CN112492864B - 一种可控电磁屏蔽构件及其制备方法 - Google Patents

一种可控电磁屏蔽构件及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于电磁屏蔽相关技术领域，并具体公开了一种可控电磁屏蔽构件及其制备方法。该构件包括三维点阵结构和外层板，其中：三维点阵结构为预设数量的点阵单胞通过三维周期性阵列连接形成的点阵结构；该三维点阵结构由形状记忆合金制成，可在外界温度控制下沿竖直方向进行压缩或回复，以通过改变三维点阵结构的孔隙调节该构件的电磁屏蔽效果；外层板包括上层板和下层板，其分别覆盖在三维点阵结构的上下两端，用于提高可控电磁屏蔽构件的稳定性。本发明在外界温度的控制下能够沿竖直方向进行压缩和回复，以改变该三维点阵结构的孔隙，并影响电磁波的反射率和吸收率，进而实现电磁屏蔽效果可控，具有应用范围广、成本低、控制方便、轻量化的优势。

Description

一种可控电磁屏蔽构件及其制备方法
技术领域
本发明属于电磁屏蔽相关技术领域，更具体地，涉及一种可控电磁屏蔽构件及其制备方法。
背景技术
随着信息科技的飞速发展，电磁波的应用不断扩大，在通信行业、医疗检测行业等被予以广泛关注。但在航空等领域因电磁波引发的电磁干扰却成为棘手问题，因此电磁屏蔽的研究成为一个焦点话题。
近年来功能材料及点阵结构种类层出不穷，在结构力学、热力学、电磁学等科研领域点阵结构和功能材料的结合已经屡见不鲜。但是为了实现可控的电磁屏蔽能力，科研工作者多从改变材料类型或者多材料堆叠方面着手。然而改变材料类型实现可控电磁屏蔽耗时耗力，多材料堆叠逐层吸收制造工艺复杂，增加成本。
部分科研工作者提出了采用点阵结构吸收电磁波，经表明效果良好，然而，传统材料制备出的点阵结构因表面质量差、致密度低等缺陷，造成较差的抗冲击性能，实际应用中受限。并且为实现屏蔽效果可控，需要改变点阵结构类型，具有应用范围较窄、成本较高的劣势。因此，基于以往方式实现可控电磁屏蔽的方法具备耗时耗力，成本高，加工困难，减震效果弱等缺点。
发明内容
针对现有技术的上述缺点和/或改进需求，本发明提供了一种可控电磁屏蔽构件及其制备方法，其中该构件包括三维点阵结构和外层板，其中：三维点阵结构为预设数量的点阵单胞通过三维周期性阵列连接形成的点阵结构，该三维点阵结构由形状记忆合金制成；外层板包括上层板和下层板，其分别覆盖在三维点阵结构的上下两端。该构建能够在外界温度的控制下沿竖直方向进行压缩和回复，以此改变该三维点阵结构的孔隙，并影响电磁波的反射率和吸收率，进而实现电磁屏蔽效果可控。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种可控电磁屏蔽构件，该构件包括三维点阵结构和外层板，其中：所述三维点阵结构为预设数量的点阵单胞通过三维周期性阵列连接形成的点阵结构；该三维点阵结构由形状记忆合金制成，可在外界温度控制下沿竖直方向进行压缩或回复，以通过改变所述三维点阵结构的孔隙调节该构件的电磁屏蔽效果；所述外层板包括上层板和下层板，其分别覆盖在所述三维点阵结构的上下两端，用于提高所述可控电磁屏蔽构件的稳定性。
作为进一步优选地，所述形状记忆合金为Cu-Zn-Al系记忆合金，其中Zn含量为35wt％～40wt％，Al含量为2wt％～6.5wt％，Zr含量为0.2wt％～1wt％，Si含量为0.1wt％～0.6wt％，余量为Cu。
作为进一步优选地，各个所述点阵单胞之间的连接杆的内部具备孔隙。
作为进一步优选地，所述三维点阵结构采用三维极小曲面结构。
作为进一步优选地，所述上层板或下层板的厚度为所述三维点阵结构高度的
Figure BDA0002800380590000021
按照本发明的另一方面，提供了一种制备上述可控电磁屏蔽构件的方法，该方法具体为：
S1构建所述可控电磁屏蔽构件的零件模型并进行切片处理；
S2将形状记忆合金粉末作为原料，利用激光选区熔化技术进行逐层打印，最终制得成形零件；
S3对所述成形零件进行驱动训练，使得其可在外界温度控制下沿竖直方向进行压缩或回复，以此制得所述可控电磁屏蔽构件。
作为进一步优选地，步骤S1中获得切片层的厚度为0.03mm～0.06mm。
作为进一步优选地，步骤S3中进行驱动训练具体包括如下子步骤：
S31将所述成形零件置于15℃～25℃的水中，对该成形零件施加Z轴轴向压力，促使该成形零件沿Z轴方向发生压缩变形；
S32然后将该成形零件置于70℃～100℃的水中，并撤掉施加在该成形零件上的压力，使得该成形零件回复，以此进行驱动训练。
作为进一步优选地，步骤S2中，所述形状记忆合金粉末的粒径为10μm～60μm。
作为进一步优选地，步骤S2中，在氩气气氛下进行激光选区熔化，并且激光选区熔化采用的激光功率为220W～340W，扫描速度为300mm/s～500mm/s，激光功率密度为100J/mm3～300J/mm3。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明提供了一种可控电磁屏蔽构件，其中该构件的三维点阵结构由形状记忆合金制成，并在外界温度的控制下能够沿竖直方向进行压缩和回复，以此改变该三维点阵结构的孔隙，并影响电磁波的反射率和吸收率，进而实现电磁屏蔽效果可控，具有应用范围广、成本低、控制方便、轻量化的优势；同时该可控电磁屏蔽构件在三维点阵结构的上下两侧设置有上层板和下层板，能够有效提高可控电磁屏蔽构件的稳定性，具有较好的抗冲击性；
2.尤其是，本发明通过对形状记忆合金的组成进行优化，相比传统Cu-Zn-Al合金，能够提高结构的强度，进而提高结构的承载能力；
3.同时，本发明提供了一种可控电磁屏蔽构件的制备方法，该方法利用激光选区熔化技术结合形状记忆合金进行制备，能够有效缩短生产周期、减少材料损耗、降低生产成本，并且具有成形零件质量高的优势。
附图说明
图1是按照本发明优选实施例构建的可控电磁屏蔽构件的三维立体图；
图2是按照本发明优选实施例构建的可控电磁屏蔽构件的主视图；
图3是本发明优选实施例中施加压缩作用力下三维点阵结构的变形图；
图4是本发明优选实施例提供的可控电磁屏蔽构件的制备流程图；
图5是本发明优选实施例提供的可控电磁屏蔽构件的回复图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明实施例提供了一种可控电磁屏蔽构件，该构件包括三维点阵结构和外层板，其中：三维点阵结构为预设数量的点阵单胞通过三维周期性阵列连接形成的点阵结构，该三维点阵结构采用三维极小曲面(TPMS)结构，并且各个点阵单胞之间的连接杆的内部具备孔隙，从而进一步提高电磁屏蔽效果的可调范围，同时实现轻量化目标；该三维点阵结构由形状记忆合金制成，可在外界温度控制下沿竖直方向进行压缩或回复，以通过改变三维点阵结构的孔隙调节该构件的电磁屏蔽效果，孔隙百分比增加可以使电磁波进入三维点阵结构后反射次数增加，从而提高电磁波吸收率，以此提高电磁屏蔽效果；外层板包括上层板和下层板，其分别覆盖在三维点阵结构的上下两端，用于提高可控电磁屏蔽构件的稳定性。
可控电磁屏蔽构件在外界环境温度达到形状记忆合金的相变温度时，三维点阵结构产生回复，通过控制环境温度和保温时间实现可控回复尺寸。通过改变三维点阵结构的回复量改变其孔隙百分比，以此改变电磁波的反射率、吸收率等，间接实现可控电磁屏蔽。回复量越大，孔隙百分比越大，电磁波进入三维点阵结构后反射的次数增加，导致反射率增加，能够有效提高电磁屏蔽效果。
进一步，形状记忆合金为Cu-Zn-Al系记忆合金，与Ni-Ti形状记忆合金相比具备相变温可调范围宽、加工性好、成本低等特点；该Cu-Zn-Al系记忆合金中Zn含量为33wt％～38wt％，Al含量为2wt％～3.5wt％，Zr含量为0.2wt％～1wt％，Si含量为0.1wt％～0.6wt％，余量为Cu。Cu、Zn、Al元素促使结构具备形状记忆效应的根本原因，Zn元素熔点低，而Cu、Al等元素熔点高，3D打印过程中Zn元素蒸发现象明显，有必要提高Zn元素的含量促使打印结束后Zn元素含量不至于过低，而Zn元素含量又不可过高，否则影响形状记忆合金的形状记忆性。Al含量则受制于Zn元素最终蒸发量，过高或过低均会影响最终结构的形状记忆性，Cu元素是使结构产生电磁屏蔽效果的根本原因。添加Zr、Si合金元素强化Cu-Zn-Al系记忆合金的承载能力和缓冲效果，Zr和Si必须在合理的范围内，过低会促使Cu-Zn-Al合金强度变低，承载能力减弱，过高会促使脆性提高。
进一步，上层板或下层板的厚度为三维点阵结构高度的
Figure BDA0002800380590000051
在保证轻量化水平的同时提高承载能力，同时避免构件被压缩后上、下层板发生变形，造成构件变形量减小，电磁屏蔽控制范围下降。
按照本发明的另一方面，如图4所示，提供了一种制备上述可控电磁屏蔽构件的方法，该方法具体为：
S1利用Solidworks、UG等三维建模软件设计出三维点阵结构，高度为h，在三维点阵结构上、下表面建立外层板，并通过并集操作将三维点阵结构和上、下层板形成一个完整的可控电磁屏蔽构件的零件模型；然后进行切片处理，获得预设数量的切片层，每个切片层的厚度为0.03mm～0.06mm，并且三维点阵结构和外层板在模型设计时采取“布尔并集”操作，用于后期一体化成形，以承载部分外力实现保护三维点阵结构的效果；
S2将形状记忆合金的水雾状粉末作为原料，利用激光选区熔化技术进行逐层打印，最终制得成形零件并清除多余粉末；
S3对成形零件进行驱动训练，使得其可在外界温度控制下沿竖直方向进行压缩或回复，以此制得可控电磁屏蔽构件。
进一步，步骤S3中进行驱动训练具体包括如下子步骤：
S31将成形零件置于15℃～25℃的水中，对该成形零件施加Z轴轴向压力，促使该成形零件沿Z轴方向发生压缩变形；
S32然后将该成形零件置于70℃～100℃的水中，并撤掉施加在该成形零件上的压力，通过控制水温和保温时间使得该成形零件回复，以此进行驱动训练。
进一步，步骤S2中，形状记忆合金粉末的粒径为10μm～60μm，平均粉末粒径在30μm左右；同时在高纯度氩气气氛下进行激光选区熔化，Ar≥99wt％，激光选区熔化采用的激光功率为220W～340W，扫描速度为300mm/s～500mm/s，激光功率密度为100J/mm3～300J/mm3。
下面根据具体实施例对本发明提供的内容作进一步说明。
实施例1
利用三维绘图软件Solidworks 2018绘制出图1、2所示三维极小曲面(TPMS)单胞5×5×5mm，沿x，y，z三个方向阵列4,4,4，最终形成三维点阵结构20×20×20mm，分别在三维点阵结构顶部和底部绘制出20×20×1mm长方体。通过并集操作促使三个结构形成一个完整三维点阵结构零件。
利用三维切片软件对该三维点阵结构切片处理，将分层切片的stl文件输出并将信息输入到设备的控制软件中。
SLM工艺采用单一材料落粉，粉缸中装入Cu-36.39Zn-2.25Al-0.5Zr-0.36Si合金粉末，其中Zn含量为36.69wt％，Al的含量为2.25wt％，Zr的含量为0.5wt％，Si的含量为0.36wt％，余量为Cu。粉末的平均粒径为30μm，激光功率为340W，扫描速度为300mm/s，激光功率密度为250J/mm3。利用SLM工艺逐层进行铜基形状记忆合金的打印，由此完成每层结构的制造。
在成形过程中，每完成一个切面的制造，工作台下降一个层厚的距离，其中，SLM成形部分每层下降高度为0.03mm，重复该步骤的内容进行下一层平面的打印，如此循环，直至完成整个结构的制造。
打印完成后，让材料在成形缸中自然冷却，然后利用清粉装置将零件中多于的粉末清除并采用线切割切除尾部余量。
该成形零件表明存在大量油污(线切割冷却液)，将成形零件放在丙酮溶液中并将烧杯放在超声波清洗装置中，设定温度30℃，清洗时间15min，清洗结束后，拿出干燥处理；将干燥处理的成形零件放入无水乙醇中并将烧杯再次放在超声清洗装置中，不设置温度，清洗时间15min，清洗结束后，拿出干燥处理。
对成形零件进行驱动训练，具体为：将该成形零件放入15℃-25℃的水中，对该成形零件进行驱动训练，使用液压压缩机对该成形零件施加z轴轴向压力，促使该成形零件沿z轴发生压缩变形，最终形成如图3所示的压缩结构，然后将成形零件放入70℃-100℃的水中，使成形零件回复，通过控制水温和保温时间促使三维点阵结构可控回复。如图5所示为被压缩变形的点阵结构在升温、控温下逐渐的回复过程，以此方式，完成该成形零件的驱动训练。采用以上驱动训练可得到不同回复尺寸的三维点阵结构零件。
以上制造及驱动训练方法可得到所需尺寸的三维点阵结构，该三维点阵结构尺寸的变化就造成结构孔隙百分比发生变化，进而造成电磁波率和吸收率的变化，从而间接实现可控电磁屏蔽效率。
电磁波的反射、吸收及透射作用可通过网格矢量实验获得，采用拉曼光谱仪对点阵结构实验获得相应参数并进行计算得出电磁屏蔽能力，计算过程如下式所示：
R＝|S11|2
T＝|S21|2
A＝1-R-T
Figure BDA0002800380590000081
Figure BDA0002800380590000082
Figure BDA0002800380590000083
其中，R，T，A分别表示反射系数，透射系数和吸收系数；EMI屏蔽的总损耗(SEtotal)即电磁屏蔽效果由反射损耗(SEr)和吸收损耗(SEa)组成，用于定量评估屏蔽效果。通过以上实验及计算方式即可得到该结构下不同尺寸可控电磁屏蔽构件的EMI屏蔽效果。
将计算出的EMI屏蔽效果数据统计出来，在origin软件中绘制EMI屏蔽效果与回复尺寸的关系曲线。根据所需电磁屏蔽效果选取合适的三维点阵结构零件回复尺寸。
实施例2
S1构建可控电磁屏蔽构件的零件模型并进行切片处理；
S2将Cu-Zn-Al系记忆合金作为原料，其中Zn含量为33wt％，Al含量为3.5wt％，Zr含量为1wt％，Si含量为0.6wt％,利用激光选区熔化技术进行逐层打印，粉末的平均粒径为30μm，激光功率为340W，扫描速度为500mm/s，激光功率密度为300J/mm3，SLM成形部分每层下降高度为0.03mm，最终制得成形零件；
S3对所述成形零件进行驱动训练，使得其可在外界温度控制下沿竖直方向进行压缩或回复，以此制得所述可控电磁屏蔽构件。
实施例3
S1构建可控电磁屏蔽构件的零件模型并进行切片处理；
S2将Cu-Zn-Al系记忆合金作为原料，其中Zn含量为38wt％，Al含量为2wt％，Zr含量为0.2wt％，Si含量为0.1wt％,利用激光选区熔化技术进行逐层打印，粉末的平均粒径为30μm，激光功率为280W，扫描速度为400mm/s，激光功率密度为250J/mm3，SLM成形部分每层下降高度为0.045mm最终制得成形零件；
S3对所述成形零件进行驱动训练，使得其可在外界温度控制下沿竖直方向进行压缩或回复，以此制得所述可控电磁屏蔽构件。
实施例4
S1构建可控电磁屏蔽构件的零件模型并进行切片处理；
S2将Cu-Zn-Al系记忆合金作为原料，其中，Zn含量为35.5wt％，Al含量为2.75wt％，Zr含量为0.6wt％，Si含量为0.35wt％,利用激光选区熔化技术进行逐层打印，粉末的平均粒径为30μm，激光功率为220W，扫描速度为300mm/s，激光功率密度为100J/mm3，SLM成形部分每层下降高度为0.06mm最终制得成形零件；
S3对所述成形零件进行驱动训练，使得其可在外界温度控制下沿竖直方向进行压缩或回复，以此制得所述可控电磁屏蔽构件。
本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可控电磁屏蔽构件，其特征在于，该构件包括三维点阵结构和外层板，其中：所述三维点阵结构为预设数量的点阵单胞通过三维周期性阵列连接形成的点阵结构；该三维点阵结构由形状记忆合金制成，可在外界温度控制下沿竖直方向进行压缩或回复，以通过改变所述三维点阵结构的孔隙调节该构件的电磁屏蔽效果；孔隙百分比增加可以使电磁波进入三维点阵结构后反射次数增加，从而提高电磁屏蔽效果；所述外层板包括上层板和下层板，其分别覆盖在所述三维点阵结构的上下两端，用于提高所述可控电磁屏蔽构件的稳定性；其中，所述三维点阵结构采用三维极小曲面结构，各个所述点阵单胞之间的连接杆的内部具备孔隙。
2.如权利要求1所述的可控电磁屏蔽构件，其特征在于，所述形状记忆合金为Cu-Zn-Al系记忆合金，其中Zn含量为35wt％～40wt％，Al含量为2wt％～6.5wt％，Zr含量为0.2wt％～1wt％，Si含量为0.1wt％～0.6wt％，余量为Cu。
3.如权利要求1或2所述的可控电磁屏蔽构件，其特征在于，所述上层板或下层板的厚度为所述三维点阵结构高度的
Figure FDA0003508008150000011
4.一种制备如权利要求1～3任一项所述的可控电磁屏蔽构件的方法，其特征在于，该方法具体为：
S1构建所述可控电磁屏蔽构件的零件模型并进行切片处理；
S2将形状记忆合金粉末作为原料，利用激光选区熔化技术进行逐层打印，最终制得成形零件；
S3对所述成形零件进行驱动训练，使得其可在外界温度控制下沿竖直方向进行压缩或回复，以此制得所述可控电磁屏蔽构件。
5.如权利要求4所述的可控电磁屏蔽构件的制备方法，其特征在于，步骤S1中获得切片层的厚度为0.03mm～0.06mm。
6.如权利要求4所述的可控电磁屏蔽构件的制备方法，其特征在于，步骤S3中进行驱动训练具体包括如下子步骤：
S31将所述成形零件置于15℃～25℃的水中，对该成形零件施加Z轴轴向压力，促使该成形零件沿Z轴方向发生压缩变形；
S32然后将该成形零件置于70℃～100℃的水中，并撤掉施加在该成形零件上的压力，使得该成形零件回复，以此进行驱动训练。
7.如权利要求4所述的可控电磁屏蔽构件的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述形状记忆合金粉末的粒径为10μm～60μm。
8.如权利要求4～7任一项所述的可控电磁屏蔽构件的制备方法，其特征在于，步骤S2中，在氩气气氛下进行激光选区熔化，并且激光选区熔化采用的激光功率为220W～340W，扫描速度为300mm/s～500mm/s，激光功率密度为100J/mm3～300J/mm3。
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