陶瓷基超材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及超材料，尤其是涉及陶瓷基超材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]超材料(Metamaterial)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。超材料的奇特性质源于其精密的几何结构以及尺寸大小。超材料中的微结构，大小尺度小于它作用的波长，因此得以对波施加影响。迄今发展出的超材料包括左手材料、光子晶体、超磁性材料等。左手(LH)材料是一类在一定的频段下同时具有负的磁导率和负的介电常数的材料系统(对电磁波的传播形成负的折射率)。与之相对的是，大多数自然的材料是RH材料。超材料的奇异性质使它具有广泛的应用前景，从高接收率天线，雷达反射罩甚至是地震预警。
[0003]从结构上看，超材料是由非金属材料制成的基板和附着在基板表面上或嵌入在基板内部的多个导电几何结构构成的。基板可以虚拟地划分为阵列排布的多个基板单元。每个基板单元上附着有导电几何结构，从而形成一个超材料单元。整个超材料是由很多这样的超材料单元组成的，就像晶体是由无数的晶格按照一定的排布构成的。每个超材料单元上的导电几何结构可以相同或者不完全相同。导电几何结构是由导电材料组成的具有一定几何图形的平面或立体结构。
[0004]由于导电几何结构的存在，每个超材料单元具有不同于基板本身的电磁特性，因此所有的超材料单元构成的超材料对电场和磁场呈现出特殊的响应特性。通过对导电几何结构设计不同的具体结构和形状，可以改变整个超材料的响应特性。
[0005]透波超材料是能透过电磁波且几乎不改变电磁波的性质(包括能量)的材料。透波超材料的基板的较优材料是熔融石英陶瓷。目前生产的石英陶瓷基板通常用浆料浇注法或凝胶注模法制得。这些制造方法的缺点是，所制得的石英陶瓷基板大于4mm，不够薄。如果要制得更薄，例如厚度在2mm以下的薄板，需要将前述的石英陶瓷基板用平面磨床打磨。然而这种加工方式的加工成本高，同时所得薄材机械强度较低。因此用前述方式加工后的薄板做成陶瓷基超材料存在价格贵、层间连接强度低的缺点。
[0006]流延法是指在陶瓷粉料中加入溶剂、分散剂、粘接剂、增塑剂等成分，得到分散均匀的稳定浆料，在流延机上制得要求厚度薄膜的一种成型方法。已有使用流延法来制造陶瓷薄板的研究和生产实施。然而使用流延法制得的流延薄片存在烧结收缩率过大的问题。过大的收缩率会导致陶瓷基超材料上的导电几何结构变形，从而降低了导电几何结构的分布精度。这对于对导电几何结构的分布精度有极高要求的超材料来说是不能接受的。
【发明内容】
[0007]本发明的一个目的是提供一种陶瓷基超材料的制备方法，可以抑制陶瓷基超材料的收缩，从而提高导电几何结构的分布精度。
[0008]本发明的另一目的是提供一种陶瓷基超材料，具有较高的导电几何结构的分布精度。
[0009]本发明所提出一种陶瓷基超材料的制备方法，包括以下步骤:以流延法将陶瓷浆料成型得到至少一陶瓷坯片，该陶瓷浆料包括成孔剂；烧结该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导电几何结构；叠合至少一陶瓷基板与至少一流延生坯片以形成一多层叠合结构；以及烧结该多层叠合结构，获得该陶瓷基超材料。
[0010]在本发明的一实施例中，烧结得到的该至少一陶瓷基板的孔隙度满足:15%〈孔隙度〈50%。
[0011 ] 在本发明的一实施例中，烧结得到的该至少一陶瓷基板的孔径在0.5-4 μ m之间。
[0012]在本发明的一实施例中，该成孔剂为石墨或碳粉。
[0013]在本发明的一实施例中，该至少一陶瓷基板的厚度小于或等于2_。
[0014]在本发明的一实施例中，该至少一流延生坯片的厚度小于或等于2_。
[0015]在本发明的一实施例中，该至少一陶瓷基板的厚度在ΙΟΟμπι?0.5mm之间。
[0016]在本发明的一实施例中，该至少一流延生还片的厚度在ΙΟΟμπι?0.5mm之间。
[0017]在本发明的一实施例中，该多层叠合结构为对称结构。
[0018]在本发明的一实施例中，在烧结该多层叠合结构之前还包括:将该多层叠合结构进行排胶。
[0019]在本发明的一实施例中，叠合该至少一陶瓷基板与该至少一流延生坯片的温度小于 90。。。
[0020]在本发明的一实施例中，叠合该至少一陶瓷基板与该至少一流延生坯片的压力小于 5MPa。
[0021]在本发明的一实施例中，将该多层叠合结构进行排胶的温度小于580°C。
[0022]在本发明的一实施例中，将该多层叠合结构进行排胶的时间大于10小时。
[0023]在本发明的一实施例中，在烧结该多层叠合结构的温度小于900°C。
[0024]本发明所提出的一种陶瓷基超材料，包括由至少一多孔的陶瓷基板和至少一流延片叠合、烧结而成的多层叠合结构，其中至少一流延片上附着有导电几何结构，且该至少一陶瓷基板与该至少一流延片叠合之前，该至少一陶瓷基板为已烧结，且该至少一流延片为未烧结。
[0025]在本发明的一实施例中，该至少一陶瓷基板的孔隙度满足:15%〈孔隙度〈50%。
[0026]在本发明的一实施例中，该至少一陶瓷基板的孔径在0.5_4μ m之间。
[0027]在本发明的一实施例中，该至少一陶瓷基板的厚度小于或等于2_。
[0028]在本发明的一实施例中，该至少一流延片的厚度小于或等于2_。
[0029]在本发明的一实施例中，该至少一陶瓷基板的厚度在ΙΟΟμπι?0.5mm之间。
[0030]在本发明的一实施例中，该至少一流延片的厚度在ΙΟΟμπι?0.5mm之间。
[0031 ] 在本发明的一实施例中，该多层叠合结构为对称结构。
[0032]本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，由于多孔陶瓷基板为已烧结的材料，当它与流延生坯片叠合时，二者间有较佳的结合强度，能够抑制流延生坯片及其导电几何结构的收缩，从而使导电几何结构不至于发生明显降低精度的变形。在此，陶瓷基板的多孔结构有利于在叠合时与流延生坯片形成咬合作用，提高层间结合强度，起到抑制流延生坯片烧结收缩的作用。
【附图说明】
[0033]为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的【具体实施方式】作详细说明，其中:
[0034]图1示出本发明一实施例的陶瓷基超材料的制备方法流程图。
[0035]图2示出根据本发明一实施例所制得的多孔陶瓷基板。
[0036]图3示出根据本发明一实施例所制得的流延片。
[0037]图4示出根据本发明一实施例所制得的含有导电几何结构的流延片。
[0038]图5示出本发明第一实施例的陶瓷基超材料的分层结构。
[0039]图6示出本发明第二实施例的陶瓷基超材料的分层结构。
[0040]图7示出本发明第三实施例的陶瓷基超材料的分层结构。
【具体实施方式】
[0041]下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。
[0042]本发明的实施例将描述陶瓷基超材料的制备方法。这一陶瓷基超材料具有多层叠合结构。对于多层叠合结构而言，各层在烧结中的的收缩会相互影响。尤其是，一层的收缩会受到与其相结合的相邻层的显著影响。因此可以利用这些影响来抑制烧结过程中的收缩。
[0043]图1示出本发明一实施例的陶瓷基超材料的制备方法流程图。参照图1所示，制备方法的流程如下:
[0044]步骤101，以流延法将陶瓷浆料成型得到陶瓷坯片。
[0045]陶瓷浆料通常地包含陶瓷粉末以及溶剂、分散剂、粘接剂、增塑剂等成分。在本实施例中，为了令所形成的陶瓷基板为多孔板，在陶瓷浆料中还加入了成孔剂。
[0046]陶瓷浆料中的陶瓷粉末可以选择石英陶瓷粉末。石英陶瓷基板的优点在于具有较低的介电常数和介电损耗，符合吸波超材料的性能要求。
[0047]在步骤102，烧结陶瓷坯片以得到多孔的陶瓷基板。
[0048]流延法的优点是，经过烧结得到的陶瓷基板的厚度可以薄至2mm，小于按照制备石英陶瓷基板的常规方法所制得的石英陶瓷基板的厚度(大约在4mm)。尽管如此，如果希望获得更薄的陶瓷基板，可以对陶瓷基板进行适当的打磨。
[0049]图2示出根据本发明一实施例所制得的多孔陶瓷基板20。
[0050]在步骤103，以流延法制得流延生坯片。
[0051]图3示出根据本发明一实施例所制得的流延片30。
[0052]流延生坯片的材料可以与陶瓷基板的材料接近，以提高合适的结合强度。也就是说，使用主要基于陶瓷粉末的浆料来流延成型。
[0053]在步骤104，在流延生坯片上形成导电几何结构，获得至少一包含有导电几何结构的流延生坯片。
[0054]图3示出根据本发明一实施例所制得的含有导电几何结构40的流延片30’。
[0055]在步骤105，叠合陶瓷基板与流延生坯片以形成一多层叠合结构。
[0056]在此，叠合所使用的流延生坯片可以有包含导电几何结构的流延生坯片，也可以有不包含导电几何结构的流延生坯片。
[0057]至此，多层叠合结构中，陶瓷基板为已烧结的材料，而流延生坯片为未经烧结的材料。
[0058]在步骤106，烧结多层叠合结构，获得陶瓷基超材料。
[0059]本实施例的优点在于，由于陶瓷基板为已烧结的材料，当它与流延生坯片叠合时，二者间有较佳的结合强度，能够抑制流延生坯片及其导电几何结构的收缩，从而使导电几何结构不至于发生明显降低精度的变形。在此，陶瓷基板的多孔结构有利于在叠合时与流延生坯片形成咬合作用，提高层间结合强度，起到抑制流延生坯片烧结收缩的作用。
[0060]试验表明，陶瓷基板的孔径在0.5-4 μ m之间，可以起到较为明显的抑制流延生坯片烧结收缩的作用。
[0061]在烧结之前，可以通过排胶的工序，去除陶瓷浆料中的部分有机物。
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