和水的比例，得到具有不同孔隙率的多孔硅石氣凝膠。
更好地，所述步驟b中，所述混合溶膠劑中還加入有干燥控制劑，通過控制所述干燥控制劑的加入量，得到具有不同孔隙率的多孔硅石氣凝膠。優選地，所述干燥控制劑為甲酰胺和乙二醇。
優選地，所述硅源為正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、硅溶膠或水玻璃。
具體地，所述b步驟中，以鹽酸或醋酸或氨水調節pH值為2-4。
優選地，所述b步驟中，所述混合溶劑中還加入二氧化鈦粉體或玻璃纖維作為添加劑。
優選地，所述c步驟中，去除所述凝膠內的水后還包括用表面修飾劑對所述凝膠進行疏水處理。
本發明還提供一種超材料，包括介質基板以及陣列在介質基板上的多個人造微結構，其特征在于所述介質基板為具有納米孔隙的聚合物薄膜，所述聚合物薄膜的納米孔隙內含有多孔娃石氣凝膠。
所述聚合物薄膜的納米孔隙的孔徑為100-500納米，所述多孔硅石氣凝膠內孔隙的孔徑為1-50納米。
本發明的有益效果是
1、本發明的超材料介質基板以具有納米孔隙的聚合物薄膜為基材，通過在其納米孔隙中植入多孔硅石氣凝膠，能大大降低超材料介質基板的介電常數，可達到接近于I ;
2、本發明進一步地通過控制硅石氣凝膠的孔隙率，可以實現對超材料介質基板的介電常數大小的調控，為超材料的應用提供更為準確和靈活的設計途徑，
3、通過本發明制得的超材料，具有低介電常數的特點，能滿足某些應用場合對電磁性能的要求，同時，由于介質基板中具有雙重的孔隙特點，所以整個超材料具有輕質的優具體實施方式

下面結合實施例對本發明進行詳細說明。
實施例1
介質基板的制備方法
a.制備具有納米孔隙的聚合物薄膜，本實施例以制備聚甲基丙烯酸甲酯薄膜為例進行說明；
首先將苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯混溶于甲苯中，得到混合溶液；然后將上述混合溶液涂覆在硬質基板上，烘干，使苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯相互交聯；最后將上述硬質基板浸泡在環己烷中，通過環己烷充分溶解苯乙烯，并進行清洗，烘干，將烘干后的聚合物與硬質基板分離，得到具有納米孔隙的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜。
對于具有納米孔隙的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，現有技術通過控制聚甲基丙烯酸甲酯的分子量、環境溫度、環境濕度、溶劑沸點使聚合物薄膜具有不同的孔隙率和不同的孔徑大小。
b.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，摩爾比相當于正硅酸乙酯水乙醇為1: 3. 5 : 4-20，逐滴加入濃度為O. 35mol/L的稀鹽酸，調節PH值至2. 5-3. 5，得到溶膠，將聚甲基丙烯酸甲酯薄膜浸入到上述溶膠中，使聚甲基丙烯酸甲酯薄膜的納米孔隙內浸滿溶膠；
c.取出聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，靜置使聚合物薄膜的納米孔隙內的溶膠老化30 天，形成凝膠，以乙醇或丙酮作為置換劑，去除凝膠內的水；
d.以二氧化碳為干燥介質，進行超臨界干燥，去除乙醇或丙酮，再進行熱處理，使聚甲基丙烯酸甲酯薄膜的納米孔隙內的凝膠形成多孔硅石氣凝膠，得到介質基板。
本實施例中，通過改變乙醇和水的比例，得到具有不同孔隙率的二氧化硅氣凝膠， 測定不同孔隙率的二氧化硅氣凝膠的介電常數，可以得到二氧化硅氣凝膠介電常數與孔隙率的對應關系，如表I所不。
表權利要求
1.一種介質基板的制備方法，包括以下步驟 a.制備具有納米孔隙的聚合物薄膜； b.將硅源加入到乙醇和水的混合溶劑中，混合均勻后，調節pH值，得到溶膠，將所述聚合物薄膜浸入到所述溶膠中，使所述聚合物薄膜的納米孔隙內浸滿有所述溶膠； c.取出所述聚合物薄膜，靜置使所述聚合物薄膜的納米孔隙內的溶膠老化形成凝膠，以乙醇或丙酮作為置換劑，去除所述凝膠內的水； d.將乙醇或丙酮進行干燥，再進行熱處理，使所述聚合物薄膜的納米孔隙內的凝膠形成多孔硅石氣凝膠，得到介質基板。
2.根據權利要求1所述的介質基板的制備方法，其特征在于，所述a步驟的制備方法是 al將苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯混溶于芳香烴類溶劑或四氫呋喃中，得到混合溶液； a2將上述混合溶液涂覆在硬質基板上，烘干； a3將上述硬質基板浸泡在環己烷或環己酮中，清洗后烘干，將烘干后的聚合物與硬質基板分離，得到具有納米孔隙的聚合物薄膜。
3.根據權利要求2所述的介質基板的制備方法，其特征在于，所述制備方法還包括，通過控制所述聚甲基丙烯酸甲酯的分子量、環境溫度、環境濕度、溶劑沸點使所述聚合物薄膜具有不同的孔隙率和不同的孔徑大小。
4.根據權利要求1所述的介質基板的制備方法，其特征在于，所述制備方法還包括通過控制所述乙醇和水的比例，得到具有不同孔隙率的多孔硅石氣凝膠。
5.根據權利要求1所述的介質基板的制備方法，其特征在于，所述步驟b中，所述混合溶膠劑中還加入有干燥控制劑，通過控制所述干燥控制劑的加入量，得到具有不同孔隙率的多孔硅石氣凝膠。
6.根據權利要求5所述的介質基板的制備方法，其特征在于，所述干燥控制劑為甲酰胺和乙二醇。
7.根據權利要求1所述的介質基板的制備方法，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。
8.根據權利要求1所述的介質基板的制備方法，其特征在于，所述b步驟中，以鹽酸或醋酸或氨水調節pH值為2-4。
9.根據權利要求1所述的介質基板的制備方法，其特征在于，所述b步驟中，所述混合溶劑中還加入二氧化鈦粉體或玻璃纖維作為添加劑。
10.根據權利要求1所述的介質基板的制備方法，其特征在于，所述C步驟中，去除所述凝膠內的水后還包括用表面修飾劑對所述凝膠進行疏水處理。
11.一種超材料，包括介質基板以及陣列在介質基板上的多個人造微結構，其特征在于所述介質基板為具有納米孔隙的聚合物薄膜，所述聚合物薄膜的納米孔隙內含有多孔硅石氣凝膠。
12.根據權利要求11所述的超材料，其特征在于所述聚合物薄膜的納米孔隙的孔徑為100-500納米。
13.根據權利要求11所述的超材料，其特征在于所述多孔硅石氣凝膠內孔隙的孔徑為1-50納米。
全文摘要
本發明提供了本發明實現發明目的采用的技術方案是一種介質基板的制備方法及超材料，制得的超材料中，介質基板為具有納米孔隙的聚合物薄膜，所述聚合物薄膜的納米孔隙內含有多孔硅石氣凝膠。其有益效果是通過在其納米孔隙中植入多孔硅石氣凝膠，能大大降低超材料介質基板的介電常數，可達到接近于1；進一步地通過控制硅石氣凝膠的孔隙率，可以實現對超材料介質基板的介電常數大小的調控，為超材料的應用提供更為準確和靈活的設計途徑；本發明制得的超材料，具有低介電常數的特點，能滿足某些應用場合對電磁性能的要求，同時，由于介質基板中具有雙重的孔隙特點，所以整個超材料具有輕質的優點。
文檔編號C08F265/04GK103030833SQ201110293848
公開日2013年4月10日 申請日期2011年9月30日 優先權日2011年9月30日
發明者劉若鵬, 趙治亞, 金曦, 李雪, 繆錫根 申請人:深圳光啟高等理工研究院, 深圳光啟創新技術有限公司