【技术实现步骤摘要】
本申请涉及材料制备，具体而言，涉及一种介电常数可调节的超材料的设计方法与制备方法。
技术介绍
1、介电常数，也称为相对电容率或相对介电常量，是描述材料对电场响应的物理量，它表示了材料在电场作用下存储和传导电荷的能力。通常，相对介电常数大于3.6的物质为极性物质；相对介电常数在2.8～3.6范围内的物质为弱极性物质；相对介电常数小于2.8为非极性物质。
2、介电常数在许多领域中都具有广泛的应用。不同的应用领域，对材料介电常数的要求不同。特别是近年来，随着移动通信技术的不断发展，对于毫米波的应用，随着波长和电路尺寸的缩小，小型化电子设备不再是难点，材料的低介电常数和低损耗显得更加重要；半导体领域对低介电常数材料的研究也日益增多。因此，对材料介电常数的精准控制，对于实现高性能、高效能的电子技术和系统至关重要。
技术实现思路
1、本申请的目的在于提供一种介电常数可调节的超材料的设计方法与制备方法，其制备出的材料的介电常数的准确度较高，可根据需要精确制备出不同预设介电常数的材料。
2、第一方面，本申请提供了一种介电常数可调节的超材料的设计方法，超材料包括基体，基体内具有多个呈周期排列的空心区域。介电常数可调节的超材料的设计方法包括：根据公式(1)、超材料的预设介电常数、基体材料的介电常数以及空气的介电常数，确定基体的孔隙率；然后根据公式(2)以及基体的孔隙率，获得满足公式(2)的基体的体积、单个空心区域的体积以及基体内的空心区域的数量。
3、公式(1)如下
4、
5、公式(2)如下：
6、
7、ε0为超材料的预设介电常数；εh为基体材料的介电常数；εi为空气的介电常数；p为基体的孔隙率；n为基体内的空心区域的数量；v为基体的体积；v0为单个空心区域的体积。
8、本申请提供的介电常数可调节的超材料的设计方法中，通过设计内部具有多个呈周期排列的空心区域的基体结构作为所需要制备的超材料结构，并根据公式(1)、公式(2)、超材料所需要的目标介电常数(即预设介电常数)、空气的介电常数以及基体材料的介电常数，获得满足公式(2)的基体的体积、基体内每个空心区域的体积以及基体内空心区域的数量，进而可进一步确定出所需要制备的超材料的尺寸信息，按照确定出的所需要制备的超材料的尺寸信息即可制备具有预设介电常数的超材料。采用本申请提供的设计方法得到的超材料的介电常数准确度高，超材料的实际介电常数与其预设介电常数的一致性高，因此可根据需要精确制备出不同预设介电常数的材料，并可望在新型微波电子器件中应用。
9、结合第一方面，在本申请可选的实施方式中，基体的预设结构为长方体；多个空心区域沿基体的长度方向和宽度方向呈周期排列，且每个空心区域在基体的高度方向上的截面形状为正方形。确定单个空心区域的尺寸的步骤包括：根据公式(3)、基体的孔隙率、基体的预设尺寸和基体内的空心区域的预设数量，获得满足公式(3)的单个空心区域的高度以及单个空心区域在基体的高度方向上的截面形状的边长。
10、公式(3)如下：
11、
12、其中，p为基体的孔隙率；w为基体的宽度；l为基体的长度；h为基体的高度；n为基体内的空心区域的数量；a为单个空心区域在基体的高度方向上的截面形状的边长；h为单个空心区域的高度。
13、在上述技术方案中，便于快速设计出所需要制备的超材料的尺寸信息，同时由于超材料和空心区域的结构较为规则，也便于超材料的实际制备。
14、可选地，设定公式(3)中的基体的长度l、基体的宽度w、基体的高度h、基体内的空心区域的数量n以及单个空心区域的高度h，确定单个空心区域在基体的高度方向上的截面形状的边长a。
15、结合第一方面，在本申请可选的实施方式中，基体的预设结构为长方体；多个空心区域沿基体的长度方向和宽度方向呈周期排列，且每个空心区域在基体的高度方向上的截面形状为正六边形。确定单个空心区域的尺寸的步骤包括：根据公式(4)、基体的孔隙率、基体的预设尺寸和基体内的空心区域的预设数量，获得满足公式(4)的单个空心区域的高度以及单个空心区域在基体的高度方向上的截面形状的边长。
16、公式(4)如下：
17、
18、其中，p为基体的孔隙率；w为基体的宽度；l为基体的长度；h为基体的高度；n为基体内的空心区域的数量；a为单个空心区域在基体的高度方向上的截面形状的边长；h为单个空心区域的高度。
19、在上述技术方案中，便于快速设计出所需要制备的超材料的尺寸信息，同时由于超材料和空心区域的结构较为规则，也便于超材料的实际制备。
20、可选地，设定公式(4)中的基体的长度l、基体的宽度w、基体的高度h、基体内的空心区域的数量n以及单个空心区域的高度h，确定单个空心区域在基体的高度方向上的截面形状的边长a。
21、结合第一方面，在本申请可选的实施方式中，基体包括沿基体的高度方向依次层叠的第一实心层、中间空心层以及第二实心层；其中，空心区域设置于中间空心层内，且中间空心层的高度与单个空心区域的高度相同。
22、在上述技术方案中，将基体沿高度方向分为上中下三层，不仅便于快速设计出所需要制备的超材料的尺寸信息，也便于超材料的实际制备。
23、可选地，第一实心层的高度和第二实心层的高度相同。
24、第二方面，本申请提供了一种介电常数可调节的超材料的制备方法，该制备方法包括：采用上述第一方面任一项提供的介电常数可调节的超材料的设计方法，按照确定的超材料的尺寸信息，制备介电常数为预设介电常数的超材料。
25、本申请提供的介电常数可调节的超材料的制备方法得到的超材料的介电常数准确度高，超材料的实际介电常数与其预设介电常数的一致性高，因此可根据需要精确制备出不同预设介电常数的材料。
26、结合第二方面，在本申请可选的实施方式中，采用3d打印的方式，制备介电常数为预设介电常数的超材料。
27、在上述技术方案中，便于快速制备出尺寸符合所设计的超材料的尺寸信息的超材料。
28、结合第二方面，在本申请可选的实施方式中，基体的材料为聚合物材料，3d打印使用的浆料为流动态的聚合物材料。
29、结合第二方面，在本申请可选的实施方式中，基体的材料为陶瓷材料，3d打印使用的浆料为非牛顿流体状态的陶瓷浆料。3d打印后，对3d打印后得到的陶瓷生坯依次进行干燥和后处理；其中，后处理包括排胶处理和烧结处理。
30、结合第二方面，在本申请可选的实施方式中，干燥的温度为30℃～200℃，干燥的时间为1h～24h。或/和，后处理的步骤包括：以0.5℃/min～10℃/min的升温速率将干燥后的体系升温至第一温度，将干燥后的体系于第一温度下排胶1h～20h；以0.5℃/min～20℃/min的升温速率将排胶后的体系升温至第二温度，将排胶后的体系于第二温度下进行第一烧结2h～本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种介电常数可调节的超材料的设计方法，其特征在于，所述超材料包括基体，所述基体内具有多个呈周期排列的空心区域；
2.根据权利要求1所述的介电常数可调节的超材料的设计方法，其特征在于，所述基体的预设结构为长方体；多个所述空心区域沿所述基体的长度方向和宽度方向呈周期排列，且每个所述空心区域在所述基体的高度方向上的截面形状为正方形；
3.根据权利要求1所述的介电常数可调节的超材料的设计方法，其特征在于，所述基体的预设结构为长方体；多个所述空心区域沿所述基体的长度方向和宽度方向呈周期排列，且每个所述空心区域在所述基体的高度方向上的截面形状为正六边形；
4.根据权利要求2或3所述的介电常数可调节的超材料的设计方法，其特征在于，所述基体包括沿所述基体的高度方向依次层叠的第一实心层、中间空心层以及第二实心层；
5.一种介电常数可调节的超材料的制备方法，其特征在于，包括：采用权利要求1～4任一项所述的介电常数可调节的超材料的设计方法，按照确定的所述超材料的尺寸信息，制备介电常数为所述预设介电常数的所述超材料。
6.根据权利要求5所述
7.根据权利要求6所述的介电常数可调节的超材料的制备方法，其特征在于，所述基体的材料为聚合物材料，所述3D打印使用的浆料为流动态的所述聚合物材料。
8.根据权利要求6所述的介电常数可调节的超材料的制备方法，其特征在于，所述基体的材料为陶瓷材料，所述3D打印使用的浆料为非牛顿流体状态的陶瓷浆料；
9.根据权利要求8所述的介电常数可调节的超材料的制备方法，其特征在于，所述干燥的温度为30℃～200℃，所述干燥的时间为1h～24h；
10.根据权利要求8或9所述的介电常数可调节的超材料的制备方法，其特征在于，所述陶瓷浆料的制备步骤包括：将所述陶瓷材料的粉末与粘接剂混合，得到固含量为40％～90％的所述陶瓷浆料；
...【技术特征摘要】
1.一种介电常数可调节的超材料的设计方法，其特征在于，所述超材料包括基体，所述基体内具有多个呈周期排列的空心区域；
2.根据权利要求1所述的介电常数可调节的超材料的设计方法，其特征在于，所述基体的预设结构为长方体；多个所述空心区域沿所述基体的长度方向和宽度方向呈周期排列，且每个所述空心区域在所述基体的高度方向上的截面形状为正方形；
3.根据权利要求1所述的介电常数可调节的超材料的设计方法，其特征在于，所述基体的预设结构为长方体；多个所述空心区域沿所述基体的长度方向和宽度方向呈周期排列，且每个所述空心区域在所述基体的高度方向上的截面形状为正六边形；
4.根据权利要求2或3所述的介电常数可调节的超材料的设计方法，其特征在于，所述基体包括沿所述基体的高度方向依次层叠的第一实心层、中间空心层以及第二实心层；
5.一种介电常数可调节的超材料的制备方法，其特征在于，包括：采用权利要求1～4任一项所述的介电常数可调节的超材料的设计方法，按...
【专利技术属性】
技术研发人员：汪宏，李小雨，徐信未，王鸿业，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：发明
国别省市：
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