CN102476456A - 一种介质基板的制备方法及超材料 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种介质基板的制备方法以及应用了该制备方法制得的介质基板的超材料，一方面可以得到具有均一电磁参数的介质基板，能实现对超材料电磁特性的精确控制，另一方面，可以通过改变介质基板中纤维丝的排列疏密程度来实现介质基板电磁参数达到预设的排布规律，从而扩展介质基板的电磁功能设计和应用。
Description
【技术领域】
本发明涉及超材料领域，具体地涉及超材料介质基板的制备。
【背景技术】
超材料一般由多个超材料功能板层叠或按其他规律阵列组合而成，超材料功能板包括介质基板以及阵列在介质基板上的多个人造微结构，现有超材料的介质基板一般为均一材料的有机树脂基板，如FR4、TP1等等，其加工工艺一般是采用现有的PCB板的加工工艺。为了确定良好的机械性能，介质基板一般包括有增强材料，如玻璃纤维布、纸质电子布等，通过使增强材料浸渍到有机树脂胶液中，再经固化成型得到介质基板。对于现有的玻璃纤维或其他纤维增强材料而言，在微观结构上，其纤维丝为杂乱无序的排布状态，纤维增强材料的微观结构图如图1所示。
而对于超材料而言，由于需要对人造微结构的结构和排列规律进行精确设计和控制，进而实现对电场或磁场产生特定的电磁响应。因此，在不要求介质基板具有电磁调制功能时，要求超材料介质基板具有良好的材质均一性，另一方面，在需要使介质基板的电磁参数如介电常数等具有非均匀分布特性时，需要通过可控的方法来使介质基板的电磁参数达到预定的要求。
对于现有的有机树脂基板而言，由于纤维增强材料微观结构的无序性和不可控性，使得超材料介质基板很难达到需要的电磁特性要求，满足不了应用需要。
【发明内容】
本发明为解决的上述技术问题是提供一种介质基板的制备方法以及具有该介质基板的超材料。
本发明实现发明目的采用的技术方案是，一种介质基板的制备方法，包括以下步骤：
a.在一模具表面涂覆脱模剂；
b.将所述模具固定在一转轴上并随所述转轴旋转，通过绕线的方法使所述模具上缠绕纤维丝，使纤维丝依次排列，形成第一层纤维材料；
c.在所述模具上涂覆有机树脂胶液，所述有机树脂胶液包含有有机树脂、溶剂以及固化剂；
d.将所述有机树脂胶液固化成型；
e.脱模后裁剪得到具有纤维材料的有机树脂介质基板。
更好地，所述b步骤还包括：在所述模具表面形成第一层纤维材料后，将所述模具旋转一定角度，通过绕线的方法在所述模具上继续缠绕纤维丝，使纤维丝依次排列并与所述第一层纤维材料的纤维丝相互交织，形成第二层纤维材料。
更好地，将所述模具旋转90度，通过绕线的方法在所述模具上继续缠绕纤维丝，使纤维丝依次排列并与所述第一层纤维材料的纤维丝相互垂直交织，形成第二层纤维材料。
更好地，所述b步骤还包括：控制所述转轴沿轴向运动，且所述沿轴向运动的速度可控。
更好地，所述c步骤中，在所述模具上涂覆有机树脂胶液后还包括：对所述模具的表面进行刮膜，使所述模具表面具有均匀厚度的有机树脂胶液。
更好地，在所述d步骤后重复步骤b、c、d至少一遍。
更好地，所述脱模剂为脂肪酸皂、脂肪酸、石蜡、甘油或凡士林。
更好地，所述纤维丝为玻璃纤维、陶瓷纤维或碳纤维。
更好地，所述有机树脂为环氧树脂、溴化环氧树脂或环氧酚醛树脂。
更好地，所述模具为平板形或立方体形。
本发明还提供一种超材料，包括介质基板以及阵列在介质基板上的多个人造微结构，所述介质基板包括纤维增强材料和有机树脂材料，所述纤维增强材料的各条纤维丝依次有序排列。
更好地，所述介质基板包括有多层纤维增强材料。
更好地，所述纤维增强材料包括有两层相互交织的纤维丝。
更好地，所述两层相互交织的纤维丝相互垂直交织。
具体实施时，所述各条纤维丝之间具有非均匀的间距。
通过使用本发明介质基板的制备方法以及具有该介质基板的超材料，一方面可以得到具有均一电磁参数的介质基板，能实现对超材料电磁特性的精确控制，另一方面，可以通过改变介质基板中纤维丝的排列疏密程度来实现介质基板电磁参数达到预设的排布规律，从而扩展介质基板的电磁功能设计和应用。
【附图说明】
图1，现有纤维增强材料的微观结构图。
图2，实施例1绕线方法的工艺示意图。
图3，实施例1中玻璃纤维材料的微观结构示意图。
图4，实施例2绕线方法的工艺示意图。
图5，实施例2中陶瓷纤维材料的微观结构示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种介质基板的制备方法，包括以下步骤：
a.在平板形模具表面涂覆一层凡士林作为脱模剂；
b.设置绕线装置，绕线装置包括支架2、转轴3、驱动盘4、线卷5以及滑轮6，转轴3固定在支架2上，模具1固定在转轴3上并随转轴3旋转，转轴3与驱动盘4固定连接并在驱动盘4的作用下旋转，线卷5上装有玻璃纤维卷，通过绕线的方法使模具3上缠绕玻璃纤维丝，使玻璃纤维丝等间距地依次排列，形成第一层纤维材料，然后将模具1旋转一定角度后重新固定在转轴3上，通过绕线的方法使模具3上继续缠绕玻璃纤维丝，使玻璃纤维丝等间距地依次排列，形成第二层纤维材料，绕线方法的工艺示意图参看附图2，图中的细线代表玻璃纤维丝，细线的数量也不代表实际玻璃纤维丝的数量，本附图只是为了表征玻璃纤维丝之间的等间距交织方式而作的示意表示；
c.在模具上涂覆环氧树脂胶液，环氧树脂胶液采用以下方法配制：在反应器中将二甲基甲酰胺和乙二醇甲醚搅拌混合，配成混合溶剂，加入双氰胺作为固化剂，搅拌溶解，加入环氧树脂，搅拌混合得到环氧树脂胶液；
d.将模具置于烘箱中加热，使环氧树脂胶液固化成型；
e.脱模后经裁剪，得到环氧树脂介质基板。
由上述方法制得的介质基板，由于玻璃纤维丝是经过绕线的方法依次等间距地缠绕在模具上，所以很容易保证玻璃纤维的均匀性，使得制得的介质基板具有更好地的材料均一性，进而使介质基板具有均一的电磁参数，如介电常数。
本实施例还提供一种超材料，包括介质基板以及阵列在介质基板上的多个人造微结构，介质基板采用上述制备方法制得，其介质基板中玻璃纤维材料的微观结构示意图参看附图3，玻璃纤维材料中的纤维丝等间距排列并交织。
本实施例通过玻璃纤维材料中纤维丝的等间距排列，可以得到具有均一电磁参数的介质基板，从而能实现对超材料电磁特性的精确控制。
实施例2
一种介质基板的制备方法，包括以下步骤：
a.在立方体形模具表面涂覆一层石蜡作为脱模剂；
b.设置绕线装置，绕线装置包括支架2、转轴3、驱动盘4、线卷5以及滑轮6，转轴3固定在支架2上，模具1固定在转轴3上并随转轴3旋转，转轴3与驱动盘4固定连接并在驱动盘4的作用下旋转，同时，通过驱动盘4使转轴3沿轴向运动，线卷5上装有陶瓷纤维卷，通过绕线的方法使模具3上缠绕陶瓷纤维丝，由于模具1在随转轴3旋转的同时沿轴向运动，控制轴向运动的速度可以使得陶瓷纤维丝非均匀地依次排列，形成第一层纤维材料，然后将模具1旋转一定角度后重新固定在转轴3上，通过绕线的方法使模具3上继续缠绕陶瓷纤维丝，使陶瓷纤维丝非均匀地依次排列，形成第二层纤维材料，绕线方法的工艺示意图参看附图4，图中的细线代表陶瓷纤维丝，图中陶瓷纤维丝之间的间距并不代表实际的间距，细线的数量也不代表实际陶瓷纤维丝的数量，本附图只是为了表征陶瓷纤维丝之间的非均匀交织方式而作的示意表示；
c.在模具上涂覆溴化环氧树脂胶液，溴化环氧树脂胶液采用以下方法配制：在反应器中丙酮作为溶剂，加入二氨基二苯基甲烷作为固化剂，搅拌溶解，加入溴化环氧树脂，搅拌混合即得到溴化环氧树脂胶液，然后对模具的表面进行刮膜，使模具表面具有均匀厚度的有机树脂胶液；
d.将模具置于烘箱中加热，使溴化环氧树脂胶液固化成型；
e.重复步骤b、c、d，使模具表面交替反复形成陶瓷纤维增强材料和溴化环氧树脂胶液；最后，脱模后进行裁剪，得到溴化环氧树脂介质基板。
由上述方法制得的介质基板，由于陶瓷纤维丝是经过绕线的方法非均匀地缠绕在模具上，通过控制转轴3的轴向运动的速度可以使陶瓷纤维丝达到预定的疏密程度，使得制得的介质基板的介电常数形成预定的分布规律。同时，由于陶瓷纤维具有较高的介电常数，不仅能使介质基板满足较高介电常数的要求，而且通过控制陶瓷纤维丝的疏密程度可以在较大的范围内对介电常数进行设计，提高了功能应用范围。
本实施例还提供一种超材料，包括介质基板以及阵列在介质基板上的多个人造微结构，介质基板采用上述制备方法制得，其介质基板中玻璃纤维材料的微观结构示意图参看附图5，玻璃纤维材料中的纤维丝非均匀地排列并交织。
本实施例通过改变介质基板中纤维丝的排列疏密程度来实现介质基板电磁参数达到预设的排布规律，从而扩展介质基板的电磁功能设计和应用。
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 (15)
1.一种介质基板的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
a.在一模具表面涂覆脱模剂；
b.将所述模具固定在一转轴上并随所述转轴旋转，通过绕线的方法使所述模具上缠绕纤维丝，使纤维丝依次排列，形成第一层纤维材料；
c.在所述模具上涂覆有机树脂胶液，所述有机树脂胶液包含有有机树脂、溶剂以及固化剂；
d.将所述有机树脂胶液固化成型；
e.脱模后裁剪得到具有纤维材料的有机树脂介质基板。
2.根据权利要求1所述的介质基板的制备方法，其特征在于，所述b步骤还包括：在所述模具表面形成第一层纤维材料后，将所述模具旋转一定角度，通过绕线的方法在所述模具上继续缠绕纤维丝，使纤维丝依次排列并与所述第一层纤维材料的纤维丝相互交织，形成第二层纤维材料。
3.根据权利要求2所述的介质基板的制备方法，其特征在于，将所述模具旋转90度，通过绕线的方法在所述模具上继续缠绕纤维丝，使纤维丝依次排列并与所述第一层纤维材料的纤维丝相互垂直交织，形成第二层纤维材料。
4.根据权利要求1至3任一项所述的介质基板的制备方法，其特征在于，所述b步骤还包括：控制所述转轴沿轴向运动，且所述沿轴向运动的速度可控。
5.根据权利要求1至3任一项所述的介质基板的制备方法，其特征在于，所述c步骤中，在所述模具上涂覆有机树脂胶液后还包括：对所述模具的表面进行刮膜，使所述模具表面具有均匀厚度的有机树脂胶液。
6.根据权利要求1至3任一项所述的介质基板的制备方法，其特征在于，在所述d步骤后重复步骤b、c、d至少一遍。
7.根据权利要求1所述的介质基板的制备方法，其特征在于，所述脱模剂为脂肪酸皂、脂肪酸、石蜡、甘油或凡士林。
8.根据权利要求1所述的介质基板的制备方法，其特征在于，所述纤维丝为玻璃纤维、陶瓷纤维或碳纤维。
9.根据权利要求1所述的介质基板的制备方法，其特征在于，所述有机树脂为环氧树脂、溴化环氧树脂或环氧酚醛树脂。
10.根据权利要求1所述的介质基板的制备方法，其特征在于，所述模具为平板形或立方体形。
11.一种超材料，包括介质基板以及阵列在介质基板上的多个人造微结构，所述介质基板包括纤维增强材料和有机树脂材料，其特征在于：所述纤维增强材料的各条纤维丝依次有序排列。
12.根据权利要求11所述的超材料，其特征在于：所述介质基板包括有多层纤维增强材料。
13.根据权利要求11或12所述的超材料，其特征在于：所述纤维增强材料包括有两层相互交织的纤维丝。
14.根据权利要求13所述的超材料，其特征在于：所述两层相互交织的纤维丝相互垂直交织。
15.根据权利要求11所述的超材料，其特征在于：所述各条纤维丝之间具有非均匀的间距。
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Application publication date: 20120530 |