[发明专利]透波超材料及其陶瓷介质基板和浆料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及透波超材料，尤其是涉及透波超材料所使用的陶瓷介质基板，以及陶瓷介质基板、陶瓷介质基板浆料的制备方法。

背景技术

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。

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。

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。

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。为了实现所需的性能，要求透波超材料的介质基板有较低的介电常数和介电损耗。同时由于超材料的许多应用场合面对恶劣的环境，还需要介质基板有较高的机械强度和良好的热学性能。

在多种指标的要求下，用于透波超材料的具有所需低介电常数和低介电损耗的材质并不容易找到。

陶瓷材料是透波超材料的介质基板的可选材料之一。目前陶瓷材料在电子元件中的应用的研究发展迅速，尤其是低温共烧陶瓷技术（LTCC）引人瞩目。例如，中国专利公开号CN102093031A披露一种低软化点玻璃-陶瓷系低温共烧陶瓷材料及其制备方法。它是将玻璃粉和陶瓷粉混合，以流延成型法制成粗坯，并在800～950℃条件下烧结制得。低温共烧陶瓷的优点之一是，适合与通常作为导电层的金属银共烧。金属银的熔点为962℃，这就需要烧结温度在900℃以下。尽管该文献宣称可以制得低介电常数、低介电损耗的陶瓷材料，但是其各个实施例的陶瓷基板材料，介电常数最低也达到了5.5，最高则达到7.2。但是这些介电常数对于透波超材料而言并不优良。

美国电子科学实验室提供的可商业获得的用于制作介质基板的陶瓷流延带，其主要成分是氧化铝和氧化硅，介电常数是4.1，介电损耗是10^-2。但是这些介电常数和介电损耗指标仍未令人满意。而且这一陶瓷流延带价格昂贵，提高了产品成本。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种陶瓷介质基板的浆料的制备方法，该浆料适于制备具有更低介电常数和介电损耗的陶瓷介质基板。

本发明的另一目的是提供一种具有更低介电常数和介电损耗的陶瓷介质基板及其制备方法。

本发明的另一目的是提供一种透波超材料，其介质基板为具有更低介电常数和介电损耗的陶瓷介质基板。

本发明所提出的陶瓷介质基板的浆料的制备方法，包括使用石英陶瓷粉和二氧化硅系玻璃粉的混合物来准备制作陶瓷介质基板所需的浆料，其中该石英陶瓷粉的含量为30～85wt%，该二氧化硅系玻璃粉的含量为15～70wt%。

在本发明的一实施例中，该石英陶瓷粉为非晶态。

在本发明的一实施例中，该石英陶瓷粉的颗粒大小在0.5-3μm之间。

在本发明的一实施例中，该二氧化硅系玻璃粉的粒径在0.5-4μm之间。

在本发明的一实施例中，该二氧化硅系玻璃粉中二氧化硅的含量不低于95wt%。

在本发明的一实施例中，该二氧化硅系玻璃粉还含有总含量不高于5wt%的氧化铝、氧化钾和氧化钠。

在本发明的一实施例中，该二氧化硅系玻璃粉的含量为30～50wt%。

在本发明的一实施例中，使用该混合物准备制作陶瓷介质基板所需的浆料的步骤包括：向该混合物中加入有机添加剂。