CN105304260A - 一种三维成型的电磁材料制备方法及制备系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三维成型的电磁材料制备方法及制备系统，将三维成型技术应用于复杂电磁材料的制造中。将稀释剂与粘结剂混合后，以高添加比添加电磁微粒得到电磁材料混合物，对其喷涂并待固化成型后得到电磁材料涂层；通过研磨进行初步破碎，再在球磨破碎后进行清洗和筛选，得到电磁材料的微粉；利用三维造型设备，以电磁材料的微粉为铺粉材料，并使用低浓度添加有电磁微粒的粘结剂，进行复杂结构电磁材料的三维成型制造。本发明所制备的材料可应用于通讯基站、手机、电脑等，电磁材料可设计性强，可以实现较好的电磁波吸收或屏蔽效果，还具有很好的抗氧化、耐腐蚀、制造简单、成本低等优点，有良好的应用前景。

Description

一种三维成型的电磁材料制备方法及制备系统

技术领域

本发明涉及电磁波吸收和屏蔽材料的制造，所制备的产品专门针对民用或军用电子设备进行电磁保护，减小电磁辐射的危害。

背景技术

随着通讯技术的发展以及电子产品的广泛应用，电磁干扰和电磁兼容问题逐渐开始受到研究人员的关注，电磁吸波和屏蔽可视为解决该问题的常见方法。电磁材料通常可以分为结构型和涂覆型材料，其中涂覆型材料通常为板材，结构单一，可设计性差，而结构性吸波材料通常为模压成型或切削成型，在精细结构制造上仍面临较大的挑战。目前，对于主流的“薄”、“轻”、“宽”、“强”电磁材料要求，常规的电磁材料在厚度、密度、作用频带和吸收和反射效率上会相互影响。如对于吸波材料而言，为实现低厚度下的宽频吸波性能，通常吸波微粒的添加比都较大，导致材料密度大，理化性能差；对于导电屏蔽材料而言，为实现各方向上的高屏蔽性能，导电微粒添加比例也较高，造成材料密度大，可设计性差的问题。

三维成型技术是一种以样件的数字模型文件作为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造样件的技术。过去的三维成型技术通常在模具制造和工业设计等领域进行模型制造，目前，三维产品已实现一些产品的直接制造，在航空航天、汽车、医疗产业、珠宝、鞋类等领域都有相应的产品。然而，三维成型技术在电磁材料上的应用目前报道较少，这和电磁材料的应用环境和该领域的发展特点有关。通常的电磁材料需求都开始由军用需求来牵引，这在某种程度上抑制了各国在电磁材料制备和技术上的广泛交流。随着电磁辐射危害逐渐引起大众的关注，民用电磁材料已经出现了一系列产品，但受控于制造技术的局限，通常结构较为单一，如手机防辐射贴片、吸波角锥等。这些都使得开展三维成型电磁材料的制造成为当前的迫切需求，不仅能够拓宽电磁材料制备手段，同时能够提高各种电磁材料的可设计性。

现有技术中，如专利CN201410409224针对陶瓷吸波材料采用激光烧结成型；如专利CN201410012361针对光固化树脂采用光固化成型；如专利CN201510042284基于低温融化材料进行成型。对于吸波材料的制造，高温下的激光烧结容易导致吸波微粒发生晶相改变，导致吸波性能降低；而采用光固化成型粘结剂，对于常用的吸波或导电粉末，其颜色透明度较差，光固化面临固化难的问题，大大限制了电磁粉末填充率。另外，通常的粘结剂仅保证材料能够粘结成型，粘结剂的调节作用被忽视，如专利CN200510065999、CN201410012361采用的粘结剂为单一光固化树脂，未考虑电磁特性。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于三维成型的电磁材料制备方法及制备系统，结合电磁材料的设计和制造，实现复杂结构电磁材料的制备，提高电磁材料的可设计性，同时基于电磁材料结构特点，也便于提高材料的其他性能，如散热性，装配性等。

为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供一种三维成型的电磁材料制备方法，其中：

将稀释剂与第一粘结剂混合后，添加电磁微粒得到电磁材料混合物；喷涂电磁材料混合物，并在其固化成型后得到电磁材料涂层；

对电磁材料涂层通过研磨和球磨进行破碎，得到电磁材料的微粉；

以电磁材料的微粉为铺粉材料，并使用添加有电磁微粒的第二粘结剂，实现复杂结构电磁材料的三维成型制造。

优选地，电磁微粒在电磁材料混合物中具有第一添加比，电磁微粒在第二粘结剂中具有第二添加比，第一添加比高于第二添加比。

优选地，所述微粉的电磁材料是树脂基电磁材料；

所述电磁微粒为吸波型微粉材料或导电型微粉材料；

所述吸波型微粉材料是铁氧体、或羰基铁、或铁硅；

所述导电型微粉材料是银粉、或铜粉、或铝粉、或碳粉。

优选地，电磁材料混合物中电磁微粒的体积添加比例最高为60%；

第二粘结剂是氰基丙烯酸乙酯，并添加有丙酮进行稀释；

在第二粘结剂中添加有相对于第二粘结剂质量添加比5%~30%的电磁微粒，和0.1~0.2g的分散剂白炭黑。

优选地，所述电磁材料混合物还与分散剂白炭黑混合，并在分散机上分散10~30分钟，搅拌速度为400~870r/min。

优选地，将电磁材料混合物喷涂于离型纸表面，进行加热，等待固化成片；

去除离型纸，将固化成片的电磁材料涂层，通过研磨棒及研磨罐进行研磨得到电磁材料的粗粉；

以陶瓷材料或氧化锆材料的球磨罐及磨球，不使用分散剂或使用无水乙醇或正己烷的分散剂，对粗粉进行球磨；

球磨后对制备的粉末进行干燥并筛选，得到电磁材料的微粉。

优选地，电磁材料混合物的喷涂厚度为0.3~3mm；

喷涂后加热到20~60℃，等待固化成片；

研磨得到的粗粉的粉末尺寸最大不超过2目；

球磨的球料质量比为（4~20）：1；

球磨速度为300~500r/min，球磨时间为1~8h；

筛选使用的筛子目数为100~300目。

优选地，所述电磁材料混合物是环氧树脂基羰基铁粉混合物，环氧树脂和羰基铁质量比为20：100；

电磁材料混合物的喷涂厚度为0.5mm，将喷涂涂层加热至45℃等待固化；

研磨得到的粗粉是尺寸最大7.5mm的羰基铁环氧树脂复合粉末；

在球磨罐中添加的粗粉质量约100g；球磨罐及磨球为氧化锆材质；

球磨罐大小250mL；磨球直径8mm，磨球质量重300g；

在球磨罐中添加质量为40g的无水乙醇分散液进行球磨；

球磨后得到的微粉是羰基铁环氧树脂复合微球。

本发明的另一个方案是提供一种三维成型的电磁材料制备系统，其中包含：

喷枪，用于喷涂电磁材料混合物，所述电磁材料混合物是稀释剂与第一粘结剂混合后添加电磁微粒得到；

支撑平板，用于承载喷涂的电磁材料混合物，在该支撑平板上形成固化的电磁材料涂层；

研磨棒及研磨罐，用于对固化的电磁材料涂层进行研磨得到电磁材料的粗粉；

球磨罐及磨球，用于对粗粉进行球磨得到电磁材料的微粉；

三维成型设备，其以电磁材料的微粉为铺粉材料，并使用添加有电磁微粒的第二粘结剂，实现复杂结构电磁材料的三维成型制造。

优选地，所述三维成型设备中，在粉末箱中放置电磁材料的微粉；

通过铺粉辊将电磁材料的微粉平铺在3D打印机的工作台上；

随着3D打印机的打印头的移动，该打印头将未固化的添加有电磁微粒的第二粘结剂滴出到工作台处的微粉上；

打印头上设置的加热头对滴出的第二粘结剂加热以加快其固化速度。

与现有技术相比，本发明提出基于三维成型的电磁材料制备方法及制备系统，其优点在于：

本发明与常规电磁材料的喷涂和模压成型机理不同，成型方式为固化后的磁性材料微球粘结成形。本发明与常规3D打印的其他电磁材料也有所不同，本发明采用的粘结剂为加热自然固化成型，克服现有的高温下激光烧结或光固化成型粘结剂技术存在的问题。

另外，相比现有粘结剂忽视调节作用，不考虑电磁特性的问题，本发明的粘结剂不仅能够起到粘结电磁微粉的作用，同时粘结剂本身也为低浓度电磁材料，在粘结过程中也起到调节电磁材料的添加比例的作用，实现电磁材料的可设计性，更易于满足预计的要求。

本发明所制备的材料可应用于通讯基站、手机、电脑等，电磁材料可设计性强，可以实现较好的电磁波吸收或屏蔽效果，而且还具有很好的抗氧化、耐腐蚀、制造简单、成本低等优点，对于复杂电磁材料产品的制造具有良好应用前景。

附图说明

图1介绍了本发明中的电磁材料三维成型的制备方法；

图2是本发明中的电磁材料三维成型的制备工艺流程图；

图3是本发明中的电磁材料三维成型制备系统的简图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加容易理解，下面结合附图具体实施方式对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明能够将三维成型技术应用于复杂电磁材料的制造中，该方法中首先采用喷涂方式制备内部微粒分布均匀的平板型电磁材料；对固化后的平板型电磁材料，通过研磨、球磨方法进行破碎，形成电磁材料混合物的微粉；以制备的微粉作为铺粉材料，并选取相应的粘结剂，利用三维成型工艺实现复杂电磁材料成型制造。

本发明中三维成型采用的微粉，为固化型高添加比电磁复合微粉，粘结剂为稀释后的液体材料并添加低浓度电磁微粒，实现电磁材料的性能可设计化。优选的示例中，微粉材料为树脂基电磁材料，能实现树脂基复杂电磁材料的制造。

如图2所示，本发明所述三维成型的电磁材料制备方法的一个具体示例中，包含以下步骤：

（a）将粘结剂与稀释剂混合，依据高添加比添加电磁微粒，所用的电磁微粒可以为吸波型（如铁氧体、羰基铁、铁硅等）或导电型（银粉、铜粉、铝粉、碳粉等）微粉，其体积添加比例最高可达到60%。示例中，还可加入一定的白炭黑分散剂与之混合，在高速分散机上分散10~30分钟，搅拌速度为400~870r/min。

（b）将混合材料（即，高添加比的电磁微粒与稀释后粘结剂的混料）喷涂于离型纸表面；本例中，喷涂厚度为0.3~3mm，喷涂完后加热到20~60℃，等待固化成片。

（c）去除离型纸，将固化成片的电磁材料涂层经过初步的研磨处理，得到初级电磁材料粉末（称其为粗粉）；研磨采用的工具为研磨棒和研磨罐，研磨后得到的粉末尺寸最大不超过2目。

（d）对研磨后的粉末进行湿磨处理，采用设备为行星式球磨机，球磨罐和磨球材料为陶瓷材料或氧化锆材料；所用分散剂为无水乙醇或正己烷，也可不用分散剂；选取合适的球磨速度和球磨时间进行球磨，球磨后对制备的粉末进行干燥并筛选，得到微粉。

本例中，球料质量比为（4~20）：1；球磨速度为300~500r/min，球磨时间为1~8h。球磨后对制备的粉末进行干燥，待干燥后再进行研磨分散，将分散的粉末进行筛选，采用筛子目数为100~300目。

至此，得到了三维成型所需的复合电磁材料的微粉。

为了通过三维成型工艺制造复杂结构电磁材料，进一步包含以下的步骤：

（e）将得到的复合电磁材料微粉平铺在3D打印机工作台上，以稀释后的液体材料添加低浓度电磁微粒作为粘结剂，然后使3D打印机根据设定的工作参数运行，即可实现复杂电磁材料的制造。

本例中，三维成型时使用的粘结剂选取快速固化的氰基丙烯酸乙酯，并添加一定量的丙酮进行稀释，然后再添加一定量的复合电磁微粒（相对于粘结剂质量添加比5%~30%）和分散剂白炭黑（0.1~0.2g）。

如图3所示，本发明中三维成型的电磁材料制备系统的一个具体示例中，主要包含：喷涂设备、研磨设备、球磨设备、三维成型设备。

其中，本例的喷涂设备为喷枪1，用于喷涂高添加比的电磁微粒与稀释后粘结剂的混料，在支撑平板2上形成电磁材料涂层3。喷涂的混料可以为环氧树脂基羰基铁粉混合物，环氧树脂和羰基铁质量比为20：100，喷涂厚度为0.5mm，将喷涂涂层加热至45℃下固化。

本例的研磨设备为研磨棒及研磨罐（图中未示出），在支撑平板2上的电磁材料涂层3固化后，对其进行研磨得到粗粉6，即羰基铁环氧树脂复合粉末，尺寸最大7.5mm。

球磨设备可以是行星式球磨机，包含球磨罐4及磨球5，并在球磨罐4中添加有分散液7。本例中将粗粉6添加到球磨罐4，粗粉质量约100g，球磨罐4大小250mL，材质为氧化锆；加入相应的磨球5，材质也为氧化锆，直径为8mm，磨球质量重300g；添加无水乙醇分散液7进行球磨，质量为40g。球磨完毕后可得到微粉8，即羰基铁环氧树脂复合微球。

三维成型设备包含粉末箱13、铺粉辊12、3D打印机的工作台14、打印头9、加热头10。将获取的微粉放于粉末箱13中，利用铺粉辊12将微粉平铺在工作台14上，利用打印头9使低浓度未固化电磁材料的粘结液11滴出，打印头9上设置的两个加热头10用于加速粘结液11的固化速度。通过控制打印头9的运动，实现磁性材料的三维成型。

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 (10)

1.一种三维成型的电磁材料制备方法，其特征在于：

将稀释剂与第一粘结剂混合后，添加电磁微粒得到电磁材料混合物；喷涂电磁材料混合物，并在其固化成型后得到电磁材料涂层；

对电磁材料涂层通过研磨和球磨进行破碎，得到电磁材料的微粉；

以电磁材料的微粉为铺粉材料，并使用添加有电磁微粒的第二粘结剂，实现复杂结构电磁材料的三维成型制造。

2.如权利要求1所述三维成型的电磁材料制备方法，其特征在于，

电磁微粒在电磁材料混合物中具有第一添加比，电磁微粒在第二粘结剂中具有第二添加比，第一添加比高于第二添加比。

3.如权利要求1所述三维成型的电磁材料制备方法，其特征在于，

所述微粉的电磁材料是树脂基电磁材料；

所述电磁微粒为吸波型微粉材料或导电型微粉材料；

所述吸波型微粉材料是铁氧体、或羰基铁、或铁硅；

所述导电型微粉材料是银粉、或铜粉、或铝粉、或碳粉。

4.如权利要求1所述三维成型的电磁材料制备方法，其特征在于，

电磁材料混合物中电磁微粒的体积添加比例最高为60%；

第二粘结剂是氰基丙烯酸乙酯，并添加有丙酮进行稀释；

在第二粘结剂中添加有相对于第二粘结剂质量添加比5%~30%的电磁微粒，和0.1~0.2g的分散剂白炭黑。

5.如权利要求1所述三维成型的电磁材料制备方法，其特征在于，

所述电磁材料混合物还与分散剂白炭黑混合，并在分散机上分散10~30分钟，搅拌速度为400~870r/min。

6.如权利要求1所述三维成型的电磁材料制备方法，其特征在于，

将电磁材料混合物喷涂于离型纸表面，进行加热，等待固化成片；

去除离型纸，将固化成片的电磁材料涂层，通过研磨棒及研磨罐进行研磨得到电磁材料的粗粉；

以陶瓷材料或氧化锆材料的球磨罐及磨球，不使用分散剂或使用无水乙醇或正己烷的分散剂，对粗粉进行球磨；

球磨后对制备的粉末进行干燥并筛选，得到电磁材料的微粉。

7.如权利要求6所述三维成型的电磁材料制备方法，其特征在于，

电磁材料混合物的喷涂厚度为0.3~3mm；

喷涂后加热到20~60℃，等待固化成片；

研磨得到的粗粉的粉末尺寸最大不超过2目；

球磨的球料质量比为（4~20）：1；

球磨速度为300~500r/min，球磨时间为1~8h；

筛选使用的筛子目数为100~300目。

8.如权利要求1所述三维成型的电磁材料制备方法，其特征在于，

所述电磁材料混合物是环氧树脂基羰基铁粉混合物，环氧树脂和羰基铁质量比为20：100；

电磁材料混合物的喷涂厚度为0.5mm，将喷涂涂层加热至45℃等待固化；

研磨得到的粗粉是尺寸最大7.5mm的羰基铁环氧树脂复合粉末；

在球磨罐中添加的粗粉质量约100g；球磨罐及磨球为氧化锆材质；

球磨罐大小250mL；磨球直径8mm，磨球质量重300g；

在球磨罐中添加质量为40g的无水乙醇分散液进行球磨；

球磨后得到的微粉是羰基铁环氧树脂复合微球。

9.一种三维成型的电磁材料制备系统，其特征在于，包含：

喷枪，用于喷涂电磁材料混合物，所述电磁材料混合物是稀释剂与第一粘结剂混合后添加电磁微粒得到；

支撑平板，用于承载喷涂的电磁材料混合物，在该支撑平板上形成固化的电磁材料涂层；

研磨棒及研磨罐，用于对固化的电磁材料涂层进行研磨得到电磁材料的粗粉；

球磨罐及磨球，用于对粗粉进行球磨得到电磁材料的微粉；

三维成型设备，其以电磁材料的微粉为铺粉材料，并使用添加有电磁微粒的第二粘结剂，实现复杂结构电磁材料的三维成型制造。

10.如权利要求9所述的三维成型的电磁材料制备系统，其特征在于，

所述三维成型设备中，在粉末箱中放置电磁材料的微粉；

通过铺粉辊将电磁材料的微粉平铺在3D打印机的工作台上；

随着3D打印机的打印头的移动，该打印头将未固化的添加有电磁微粒的第二粘结剂滴出到工作台处的微粉上；

打印头上设置的加热头对滴出的第二粘结剂加热以加快其固化速度。