CN109880296B - 一种在金属网/环氧树脂复合材料中逆向设计负介电材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在金属网/环氧树脂复合材料中逆向设计负介电材料的方法，其包含以下步骤：步骤1，将若干个金属网放入已知浓度的酸溶液中，使酸溶液对所述金属网分别腐蚀不同的时间；步骤2，将液态环氧树脂和有机溶剂混合均匀后，加入固化剂并混匀，得到混合液；步骤3，将酸溶液腐蚀后的金属网分别浸入所述混合液，使环氧树脂渗入金属网中；得到金属网/环氧树脂复合材料；步骤4，使金属网/环氧树脂复合材料在真空条件下干燥；步骤5，检测步骤4中干燥后的金属网/环氧树脂复合材料的负介电常数，如果不符合要求，则重复步骤1至步骤4，并重新设计酸溶液对金属网腐蚀的时间，直至制备得到负介电常数符合要求的金属网/环氧树脂复合材料。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域和和超材料领域，具体涉及一种在金属网/环氧树脂复合材料中逆向设计负介电材料的方法。
背景技术
负介电材料由于其在等离子体激元生物传感、介电常数增强和电磁屏蔽等方面的新应用，在近十年来得到了广泛的关注。事实上，负介电材料的发展与超材料有着密切的关系，当负介电材料与负磁导率材料相结合时，可实现独特的负折射。超材料是通过设计其周期性阵列的形状(U型，开口谐振环,渔网)和排列模式进而实现对其电磁性能的调控。很长一段时间内，超材料主要在物理科学和通讯领域研究。
然而，通过控制材料的化学组成和微观结构，也可以实现对负电磁参数的调控，因此，负电磁参数也在无显著周期性结构的导体-绝缘体复合材料中引起关注。这些研究也极大地促进了材料科学与工程中负介电材料的发展。典型的材料加工方法为制备负介电材料提供了一种更为自由的有效途径，通过控制材料的化学成分和微观结构可以调节材料的负介电常数性能。理论分析表明，负介电常数是材料微观结构变化的结果，在此过程中，导电网络中的自由电子发生振荡。随着复合材料中导电填料(金属或碳材料)的增加，填料互相接触，形成导电网络，从而形成负介电常数，这是一种典型的逾渗现象。三维导电网络的构建是实现负介电常数材料的关键。
以往的研究主要集中在通过“增材制造”设计负介电材料，即通过在基体中添加导电颗粒，当导电相的含量超过但仍接近逾渗值后，导电相变为连续相，介电常数变为负值。但是受逾渗效应的影响，负介电常数对导电相的含量非常敏感，不容易实现对负介电性能的精确调控。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种容易实现对材料的负介电性能进行调控的方法，该方法工艺简便，制造成本低，能够精确调控复合材料的负介电性能。
为了达到上述目的，本发明提供了一种在金属网/环氧树脂复合材料中逆向设计负介电材料的方法，其包含以下步骤，步骤1：将若干个金属网放入已知浓度的酸溶液中，使酸溶液对所述金属网分别腐蚀不同的时间，时间以酸溶液将金属网完全腐蚀为限；步骤2：将液态环氧树脂和有机溶剂混合均匀后，加入固化剂并混匀，得到混合液；步骤3：将酸溶液腐蚀后的金属网分别浸入所述混合液，使环氧树脂渗入金属网中，得到金属网/环氧树脂复合材料；步骤4：使金属网/环氧树脂复合材料在真空条件下干燥；步骤5：检测步骤4中干燥后的金属网/环氧树脂复合材料的负介电常数，如果不符合要求，则重复步骤1至步骤4，并重新设计酸溶液对金属网腐蚀的时间，直至制备得到负介电常数符合要求的金属网/环氧树脂复合材料。
较佳地，步骤1中，所述的金属网包含镍网、铜网或铁网中的一种。
较佳地，步骤1中，所述的酸溶液为盐酸溶液。
较佳地，步骤1中，所述的盐酸溶液中盐酸的质量分数为18.5％～28.5％。
较佳地，步骤2中，所述有机溶剂为乙醇。
较佳地，步骤2中，所述液态环氧树脂和有机溶剂混合的温度为40～60℃。
较佳地，步骤3中，金属网浸入所述混合液后，将金属网放入真空环境，使环氧树脂渗入金属网中。
较佳地，步骤3中，将金属网放入真空环境中的时间为1-3小时。
较佳地，步骤4中，所述干燥的温度为120℃，所述干燥的时间为5h。
较佳地，所述的方法还包含步骤6：根据负介电常数符合要求的金属网被腐蚀的时间，使酸溶液对金属网进行腐蚀，并按照步骤2至4重复制备负介电常数符合要求的金属网/环氧树脂复合材料。
有益效果：
(1)本发明的在金属网/环氧树脂复合材料中逆向设计负介电材料的方法工艺简单，成本低，可以实现产品的批量化生产，具有很好的商业前景。
(2)逆向设计精确调控复合材料的负介电常数性能，通过改变酸腐蚀金属网的时间，即可改变负介电常数数值，负介电常数性能调控简单。
(3)网状金属使复合材料具有一定的机械强度，易于加工成所需的形状。
附图说明
图1为实施例1中镍网未被腐蚀和腐蚀10小时时的扫描电镜的对比图，其中，图1的(a)为镍网未被腐蚀时的扫描电镜图，图1的(b)为镍网被腐蚀10小时时的扫描电镜图。
图2为实施例1的镍网/环氧树脂复合材料的介电常数实部ε′随频率变化的图谱。
具体实施方式
为使本发明的具体过程和优点更加清楚，下面将结合具体实施例进行详细描述。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体条件进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
本发明提供一种“减材制造”法制备负介电材料，将已经存在的网络通过化学方法或材料加工的方法来削弱，从而可以精确地控制负介电常数的值在一定范围内，这种方法叫做逆向设计具有负介电常数的材料的方法，该方法工艺简便，制造成本低。
本发明的在金属网/环氧树脂复合材料中逆向设计负介电材料的方法，选择具有良好化学活性的金属网，该金属网能与酸发生反应，通过“减材制造”，即控制金属网与酸的反应时间，可实现逆向设计负介电材料。负介电材料在逆向设计过程中，网络逐渐减弱甚至完全破坏。此外，环氧树脂具有良好的绝缘性，选为金属网/环氧树脂复合材料的基体，可赋予复合材料一定的机械强度。所述的“/”表示复合材料由金属网和环氧树脂聚合形成。
下述实施例中所用的材料、试剂等，均可从商业途径得到。其中，使用的盐酸溶液质量分数18.5％～28.5％。本发明中，盐酸溶液的质量分数并不限定为18.5％～28.5％，如果盐酸溶液浓度较低，则延长金属腐蚀时间；如果盐酸溶液浓度较高，则降低金属腐蚀时间。
实施例1
一种在镍网/环氧树脂复合材料中逆向设计负介电材料的方法，包括步骤如下：
(1)镍网用酒精超声清洗。同时制备盐酸溶液。然后将镍网放入盐酸溶液中，分别腐蚀2、4、10、11小时。腐蚀镍网的时间越长，对镍网结构的破坏力越强。图1的(a)为镍网未腐蚀的扫描电镜图，图1的(b)为镍网被腐蚀10小时时的扫描电镜图，从扫描电镜图可以看出，镍丝变细甚至断裂。
(2)将5g液态环氧树脂与2g酒精混合，以降低环氧树脂粘度，并在环氧树脂溶液中加入0.2g固化剂，在60℃下搅拌至溶液澄清。
(3)将步骤(1)中腐蚀后的镍网浸入步骤(2)环氧树脂溶液中，抽真空1-3小时，使环氧树脂完全渗入镍网，到的镍网/环氧树脂复合材料。
(4)步骤(3)得到的镍网/环氧树脂复合材料在真空干燥箱120℃下干燥5h。图2为镍网/环氧树脂复合材料的介电常数实部ε′随频率变化的图谱。从图中可以看出，镍网腐蚀时间越长，负介电常数的数值越小，直至由负介电变为正介电。
(5)最后，用机械加工的方法，按照零件或应用要求，将镍网/环氧树脂复合材料加工成一定的形状和尺寸。
实施例2
一种在铜网/环氧树脂复合材料中逆向设计负介电材料的方法，包括步骤如下：
(1)铜网用酒精超声清洗。同时制备盐酸溶液。然后将铜网放入盐酸溶液中，分别腐蚀2、4、6、8小时。
(2)将5g液态环氧树脂与2g酒精混合，以降低环氧树脂粘度，并在环氧树脂溶液中加入0.2g固化剂，在60℃下搅拌至溶液澄清。
(3)将步骤(1)中腐蚀后的铜网浸入步骤(2)环氧树脂溶液中，抽真空1-3小时，使环氧树脂渗入铜网，得到铜网/环氧树脂复合材料。
(4)步骤(3)得到的铜网/环氧树脂复合材料在真空干燥箱120℃下干燥5h。
(5)最后，用机械加工的方法，按照零件或应用要求，将铜网/环氧树脂复合材料加工成一定的形状和尺寸。
实施例3
一种在铁网/环氧树脂复合材料中逆向设计负介电材料的方法，包括步骤如下：
(1)铁网用酒精超声清洗。同时制备盐酸溶液。然后将铁网放入盐酸溶液中，分别腐蚀1、2、3、4小时。
(2)将5g液态环氧树脂与2g酒精混合，以降低环氧树脂粘度，并在环氧树脂溶液中加入0.2g固化剂，在60℃下搅拌至溶液澄清。
(3)将步骤(1)中腐蚀后的铁网浸入步骤(2)环氧树脂溶液中，抽真空1-3小时，使环氧树脂渗入铁网，得到铁网/环氧树脂复合材料。
(4)步骤(3)得到的铁网/环氧树脂复合材料在真空干燥箱120℃下干燥5h。
(5)最后，用机械加工的方法，按照零件或应用要求，将铁网/环氧树脂复合材料加工成一定的形状和尺寸。
上述实施例中，可通过控制金属网与酸溶液的反应时间，获得负介电常数符合要求的复合材料。网状金属还使复合材料具有一定的机械强度，易于加工成所需的形状。
综上所述，本发明的方法以环氧树脂为基体，以具有良好化学活性的金属网为电磁功能体，采用化学腐蚀和原位聚合工艺，制备介电常数为负值的金属网/环氧树脂复合材料，工艺简便，制造成本低，在微波吸收、超材料及无线电力传输等应用领域，具有重要的研究价值和广阔的市场前景。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (9)
1.一种在金属网/环氧树脂复合材料中逆向设计负介电材料的方法，其特征在于，包含以下步骤，
步骤1：将若干个金属网放入已知浓度的酸溶液中，使酸溶液对所述金属网分别腐蚀不同的时间，时间以酸溶液将金属网完全腐蚀为限；所述的金属网选择镍网；
步骤2：将液态环氧树脂和有机溶剂混合均匀后，加入固化剂并混匀，得到混合液；
步骤3：将酸溶液腐蚀后的金属网分别浸入所述混合液，使环氧树脂渗入金属网中，得到金属网/环氧树脂复合材料；
步骤4：使金属网/环氧树脂复合材料在真空条件下干燥；
步骤5：检测步骤4中干燥后的金属网/环氧树脂复合材料的负介电常数，如果不符合要求，则重复步骤1至步骤4，并重新设计酸溶液对金属网腐蚀的时间，直至制备得到负介电常数符合要求的金属网/环氧树脂复合材料。
2.根据权利要求1所述的在金属网/环氧树脂复合材料中逆向设计负介电材料的方法，其特征在于，步骤1中，所述的酸溶液为盐酸溶液。
3.根据权利要求2所述的在金属网/环氧树脂复合材料中逆向设计负介电材料的方法，其特征在于，步骤1中，所述的盐酸溶液中盐酸的质量分数为18.5％～28.5％。
4.根据权利要求1所述的在金属网/环氧树脂复合材料中逆向设计负介电材料的方法，其特征在于，步骤2中，所述有机溶剂为乙醇。
5.根据权利要求1所述的在金属网/环氧树脂复合材料中逆向设计负介电材料的方法，其特征在于，步骤2中，所述液态环氧树脂和有机溶剂混合的温度为40～60℃。
6.根据权利要求1所述的在金属网/环氧树脂复合材料中逆向设计负介电材料的方法，其特征在于，步骤3中，金属网浸入所述混合液后，将金属网放入真空环境，使环氧树脂渗入金属网中。
7.根据权利要求6所述的在金属网/环氧树脂复合材料中逆向设计负介电材料的方法，其特征在于，步骤3中，将金属网放入真空环境中的时间为1-3小时。
8.根据权利要求1所述的在金属网/环氧树脂复合材料中逆向设计负介电材料的方法，其特征在于，步骤4中，所述干燥的温度为120℃，所述干燥的时间为5h。
9.根据权利要求1所述的在金属网/环氧树脂复合材料中逆向设计负介电材料的方法，其特征在于，所述的方法还包含步骤6：根据负介电常数符合要求的金属网被腐蚀的时间，使酸溶液对金属网进行腐蚀，并按照步骤2至4重复制备负介电常数符合要求的金属网/环氧树脂复合材料。
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