陶瓷基超材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及超材料，尤其是涉及陶瓷基超材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002]超材料(Metamaterial)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。超材料的奇特性質源于其精密的幾何結構以及尺寸大小。超材料中的微結構，大小尺度小于它作用的波長，因此得以對波施加影響。迄今發展出的超材料包括左手材料、光子晶體、超磁性材料等。左手(LH)材料是一類在一定的頻段下同時具有負的磁導率和負的介電常數的材料系統(對電磁波的傳播形成負的折射率)。與之相對的是，大多數自然的材料是RH材料。超材料的奇異性質使它具有廣泛的應用前景，從高接收率天線，雷達反射罩甚至是地震預警。
[0003]從結構上看，超材料是由非金屬材料制成的基板和附著在基板表面上或嵌入在基板內部的多個導電幾何結構構成的。基板可以虛擬地劃分為陣列排布的多個基板單元。每個基板單元上附著有導電幾何結構，從而形成一個超材料單元。整個超材料是由很多這樣的超材料單元組成的，就像晶體是由無數的晶格按照一定的排布構成的。每個超材料單元上的導電幾何結構可以相同或者不完全相同。導電幾何結構是由導電材料組成的具有一定幾何圖形的平面或立體結構。
[0004]由于導電幾何結構的存在，每個超材料單元具有不同于基板本身的電磁特性，因此所有的超材料單元構成的超材料對電場和磁場呈現出特殊的響應特性。通過對導電幾何結構設計不同的具體結構和形狀，可以改變整個超材料的響應特性。
[0005]透波超材料是能透過電磁波且幾乎不改變電磁波的性質(包括能量)的材料。透波超材料的基板的較優材料是熔融石英陶瓷。目前生產的石英陶瓷基板通常用漿料澆注法或凝膠注模法制得。這些制造方法的缺點是，所制得的石英陶瓷基板大于4mm，不夠薄。如果要制得更薄，例如厚度在2mm以下的薄板，需要將前述的石英陶瓷基板用平面磨床打磨。然而這種加工方式的加工成本高，同時所得薄材機械強度較低。因此用前述方式加工后的薄板做成陶瓷基超材料存在價格貴、層間連接強度低的缺點。
[0006]流延法是指在陶瓷粉料中加入溶劑、分散劑、粘接劑、增塑劑等成分，得到分散均勻的穩定漿料，在流延機上制得要求厚度薄膜的一種成型方法。已有使用流延法來制造陶瓷薄板的研究和生產實施。然而使用流延法制得的流延薄片存在燒結收縮率過大的問題。過大的收縮率會導致陶瓷基超材料上的導電幾何結構變形，從而降低了導電幾何結構的分布精度。這對于對導電幾何結構的分布精度有極高要求的超材料來說是不能接受的。
【發明內容】
[0007]本發明的一個目的是提供一種陶瓷基超材料的制備方法，可以抑制陶瓷基超材料的收縮，從而提高導電幾何結構的分布精度。
[0008]本發明的另一目的是提供一種陶瓷基超材料，具有較高的導電幾何結構的分布精度。
[0009]本發明所提出一種陶瓷基超材料的制備方法，包括以下步驟:以流延法將陶瓷漿料成型得到至少一陶瓷坯片，該陶瓷漿料包括成孔劑；燒結該至少一陶瓷坯片以得到至少一多孔的陶瓷基板；以流延法制得至少一流延生坯片；在至少一流延生坯片上形成導電幾何結構；疊合至少一陶瓷基板與至少一流延生坯片以形成一多層疊合結構；以及燒結該多層疊合結構，獲得該陶瓷基超材料。
[0010]在本發明的一實施例中，燒結得到的該至少一陶瓷基板的孔隙度滿足:15%〈孔隙度〈50%。
[0011 ] 在本發明的一實施例中，燒結得到的該至少一陶瓷基板的孔徑在0.5-4 μ m之間。
[0012]在本發明的一實施例中，該成孔劑為石墨或碳粉。
[0013]在本發明的一實施例中，該至少一陶瓷基板的厚度小于或等于2_。
[0014]在本發明的一實施例中，該至少一流延生坯片的厚度小于或等于2_。
[0015]在本發明的一實施例中，該至少一陶瓷基板的厚度在ΙΟΟμπι?0.5mm之間。
[0016]在本發明的一實施例中，該至少一流延生還片的厚度在ΙΟΟμπι?0.5mm之間。
[0017]在本發明的一實施例中，該多層疊合結構為對稱結構。
[0018]在本發明的一實施例中，在燒結該多層疊合結構之前還包括:將該多層疊合結構進行排膠。
[0019]在本發明的一實施例中，疊合該至少一陶瓷基板與該至少一流延生坯片的溫度小于 90。。。
[0020]在本發明的一實施例中，疊合該至少一陶瓷基板與該至少一流延生坯片的壓力小于 5MPa。
[0021]在本發明的一實施例中，將該多層疊合結構進行排膠的溫度小于580°C。
[0022]在本發明的一實施例中，將該多層疊合結構進行排膠的時間大于10小時。
[0023]在本發明的一實施例中，在燒結該多層疊合結構的溫度小于900°C。
[0024]本發明所提出的一種陶瓷基超材料，包括由至少一多孔的陶瓷基板和至少一流延片疊合、燒結而成的多層疊合結構，其中至少一流延片上附著有導電幾何結構，且該至少一陶瓷基板與該至少一流延片疊合之前，該至少一陶瓷基板為已燒結，且該至少一流延片為未燒結。
[0025]在本發明的一實施例中，該至少一陶瓷基板的孔隙度滿足:15%〈孔隙度〈50%。
[0026]在本發明的一實施例中，該至少一陶瓷基板的孔徑在0.5_4μ m之間。
[0027]在本發明的一實施例中，該至少一陶瓷基板的厚度小于或等于2_。
[0028]在本發明的一實施例中，該至少一流延片的厚度小于或等于2_。
[0029]在本發明的一實施例中，該至少一陶瓷基板的厚度在ΙΟΟμπι?0.5mm之間。
[0030]在本發明的一實施例中，該至少一流延片的厚度在ΙΟΟμπι?0.5mm之間。
[0031 ] 在本發明的一實施例中，該多層疊合結構為對稱結構。
[0032]本發明由于采用以上技術方案，使之與現有技術相比，由于多孔陶瓷基板為已燒結的材料，當它與流延生坯片疊合時，二者間有較佳的結合強度，能夠抑制流延生坯片及其導電幾何結構的收縮，從而使導電幾何結構不至于發生明顯降低精度的變形。在此，陶瓷基板的多孔結構有利于在疊合時與流延生坯片形成咬合作用，提高層間結合強度，起到抑制流延生坯片燒結收縮的作用。
【附圖說明】
[0033]為讓本發明的上述目的、特征和優點能更明顯易懂，以下結合附圖對本發明的【具體實施方式】作詳細說明，其中:
[0034]圖1示出本發明一實施例的陶瓷基超材料的制備方法流程圖。
[0035]圖2示出根據本發明一實施例所制得的多孔陶瓷基板。
[0036]圖3示出根據本發明一實施例所制得的流延片。
[0037]圖4示出根據本發明一實施例所制得的含有導電幾何結構的流延片。
[0038]圖5示出本發明第一實施例的陶瓷基超材料的分層結構。
[0039]圖6示出本發明第二實施例的陶瓷基超材料的分層結構。
[0040]圖7示出本發明第三實施例的陶瓷基超材料的分層結構。
【具體實施方式】
[0041]下面結合具體實施例和附圖對本發明作進一步說明，在以下的描述中闡述了更多的細節以便于充分理解本發明，但是本發明顯然能夠以多種不同于此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發明內涵的情況下根據實際應用情況作類似推廣、演繹，因此不應以此具體實施例的內容限制本發明的保護范圍。
[0042]本發明的實施例將描述陶瓷基超材料的制備方法。這一陶瓷基超材料具有多層疊合結構。對于多層疊合結構而言，各層在燒結中的的收縮會相互影響。尤其是，一層的收縮會受到與其相結合的相鄰層的顯著影響。因此可以利用這些影響來抑制燒結過程中的收縮。
[0043]圖1示出本發明一實施例的陶瓷基超材料的制備方法流程圖。參照圖1所示，制備方法的流程如下:
[0044]步驟101，以流延法將陶瓷漿料成型得到陶瓷坯片。
[0045]陶瓷漿料通常地包含陶瓷粉末以及溶劑、分散劑、粘接劑、增塑劑等成分。在本實施例中，為了令所形成的陶瓷基板為多孔板，在陶瓷漿料中還加入了成孔劑。
[0046]陶瓷漿料中的陶瓷粉末可以選擇石英陶瓷粉末。石英陶瓷基板的優點在于具有較低的介電常數和介電損耗，符合吸波超材料的性能要求。
[0047]在步驟102，燒結陶瓷坯片以得到多孔的陶瓷基板。
[0048]流延法的優點是，經過燒結得到的陶瓷基板的厚度可以薄至2mm，小于按照制備石英陶瓷基板的常規方法所制得的石英陶瓷基板的厚度(大約在4mm)。盡管如此，如果希望獲得更薄的陶瓷基板，可以對陶瓷基板進行適當的打磨。
[0049]圖2示出根據本發明一實施例所制得的多孔陶瓷基板20。
[0050]在步驟103，以流延法制得流延生坯片。
[0051]圖3示出根據本發明一實施例所制得的流延片30。
[0052]流延生坯片的材料可以與陶瓷基板的材料接近，以提高合適的結合強度。也就是說，使用主要基于陶瓷粉末的漿料來流延成型。
[0053]在步驟104，在流延生坯片上形成導電幾何結構，獲得至少一包含有導電幾何結構的流延生坯片。
[0054]圖3示出根據本發明一實施例所制得的含有導電幾何結構40的流延片30’。
[0055]在步驟105，疊合陶瓷基板與流延生坯片以形成一多層疊合結構。
[0056]在此，疊合所使用的流延生坯片可以有包含導電幾何結構的流延生坯片，也可以有不包含導電幾何結構的流延生坯片。
[0057]至此，多層疊合結構中，陶瓷基板為已燒結的材料，而流延生坯片為未經燒結的材料。
[0058]在步驟106，燒結多層疊合結構，獲得陶瓷基超材料。
[0059]本實施例的優點在于，由于陶瓷基板為已燒結的材料，當它與流延生坯片疊合時，二者間有較佳的結合強度，能夠抑制流延生坯片及其導電幾何結構的收縮，從而使導電幾何結構不至于發生明顯降低精度的變形。在此，陶瓷基板的多孔結構有利于在疊合時與流延生坯片形成咬合作用，提高層間結合強度，起到抑制流延生坯片燒結收縮的作用。
[0060]試驗表明，陶瓷基板的孔徑在0.5-4 μ m之間，可以起到較為明顯的抑制流延生坯片燒結收縮的作用。
[0061]在燒結之前，可以通過排膠的工序，去除陶瓷漿料中的部分有機物。
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