CN112736485A - 一种发泡龙勃透镜及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发泡龙勃透镜的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：设计要得到的m层发泡龙勃透镜的发泡倍率以及每层的尺寸和介电常数，其中5≤m≤15；将树脂材料和介电调节剂依照介电调节剂质量比的大小，充分混合后依次配置为m份3D打印基材；通过熔融沉积成型法，使用3D打印机依次将m份3D打印基材打印为m层的球形结构，得到球形坯模；最后使用超临界流体浸渍球形坯模，泄压发泡得到发泡龙勃透镜。本发明使用介电调节剂调节可发泡树脂材料作为3D打印基材，使用熔融沉积成型方法得到龙勃透镜球体胚模，使用超临界流体物理发泡得到发泡龙勃透镜，其方法简单，操作方便，打印出的发泡龙勃透镜每层介电常数精确可控。

Description

一种发泡龙勃透镜及其制备工艺

技术领域

本发明涉及高分子材料加工领域，具体涉及一种发泡龙勃透镜及其制备工艺。

背景技术

龙勃透镜天线是一种梯度介质材料构成的洋葱状中心对称球体，它的原理类似于光学透镜的聚焦原理，是利用多层介质球体的折射特性，将单个天线单元的低增益、宽波束的电磁波信号汇集成高增益、窄波束的电磁波信号，在卫星通信、雷达、射电天文、全息成像等领域具有广泛的应用前景。特别是近些年，随着5G天线的大规模建设，龙勃透镜再次被重点关注。然而，受限于龙勃透镜天线加工生产难度大，成本高，重量大，龙勃透镜天线在民用领域应用较少。

中国专利文献CN101057370A公开了一种使用热塑性树脂膨胀珠粒制造的龙勃透镜。该方法将陶瓷与热塑性树脂膨胀珠粒混合，在高温下发泡成型，通过调节每层球壳内珠粒的表观密度，实现从中心层至最外圆顶状层介电常数逐层减小。该方法制造的龙勃透镜成本相对较低，但是发泡珠粒形成的皮层和芯层结构会导致介电常数一致性难以控制，影响每层材料介电常数的精确性。

中国专利文献CN107959122A公开了一种人工介质多层圆柱透镜。这种透镜使用聚苯乙烯、聚氯乙烯或聚乙烯发泡材料为基材，通过在基材中添加不同比例的介电常数调节剂，得到介电常数从2.05-1.05的不同介电常数的发泡材料，将其组装成为圆柱透镜。该方法得到的圆柱透镜质量较轻，各层介电常数较为精确。但是工艺复杂，需单独制备每层材料，最后将材料组合装配，步骤繁琐，装配精度难以精确实现。

发明内容

为此，本发明的所要解决的技术问题是克服现有龙勃透镜重量大，制备工艺复杂，或无法保证每层介电常数精确性的缺点，提供一种发泡龙勃透镜及其制备工艺。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种发泡龙勃透镜的制备工艺，包括如下步骤：

S1：设计要得到的m层发泡龙勃透镜的发泡倍率以及每层的尺寸和介电常数，其中5≤m≤15；

S2：将树脂材料和介电调节剂依照介电调节剂质量比的大小，充分混合后依次配置为m份3D打印基材；

S3：通过熔融沉积成型法，使用3D打印机依次将m份3D打印基材打印为m层的球形结构，得到球形坯模；

S4：使用超临界流体浸渍球形坯模，然后泄压发泡得到发泡龙勃透镜。

进一步地，S1中，最内层的介电常数ε₁＝2，由内向外每层介电常数依次递减，最外侧介电常数ε_m最低且ε_m>1，其中ε_m和1越接近越好。

进一步地，所述S3中球形坯模每层的介电常数ε_i’＝n×(ε_i-1)+1，其中ε_i为S1设计要得到的发泡龙勃透镜中每层的介电常数，n为设计的发泡倍率。

所述球形坯模每层的厚度δ_i＝【R×(2-ε_i+1)^1/2-R×(2-ε_i)^1/2】/n^1/3，其中R为发泡龙勃透镜半径，1＜i＜m，球形坯模第一层为球形，半径r₁＝【R×(2-ε₂)^1/2】/n^1/3，第m层厚度δ_m＝【R-R×(2-ε_m)^1/2】/n^1/3。

优选地，所述树脂材料为介电常数在2-10之间的可发泡树脂，包括并不限于聚丙烯。

所述介电调节剂的介电常数＞65，包括且不限于钛酸钡和二氧化钛。

所述介电调节剂占3D打印基材的0-30wt％。

进一步地，S4中所述超临界流体为氮气和二氧化碳的任意比例混合，浸渍压力10-15MPa，温度100-190℃，浸渍时间60-180min，泄压速率1-200MPa/s，发泡倍率可通过浸渍压力、温度精确控制。

本发明还提供了上述制备工艺制得的发泡龙勃透镜。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明使用介电调节剂调节可发泡树脂材料作为3D打印基材，使用熔融沉积成型方法得到透镜球体坯模；该方法简单，操作方便，可一步打印出多层介电常数的透镜球体坯模，通过控制3D打印基材的介电常数与打印尺寸，实现每层介电常数、厚度精确可控。

2、本发明限定介电调节剂的比例，避免出现介电调节剂使用过多造成各层发泡比例不同的现象，使得得到的发泡龙勃透镜结构均匀，介电常数精确。

3、本发明通过使用超临界流体发泡技术得到轻质大尺寸发泡龙勃透镜，发泡时对环境无影响，同时一次发泡成型，避免了多层多次发泡，且无需复杂装配。同时，本发明通过控制浸渍压力、浸渍温度，实现发泡制品尺寸的精确控制。

具体实施方式

提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。

实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。

实施例1

本实施例提供一种发泡龙勃透镜的制备方法，使用聚丙烯(ε_A＝2.3)作为树脂材料，钛酸钡(ε_B＝1400)作为介电调节剂，具体步骤如下：

(1)确认制备半径R＝200mm，发泡倍率n＝20的发泡龙勃透镜，其层数m＝5，设置发泡后各层的介电常数分别为：ε₁＝2，ε₂＝1.8，ε₃＝1.5，ε₄＝1.25，ε₅＝1.065；

(2)根据ε_i’＝n×(ε_i-1)+1和δ_i＝【R×(2-ε_i+1)^1/2-R×(2-ε_i)^1/2】/n^1/3，以及第一层r₁＝【R×(2-ε₂)^1/2】/n^1/3，第m层厚度δ_m＝【R-R×(2-ε_m)^1/2】/n^1/3，得到所需要制备的球形坯模的信息，如下表1所示：

表1实施例1中所需要制备的球形坯模数据

(3)根据表1信息配置每层所需要的3D打印基材，将钛酸钡按照表1中的质量比和聚丙烯充分混合；

(4)通过熔融沉积成型法，使用3D打印机依次将3D打印基材打印为5层的球形结构，得到球形坯模；

(5)将球形坯模在140℃预热3小时，预热结束后，将龙勃透镜球体转移至高压釜中，通入超临界二氧化碳和超临界氮气(超临界二氧化碳和超临界氮气体积比为3：2)，压力14MPa，温度140℃，保持4小时，4小时后以200MPa/s的速度泄压发泡，得到半径为200mm的发泡龙勃透镜，透镜每层发泡均匀，连接紧密，其实际得到的每层的介电常数和设计值基本相符，具体信息如表2所示：

表2实施例1制得的发泡龙勃透镜信息

实施例2

本实施例提供一种发泡龙勃透镜的制备方法，使用聚丙烯(ε_A＝2.3)作为树脂材料，钛酸钡(ε_B＝1400)作为介电调节剂，具体步骤如下：

(1)确认制备半径R＝500mm，发泡倍率n＝25的发泡龙勃透镜，其层数m＝9，设置发泡后各层的介电常数分别为：ε₁＝2，ε₂＝1.9，ε₃＝1.75，ε₄＝1.6，ε₅＝1.45，ε₆＝1.3，ε₇＝1.2，ε₈＝1.1，ε₉＝1.052；

(2)根据ε_i’＝n×(ε_i-1)+1和δ_i＝【R×(2-ε_i+1)^1/2-R×(2-ε_i)^1/2】/n^1/3，以及第一层r₁＝【R×(2-ε₂)^1/2】/n^1/3，第m层厚度δ_m＝【R-R×(2-ε_m)^1/2】/n^1/3，得到所需要制备的球形坯模的信息，如下表3所示：

表3实施例2中所需要制备的球形坯模数据

(3)根据表3信息配置每层所需要的3D打印基材，将钛酸钡按照表3中的质量比和聚丙烯充分混合；

(4)通过熔融沉积成型法，使用3D打印机依次将3D打印基材打印为9层的球形结构，得到球形坯模；

(5)将球形坯模在145℃预热4小时，预热结束后，将龙勃透镜球体转移至高压釜中，通入超临界二氧化碳和超临界氮气(超临界二氧化碳和超临界氮气体积比为4：1)，压力14MPa，温度145℃，保持5小时，5小时后以100MPa/s的速度泄压发泡，得到半径为500mm的发泡龙勃透镜，透镜每层发泡均匀，连接紧密，其实际得到的每层的介电常数和设计值基本相符，具体信息如表4所示：

表4实施例2制得的发泡龙勃透镜信息

实施例3

本实施例提供一种发泡龙勃透镜的制备方法，使用聚丙烯(ε_A＝2.3)作为树脂材料，二氧化钛(ε_B＝114)作为介电调节剂，具体步骤如下：

(1)确认制备半径R＝1000mm，发泡倍率n＝30的发泡龙勃透镜，其层数m＝7，设置发泡后各层的介电常数分别为：ε₁＝2，ε₂＝1.75，ε₃＝1.53，ε₄＝1.35，ε₅＝1.2，ε₆＝1.1，ε₇＝1.04；

(2)根据ε_i’＝n×(ε_i-1)+1和δ_i＝【R×(2-ε_i+1)^1/2-R×(2-ε_i)^1/2】/n^1/3，以及第一层r₁＝【R×(2-ε₂)^1/2】/n^1/3，第m层厚度δ_m＝【R-R×(2-ε_m)^1/2】/n^1/3，得到所需要制备的球形坯模的信息，如下表5所示：

表5实施例3中所需要制备的球形坯模数据

(3)根据表5信息配置每层所需要的3D打印基材，将二氧化钛按照表5中的质量比和聚丙烯充分混合；

(4)通过熔融沉积成型法，使用3D打印机依次将3D打印基材打印为7层的球形结构，得到球形坯模；

(5)将球形坯模在150℃预热6小时，预热结束后，将龙勃透镜球体转移至高压釜中，通入超临界二氧化碳和超临界氮气(超临界二氧化碳和超临界氮气体积比为2：3)，压力14MPa，温度150℃，保持8小时，8小时后以150MPa/s的速度泄压发泡，得到半径为1000mm的发泡龙勃透镜，透镜每层发泡均匀，连接紧密，其实际得到的每层的介电常数和设计值基本相符，具体信息如表6所示：

表6实施例3制得的发泡龙勃透镜信息

对比例1

本对比例提供一种发泡龙勃透镜的制备方法，使用聚丙烯(ε_A＝2.3)作为树脂材料，乙酰胺(ε_B＝59)作为介电调节剂，具体步骤如下：

(1)确认制备半径R＝1000mm，发泡倍率n＝30的发泡龙勃透镜，其层数m＝7，设置各层的介电常数分别为：ε₁＝2，ε₂＝1.75，ε₃＝1.53，ε₄＝1.35，ε₅＝1.2，ε₆＝1.1，ε₇＝1.04；

(2)根据ε_i’＝n×(ε_i-1)+1和δ_i＝【R×(2-ε_i+1)^1/2-R×(2-ε_i)^1/2】/n^1/3，以及第一层r₁＝【R×(2-ε₂)^1/2】/n^1/3，第m层厚度δ_m＝【R-R×(2-ε_m)^1/2】/n^1/3，得到所需要制备的球形坯模的信息，如下表7所示：

表7对比例1中所需要制备的球形坯模数据

(3)根据表7信息配置每层所需要的3D打印基材，将乙酰胺按照表7中的质量比和聚丙烯充分混合；

(4)通过熔融沉积成型法，使用3D打印机依次将3D打印基材打印为7层的球形结构，得到球形坯模；

(5)将球形坯模在150℃预热6小时，预热结束后，将龙勃透镜球体转移至高压釜中，通入超临界二氧化碳和超临界氮气(超临界二氧化碳和超临界氮气的体积比为2：3)，压力14MPa，温度150℃，保持8小时，8小时后以150MPa/s的速度泄压发泡，得到球形透镜。由于透镜内部1，2层处因为掺杂量过大，其发泡倍率未达到30倍，与其他层脱离，无法作为透镜使用。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种发泡龙勃透镜的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：

S1：设计要得到的m层发泡龙勃透镜的发泡倍率以及每层的尺寸和介电常数，其中5≤m≤15；

S2：将树脂材料和介电调节剂依照介电调节剂质量比的大小，充分混合后依次配置为m份3D打印基材；

S3：通过熔融沉积成型法，使用3D打印机依次将m份3D打印基材打印为m层的球形结构，得到球形坯模；

S4：使用超临界流体浸渍球形坯模，然后泄压发泡得到发泡龙勃透镜。

2.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，S1中，最内层的介电常数ε₁＝2，由内向外每层介电常数依次递减，最外侧介电常数ε_m最低且ε_m>1。

3.根据权利要求2所述的制备工艺，其特征在于，所述S3中球形坯模每层的介电常数ε_i’＝n×(ε_i-1)+1，其中ε_i为S1设计要得到的发泡龙勃透镜中每层的介电常数，n为设计的发泡倍率。

4.根据权利要求3所述的制备工艺，其特征在于，所述球形坯模每层的厚度δ_i＝【R×(2-ε_i+1)^1/2-R×(2-ε_i)^1/2】/n^1/3，其中R为发泡龙勃透镜半径，1＜i＜m，球形坯模第一层为球形，半径r₁＝【R×(2-ε₂)^1/2】/n^1/3，第m层厚度δ_m＝【R-R×(2-ε_m)^1/2】/n^1/3。

5.根据权利要求1-4任一权利要求所述的制备工艺，其特征在于，所述树脂材料为介电常数在2-10之间的可发泡树脂，包括并不限于聚丙烯。

6.根据权利要求5所述的制备工艺，其特征在于，所述介电调节剂的介电常数＞65，包括且不限于钛酸钡和二氧化钛。

7.根据权利要求6所述的制备工艺，其特征在于，所述介电调节剂占3D打印基材的0-30wt％。

8.根据权利要求1-7任一权利要求所述的制备工艺，其特征在于，S4中所述超临界流体为氮气和二氧化碳的任意比例混合，浸渍压力10-15MPa，温度100-190℃，浸渍时间60-180min，泄压速率1-200MPa/s。

9.一种发泡龙勃透镜，其特征在于，由权利要求1-8任一权利要求所述的制备工艺制得。