CN108097560B

CN108097560B - 一种基于三维成型的吸波体制备方法及相应的吸波体

Info

Publication number: CN108097560B
Application number: CN201711116010.1A
Authority: CN
Inventors: 许勇刚; 袁黎明; 王晓冰; 梁子长
Original assignee: Shanghai Radio Equipment Research Institute
Current assignee: Shanghai Radio Equipment Research Institute
Priority date: 2017-11-13
Filing date: 2017-11-13
Publication date: 2021-04-02
Anticipated expiration: 2037-11-13
Also published as: CN108097560A

Abstract

本发明公开了一种基于三维成型的吸波体制备方法，其包含以下步骤：S1、制造三维成型的吸波材料模板；S2、在吸波材料模板的表面喷涂浆料，以形成第一涂层；S3、在吸波材料模板的内面喷涂浆料，以形成第二涂层。其优点是：可达到优异的电磁波吸收或屏蔽效果，同时还具有厚度薄、抗氧化、质量轻、成本低等优点。

Description

一种基于三维成型的吸波体制备方法及相应的吸波体

技术领域

本发明涉及高性能轻质电磁材料的设计和成型制造技术领域，具体涉及一种基于三维成型的吸波体制备方法及相应的吸波体。

背景技术

吸波材料在电磁防护和电磁干扰中应用广泛，电磁波在通过内部吸波微粒时经电阻损耗、介电损耗或磁损耗带来微波能量的损耗。相比以往电磁屏蔽材料，吸波材料不仅降低了材料表面的反射功率，同时也降低了材料的透射功率。从结构形式来分，吸波材料包括结构型和涂覆型两大类。其中，涂覆型吸波材料主要以喷涂制备为主，如在装备表面采用手工喷涂或机器人喷涂，制备的材料为薄膜形式，厚度薄，结构简单，内部形式难以设计；而结构型吸波材料以模压成型或切削制造为主，具有承载和实现部件功能的特点，通常厚度大，具有特定的形状，吸波频带较宽。当前吸波材料的设计和制备过程中都需要考虑“薄”、“轻”、“宽”、“强”的特点，然而从材料的特征来看，吸波材料在厚度、密度、吸收率、吸波频带上通常会相互制约。例如，为实现低厚度下的宽频吸波性能，吸波微粒的添加比例高，吸波材料密度大，易导致理化性能差。

吸波材料的制造通常以吸波材料的电磁设计为基础，根据设计的电磁特性合理选取相应的吸收剂和粘结剂，进而根据各种材料选取合适的制造工艺。三维成型作为一种新兴的制造方法，其基本原理是通过逐层制造的方式来完成样件的加工，这为样件的制备提供了更广泛的设计空间。在三维成型制备中，能够把吸波材料的内部结构考虑进来，即实现复杂微结构的设计和制造。针对高性能吸波材料的设计与制造，以往报道以多层设计为主，如专利CN105196638A提出一种宽频吸波承力复合材料及其制备方法，该材料由透波泡沫层、透波蒙皮、电损耗吸波层和屏蔽底层构成，采用二次固化工艺对宽频吸波承力复合材料进行制造。专利CN104979641A提出了一种宽频吸波体及其应用方式，该吸波体整体呈三明治结构，两侧是颗粒复合物损耗层，中间是高介电薄层，对于上下两层颗粒复合物损耗层的内部结构并未考虑，中间的高介电薄层的影响较大，在制造中仍然需要严格控制。专利CN104893606A提出了一种宽频带吸波贴膜，包括绝缘层、作为反射层的吸波层、吸波和离型材料层。所述绝缘层、吸波层之间设置有第一胶粘层，吸波层、吸波之间设置有第二胶粘层，制备方式为简单贴敷，吸波材料的内结构仍未考虑。

目前，采用三维成型工艺制备吸波材料的报道并不多，如专利CN106250610A提出一种电磁波结构隐形的制造方法，通过设计单元结构的几何尺寸控制电磁参数，设计出能调控电磁波的传播方向的隐形结构，主要包括3D打印工艺制备出透波结构层，进而在其表面贴敷柔性吸波片，在其另一面贴敷反射层，该设计主要针对隐身结构。专利CN105304260A提出了一种三维成型的电磁材料制备方法及制备系统，对电磁材料的制备为塑料类材质，在制备好塑料基微粉的基础上采用三维成型制备吸波材料，该类材料结构有限，微粉制备工艺复杂，材料容易出现脆裂。专利CN104193345A提出基于3D打印技术制备吸波陶瓷部件的方法，所制备的样件为方锥阵列陶瓷平板，所使用的成型粉末为陶瓷材质，制备过程中吸波材料的精度为0.8mm，空心化存在一定的难度。专利CN105252779B提出一种吸波材料三维成型系统与方法，采用的微粉为树脂基类微粉，成型采用液滴浇注三维成型的方式，尽管该方式能够实现内部微结构的制造，在空心化和精细化下对成型系统要求较高。文献“周丁，黄小忠等.3D打印技术制备结构吸波材料及其性能研究.中国科技论文在线.2014年”报道了打印出的一种吸波平板，板上每一个微小锥形体内部包括了10万个物理单元，每个单元用到哪些材料，这些材料如何组合，都是通过微观结构的设计构建而成，然而该文献所提出的吸波材料还仅限于平板类材料。

综上所述，基于三维成型方式制备吸波材料的报道主要集中于三维成型工艺、内部吸收剂配制、层间吸收剂添加比等方面，在设计和制造过程中严重依赖于成型所用粉末的制造，成型用粉末的添加比例单一，难以控制，保证精度困难，设计原理和制造手段还有很大的提升空间。因此，基于三维成型技术开展复杂吸波材料的制造成为当前发展趋势，不仅能提升吸波材料的制备手段，也能够拓宽吸波材料的可设计性。

本发明提出的基于三维成型的吸波材料的制备方法，将复杂结构设计引入吸波材料成型中，通过调节结构实现电磁波的有效吸收。吸波材料采用三维成型与喷涂方式相结合的方式来制造高性能吸波材料，首先通过三维成型工艺构造出梯度模板，模板表面具有仿生结构，然后通过喷涂涂层的方式在模板表面形成梯度吸波层，待涂层固化后便可实现宽频带吸波效果。本发明所制备的材料可应用于装备腔体、吸波建筑、伪装遮障物等方面，具有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、制造效率高、制造成本低等特点，是一种具有应用前景的复杂吸波材料的高效制造方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于三维成型的吸波体制备方法及相应的吸波体，其将三维成型技术与表面技术相结合应用于复杂电磁材料的制造中，通过调节结构实现电磁波的有效吸收，首先采用三维成型工艺制备具有梯度结构的底层模板材料，并形成仿生防脱结构层，进而制备吸波涂层，将吸波涂层涂覆于模板之上，待吸波涂层固化后便形成宽频带吸波体，可达到优异的电磁波吸收或屏蔽效果，同时还具有厚度薄、抗氧化、质量轻、成本低等优点，是一种具有应用前景的复杂结构吸波材料。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于三维成型的吸波体制备方法，其特征是，包含以下步骤：

S1、制造三维成型的吸波材料模板；

S2、在吸波材料模板的表面喷涂浆料，以形成第一涂层；

S3、在吸波材料模板的内面喷涂浆料，以形成第二涂层。

上述的基于三维成型的吸波体制备方法，其中：

所述的吸波材料模板是利用计算机辅助设计软件对模板进行建模后利用三维打印机打印制作完成，吸波材料模板为上端空心方块、中间四棱台、以及下端空心方块的梯度型结构。

上述的基于三维成型的吸波体制备方法，其中：

所述三维成型采用的是热熔高分子材料。

上述的基于三维成型的吸波体制备方法，其中：

所述步骤S1中，吸波材料模板与一底座一起打印，打印完成后去除底座以得到需要的吸波材料模板。

上述的基于三维成型的吸波体制备方法，其中：

所述的第一涂层的厚度低于第二涂层。

上述的基于三维成型的吸波体制备方法，其中：

所述的热熔高分子材料为PLA，打印头的温度设置在190～230℃之间，热床温度保持在50～60℃之间，打印速度包括底座和吸波材料模板的打印速度两部分，其中底座的打印速度为10～15mm/s之间，而吸波材料模板的打印速度为15～25mm/s之间。

上述的基于三维成型的吸波体制备方法，其中：

填料采用包括片形铁硅铝、羰基铁、铁氧体或铁硅微粒之一，与环氧树脂分别按照体积添加比20％～45％进行填充，并添加一定量的稀释剂，稀释剂可以为天拿水、丙酮或无水乙醇，其中稀释剂的质量添加比和环氧树脂的质量添加比为1：1～2：1，将混料采用机械搅拌混合均匀后，添加环氧树脂对应的固化剂，质量比为环氧树脂的10％～30％，将上述混合物置于高速分散机混合均匀，其中分散机转速为500～800rad/min，得到待喷涂的所述的浆料。

上述的基于三维成型的吸波体制备方法，其中：

第一涂层、第二涂层的厚度均为0.2mm～0.5mm。

一种由上述的基于三维成型的吸波体制备方法制备的吸波体，其特征是，包含：

三维成型的吸波材料模板；

第一涂层，涂覆在吸波材料模板的表面；

第二涂层，涂覆在吸波材料模板的内面。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、将三维成型技术与表面技术相结合应用于复杂电磁材料的制造中，通过调节结构实现电磁波的有效吸收，首先采用三维成型工艺制备具有梯度结构的底层模板材料，并形成仿生防脱结构层，进而制备吸波涂层，将吸波涂层涂覆于模板之上，待吸波涂层固化后便形成宽频带吸波体，可达到优异的电磁波吸收或屏蔽效果，同时还具有厚度薄、抗氧化、质量轻、成本低等优点，是一种具有应用前景的复杂结构吸波材料；

2、利用三维成型的结构作为模板，实现了梯度结构的优点，同时三维成型表面结构具有微沟槽，能够很好的与吸波涂层粘结，对于复杂结构的成型效率高；

3、具有很好的可设计性，实现了吸波材料空间结构一体化制造，同时制备成本低。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明的吸波材料模板的截面示意图；

图3为本发明的吸波体的截面示意图；

图4为本发明的吸波体的反射率曲线图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1所示，本发明提供了一种基于三维成型的吸波体制备方法，其包含以下步骤：

S1、制造三维成型的吸波材料模板1；

S2、在吸波材料模板的表面喷涂浆料，以形成第一涂层2；

S3、在吸波材料模板的内面喷涂浆料，以形成第二涂层3。

与其他常规的吸波材料的喷涂和模压成型机理不同，成型方式为喷涂与三维成型相结合制备梯度型吸波材料，可以满足预计的电磁特性要求，实现吸波材料的宽频吸波性能的可设计性。

所述的吸波材料模板是利用计算机辅助设计软件对模板进行建模后利用三维打印机打印制作完成，吸波材料模板为上端空心方块、中间四棱台、以及下端空心方块的梯度型结构，如图2所示，上端高度h1，中间高度h2，下端高度h3，上端宽度L1，下端宽度L2，材料厚度d0。本实施例中，对应的参数包括，上端高度h1＝2mm，中间高度h2＝15mm，下端高度h3＝2mm，上端宽度L1＝5mm，下端宽度L2＝10mm，材料厚度d0＝0.2mm。

较佳的，所述步骤S1中，吸波材料模板1与一底座一起打印，打印完成后去除底座以得到需要的吸波材料模板1。

具体的，在三维软件中采用的步骤包括拉伸凸台、拉伸切除、抽壳等步骤，然后保存模型文件，格式为STL文件格式。其次，将模型文件导入三维成型机对应的切割软件中，考虑涂覆中涂料与表面接触具有更好的亲和力，对成型表面的粗糙度进行控制，控制参数为打印层高，选取的三维成型机喷头直径为0.4mm，可以选择的层高为0.1～0.3mm之间，为获得较好的粗糙度并保证材料内部粘结强度，优先选取0.2mm和0.25mm。另外考虑模板材料为空心薄层结构，采用增加底座的打印方式，然后对材料进行切割分析，生成gcode文件，存储在三维成型机的存储介质中。

最后，利用三维成型机进行模板制备。在制备中需要设置打印参数，包括打印温度和打印速度。以PLA材料为例，打印头的温度设置在190～230℃之间，热床温度保持在50～60℃之间，而打印速度包括底座和模型的打印速度两部分，其中底座的打印速度为10～15mm/s之间，而模型的打印速度为15～25mm/s之间。经过打印即可得到含底座的三维成型模板，然后去除底座即可得到吸波材料模板1。

所述三维成型工艺是以热熔高分子材料为主，包括尼龙，PLA，PC，ABS等。

较佳的，第一涂层2、第二涂层3的厚度均为0.2mm～0.5mm。且所述的第一涂层2的厚度低于第二涂层3。

以所述的热熔高分子材料为PLA为例，打印头的温度设置在190～230℃之间，热床温度保持在50～60℃之间，打印速度包括底座和吸波材料模板的打印速度两部分，其中底座的打印速度为10～15mm/s之间，而吸波材料模板的打印速度为15～25mm/s之间。

步骤S2、S3中的浆料制作如下：填料采用包括片形铁硅铝、羰基铁、铁氧体或铁硅微粒之一(平均片径大小范围在3μm～200μm，平均厚度0.1μm～5μm)，与环氧树脂分别按照体积添加比20％～45％进行填充，并添加一定量的稀释剂，稀释剂可以为天拿水、丙酮或无水乙醇，其中稀释剂的质量添加比和环氧树脂的质量添加比为1：1～2：1，将混料采用机械搅拌混合均匀后，添加环氧树脂对应的固化剂，质量比为环氧树脂的10％～30％，将上述混合物置于高速分散机混合均匀，其中分散机转速为500～800rad/min，得到待喷涂的所述的浆料。

较佳的，第一涂层2涂覆后静置不变直至涂层材料表干，待5～10h后涂层固化。然后将材料进行翻转，同样采用喷涂的方式进行第二涂层3的涂覆制备，底层吸波材料中的吸收剂体积添加比一般不低于表层材料中吸收剂的体积添加比，添加比范围同样为20％～45％，喷涂完成后待吸波涂层固化，最终得到基于三维成型的吸波体，以两个单元截面为例，其结构示意图如图3所示。

本实施例中，填料选取羰基铁微粒，平均片径粒径大小为5μm，平均厚度0.5μm，与环氧树脂分别按照体积添加比45％进行填充，并添加稀释剂丙酮，其中稀释剂的质量添加比和环氧树脂的质量添加比为2：1，将混料采用机械搅拌混合均匀。进而，添加环氧树脂对应的固化剂，质量比为环氧树脂的20％，将上述混合物置于高速分散机中，直至混合均匀，其中分散机转速为650rad/min，即可得到待喷涂的浆料。然后采用喷涂的方式喷涂于模板的上表面，涂层喷涂的厚度为0.2mm，待10h后涂层固化。同样采用喷涂的方式进行模板底层材料的涂覆制备，即制备第二层涂层3，底层吸波材料中的吸收剂体积添加比同样取45％，喷涂完成后待吸波涂层固化，得到吸波体，仿真计算的反射率如图4所示，可以看出材料在13-18GHz范围内达到-20dB以下的反射率其中从9GHz开始反射率接近-10dB，在9-11GHz范围内反射率变化并不明显，而在11-14GHz范围内逐渐降低，达到最小值-46.6dB。

本发明还公开了一种由上述的基于三维成型的吸波体制备方法制备的吸波体，其包含：三维成型的吸波材料模板1；第一涂层2，涂覆在吸波材料模板1的表面；第二涂层3，涂覆在吸波材料模板1的内面。

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

1.一种基于三维成型的吸波体制备方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1、制造三维成型的吸波材料模板；

S2、在吸波材料模板的表面喷涂浆料，以形成第一涂层；

S3、在吸波材料模板的内面喷涂浆料，以形成第二涂层；

其中，吸波材料模板为上端空心方块、中间四棱台、以及下端空心方块的梯度型结构，所述三维成型采用的是热熔高分子材料利用计算机辅助设计软件对模板进行建模后通过三维打印机打印制作完成，另外，吸波性能通过吸波材料模板上下两层涂层来实现。

2.如权利要求1所述的基于三维成型的吸波体制备方法，其特征在于：

3.如权利要求1所述的基于三维成型的吸波体制备方法，其特征在于：

所述的第一涂层的厚度低于第二涂层。

4.如权利要求1所述的基于三维成型的吸波体制备方法，其特征在于：

5.如权利要求1所述的基于三维成型的吸波体制备方法，其特征在于：

6.如权利要求1所述的基于三维成型的吸波体制备方法，其特征在于：

第一涂层、第二涂层的厚度均为0.2mm～0.5mm。

7.一种由权利要求1至6中任一权利要求所述的基于三维成型的吸波体制备方法制备的吸波体，其特征在于，包含：

三维成型的吸波材料模板；

第一涂层，涂覆在吸波材料模板的表面；

第二涂层，涂覆在吸波材料模板的内面。