CN113226707B - 使用层间过渡材料的多层陶瓷导弹天线罩的3d印刷 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及通过3D打印技术生产具有宽频带和高电磁磁导率的多层陶瓷导弹天线罩，并且使用玻璃层间材料以最小化由烧结中相邻层的热机械不匹配引起的缺陷。

Description

使用层间过渡材料的多层陶瓷导弹天线罩的3D印刷
技术领域
本发明涉及陶瓷导弹天线罩的3D打印。
本发明特别涉及一种使用3D打印技术来生产在宽频带中提供高电磁磁导率的多层陶瓷和玻璃陶瓷天线罩的方法，以及使用层间材料来防止在烧结过程中天线罩层间之间涉及收缩不匹配的缺陷。
现有技术
陶瓷基导弹天线罩(雷达外壳、雷达罩)传统上通过粉浆浇铸法来生产。该技术适用于在特定RF(射频)下运行并且具有恒定壁厚的陶瓷天线罩的生产。然而在宽频带中操作并且具有高电磁磁导率的天线罩需要多层夹层结构。3D打印技术适合于在灵活的生产模型中快速、高效和可重复地生产这种结构。
3D打印用于开发难以用标准技术生产的特殊设计的产品。在其传统应用中，它是一种包括在低温下熔融塑料并通过喷嘴挤出熔体的技术。由于开发所需材料所需的高设备成本以及有限的跨学科工作，用于生产目的的陶瓷3D打印仅在过去十年中才有所进展。
陶瓷3D打印所遵循的程序与传统生产技术的程序没有不同。据此，首先混合陶瓷粉末以提供材料的均匀性，然后成型并烧结。
在工业上，陶瓷材料的3D打印向两个方向发展。第一，以高分辨率(μm水平)打印复杂且尺寸小(<10cm×10cm×10cm)的产品。第二，较大的产品(>30cm×30cm×30cm)以较低的分辨率(mm级)快速打印。两个方向的共同点是必须彻底研究和开发每种目标材料的优化印刷技术和生产工艺。
小而复杂的陶瓷的打印可以分为直接打印和间接打印两组来进行检查。在直接打印中，用高能量源(激光、电场、电子束)烧结待打印的层，无需额外的添加材料，每新一层都重复上述过程。SLS(选择性激光烧结)、SLM(选择性激光熔化)、SPS(放电等离子烧结)是该领域中使用的技术。在间接打印中，陶瓷粉末与有机添加剂混合，这形成了每层的生坯密度。该材料用作粘合剂，其通过加热或紫外(UV)应用活化以将陶瓷粉末打包得更紧密。该物体可以用光刻技术打印，例如LOM(层压物体制造)、FDM(熔融沉积成型-挤出而不加热喷嘴)、DLP(数字光处理)和基于光刻的陶瓷处理(LCP)，然后烧结。在这些技术中，光刻提供更精确和可重复的结果。在这种技术中，将陶瓷粉末与可光固化的有机粘合剂混合，然后将其打印并曝光。作为该步骤的结果，结构中的光引发剂被活化，并引发光聚合过程。在按照此程序打印所有层之后，烧结该打印物体。一些行业已经在其应用中使用3D打印陶瓷部件，这影响3D陶瓷打印机制造商更快地开发用于更大的陶瓷并且具有更高的分辨率打印机。
挤出是大规模打印较大陶瓷中最合适的技术。该技术基于通过打印机的喷嘴挤出具有优化粘度和可塑性的陶瓷浆料，并用半自动机器逐层打印。
关于3D陶瓷打印的研究中的一个专利是TWI614122(B)、题为“三维陶瓷的制造方法及其组成”，该申请涉及使用3D打印机打印单层陶瓷产品，并对所获得的产品进行上釉和烘烤的过程。
另一专利号为CN105254309(B)、名称为“一种3D打印陶瓷工艺”。该申请涉及通过将陶瓷粉末与粘合剂混合并在3D打印机中使用SLS(选择性激光烧结)方法生产单层陶瓷产品。
在公开文献中，没有关于多层陶瓷天线罩的3D打印以及使用层间材料来防止由于天线罩巨型层之间的热机械不相容性而导致产品缺陷的信息。
陶瓷导弹天线罩采用粉浆浇铸技术制造。这种技术是用于生产大型且复杂形状的陶瓷的最古老和最常见的方法之一。在该技术中，将陶瓷颗粒分散在水性或有机载体中，稳定，然后浇铸到预先制备的天线罩形状的石膏模具中。当石膏模具通过其多孔结构被混合物中的水渗透时，陶瓷颗粒积聚在模具的表面上。沉积材料的厚度作为时间的函数并且通过实验确定。混合物的性质(固/液比、混合物的稳定性、粒度和颗粒分布)、模具材料(石膏/水比、石膏孔径和分布)、环境温度和湿度、操作人员的知识、经验和技能是直接影响产品质量的主要因素。在沉积结束后，排出剩余的浆料。干燥后将该工件从模具中取出，并在室温下放置几天。在下一个过程中，陶瓷在窑炉中烧结，并达到其最终密度和微结构。由于没有厚度控制，窑炉中的零件经过加工以达到所需的微米级公差。考虑到所有这些操作，在粉浆浇铸生产中：
-原型和产品开发过程很长，并且依赖于许多参数的非常精细和同步的控制。因此，它不是一种灵活且可重复的生产技术。
-在烧结之后获得毫米级的粗略厚度，然后通过机械加工工件获得期望的最终厚度以符合公差。该过程不仅消耗时间，而且还：(1)缩短CNC(计算机数控)机床的零件寿命；(2)增加了生产成本；(3)导致薄壁产品的断裂。
-沉积厚度受到模具中的孔隙所限制，这些孔隙会随着时间而关闭。
-生产率取决于操作员的技术知识、经验和技能。
-用这种技术重复地生产多层材料需要很长时间。
在公开文献中没有提及多层陶瓷天线罩的3D打印和在该过程中遇到的技术问题。由具体技术过程中引发的困难，要靠技术的发展来解决。特别是在烧结过程中，由于层间的热膨胀差异引起的断裂或剥离是有待解释的主题。
因此，由于现有解决方案的上述缺点和不足，需要在技术领域进行改进。
发明内容
本发明涉及使用满足上述要求的使用层间过渡材料的多层陶瓷导弹天线罩的3D打印。
本发明的主要目的是提供一种使用3D打印技术来生产多层陶瓷和玻璃陶瓷天线罩的方法，该方法将在宽频带中提供高电磁磁导率。
本发明的另一个目的是通过在多层陶瓷和玻璃陶瓷天线罩的3D打印中使用玻璃和类似的材料来最小化在烧结中由天线罩的巨型层之间的热机械失配引起的缺陷。
本发明的另一个目的是将陶瓷天线罩的三维设计作为CAD(计算机辅助设计)档案直接传输到3D打印机，这有助于在计算机上快速实现天线罩设计相关的修改。
本发明的另一个目的是提供一种生产多层陶瓷导弹天线罩的自动化、独立于操作者且可重复的生产方法。
本发明的另一个目的是提供一种生产方法，其通过使用3D打印技术消除模具/阴模具部件昂贵且耗时的设计和生产。
本发明的另一个目的是提供一种生产方法，根据所使用的粘合剂的性质，该方法允许在生坯状态下，换句话说，在烧结之前加工打印基材。该过程比加工烧结结构快得多。以这种方式，在烧结之后获得具有更接近期望值的公差的产品。加成和减成工艺可以一起用于打印产品的开发。
本发明的另一个目的是提供一种理想的生产方法来生产具有任何复杂形状的多层陶瓷导弹天线罩，例如凹坑、突起、凹槽和类似的几何形状。
本发明的另一个目的是通过使用多喷嘴挤出方法在先前打印的不同材料上打印新材料来生产多层陶瓷导弹天线罩。
本发明的另一个目的是通过使用3D打印技术在同一设备平台上同时打印具有不同设计的物体来提供大规模定制。因此，这允许快速测试不同的产品设计(作为产品模型或最终版本)。
本发明的另一个目的是缩短多层陶瓷导弹天线罩生产的上市时间。
本发明的另一个目的是在通过常规制造的产品生产多层陶瓷导弹天线罩时减少浪费并使能量和材料的损失最小化。
为了实现上述目的，本发明是一种使用3D打印技术来生产提供高电磁渗透率的多层宽带陶瓷和玻璃陶瓷导弹天线罩的方法，包括以下步骤：
i.通过为每层选择的至少一种陶瓷/玻璃陶瓷粉末的预定组合物与增强颗粒紧密度的足够的有机粘合剂混合，并通过将每种混合物(层)填充到多喷嘴3D打印机的单个容器(盒、管等)中，从而制备出要打印的供给材料，
ii.重复步骤(i)以制备层间过渡材料，所述层间过渡材料在本文中被定义为玻璃，但也可以扩展到其他玻璃状材料。
iii.准备所需的天线罩的3D模型的计算机辅助设计(CAD)档案，并将档案传输到3D打印机，
iv.根据陶瓷层和过渡层的打印顺序，在3D打印机中启动多喷嘴挤出打印程序，
v.干燥分层地打印出来的生坯，
vi.加工生坯以使物体在烧结后更接近近净形状，
vii.烧结打印出来的生坯。
为了实现本发明的目的，所述方法还包括使用玻璃和类似材料来防止由天线罩层之间的CTE(热膨胀系数)不匹配引起的开裂和剥离。
为了实现本发明的目的，所述方法还包括在步骤(v)之后的生坯机械加工步骤。
为了实现本发明的目的，烧结过程在低于500℃的温度和小于1℃/min的加热速率下进行，用于有机粘合剂的脱粘和脱气。
在本发明的一个优选实施例中，所述层选自陶瓷/玻璃陶瓷材料以形成具有夹层结构的多层天线罩，其中内层和外层薄，介电常数高，中间层厚且介电常数相对较低。这种由所述层组成的结构可以制备为重复单元。
在本发明的另一个实施例中，所述层选自陶瓷/玻璃陶瓷材料以形成具有夹层结构的多层天线罩，其中内层和外层厚，介电常数低，中间层薄，介电常数相对较高。这种由所述层组成的结构可以制备为重复单元。
在本发明的另一个实施例中，所述层选自陶瓷/玻璃陶瓷材料以形成具有功能梯度材料结构的多层天线罩，其中每层的密度/介电常数不同。
在本发明的另一个优选实施例中，所述层选自陶瓷/玻璃陶瓷材料以形成多层天线罩，其中每一层根据RF导引头的位置从垂直的不同段中选择。
在本发明的一个优选实施例中，所述陶瓷/玻璃陶瓷材料选自SiO2(二氧化硅)、Si3N4(氮化硅)、RBSN(反应键合氮化硅)、Al2O3(氧化铝)、SiAlON(氮化硅铝)、LAS(硅酸铝锂)、MAS(硅酸铝镁)。在本发明的一个优选实施例中，LAS是基于基础组合物1Li2O3.1Al2O3.2SiO2以不同比例的锂-铝-硅酸盐氧化物组成的玻璃陶瓷材料，MAS是基于基础组合物2MgO.2Al2O3.5SiO2以不同比例的镁-铝-硅酸盐氧化物组成的玻璃陶瓷材料。具有适当电磁特性的其他氧化物和非氧化物材料也可以根据本发明描述的指导原则和技术来制备。
为了实现本发明的目的，所述玻璃中间层的元素选自硅酸盐玻璃氧化物、硼酸盐玻璃氧化物、所述玻璃氧化物与来自元素周期表1A和2A族的改性氧化物的组合物、以及中间氧化物。这里所说的硅酸盐玻璃是SiO2(二氧化硅)；所述硼酸盐玻璃是B2O3(三氧化二硼)；所述改性氧化物是Na2O(氧化钠)、K2O(氧化钾)、Li2O(氧化锂)、CaO(氧化钙)、MgO(氧化镁)、BaO(氧化钡)或PbO(氧化铅)；所述中间氧化物是Al2O3(氧化铝)、Bi2O3(三氧化二铋)或TeO2(二氧化碲)[1,2]
在本发明的一个优选实施例中，所述玻璃中间层的元素是PbO-B2O3-SiO2(PBS)、ZnO-B2O3(ZB)、BaO-ZnO-B2O3(BZB)、La2O3-B2O3-ZnO(LBZ)、BaO-Al2O3-SiO2(BAS)、Li2O-B2O3-SiO2(LBS)、Li2O-B2O3-SiO2-CaO-Al2O3(LBSCA)或BaO-B2O3-SiO2(BBS)。
本发明还涉及通过所述方法生产的多层陶瓷/玻璃陶瓷天线罩。这里提到的天线罩结构用在以超音速和高超音速以及宽/窄频带飞行的导弹天线罩中，用在需要高速飞行器或其部件的实施例中，或者用在电磁窗和罩中。
下面的附图和参照这些附图所作的详细描述中所概括的本发明的结构和特征特征以及所有优点将被清楚地理解，因此应当结合这些附图和详细说明来进行评价。
附图的简要说明
图1是典型导弹和天线罩结构的一般视图。
图2A是可以通过3D打印生产的A型夹层天线罩结构的横截面图。
图2B是可以通过3D打印生产的B型夹层天线罩结构的横截面图。
图2C是可以通过3D打印生产的FGM(功能梯度材料)天线罩结构的横截面图(材料A的性质(密度、介电常数)相应地沿厚度方向(A’至A”)上逐渐变化。)。
图2D是可以通过3D打印生产的多段(A、B、C)天线罩结构的横截面视图。
附图标记
1导弹
10天线罩
20雷达
30法兰
A介电常数高于B的陶瓷/玻璃陶瓷天线罩材料
A'具有与A不同的介电常数/密度的陶瓷/玻璃陶瓷天线罩材料
A”具有与A或A’不同的介电常数/密度的陶瓷/玻璃陶瓷天线罩材料
B介电常数低于A的陶瓷/玻璃陶瓷天线罩材料
C具有与A或B不同的介电常数的陶瓷/玻璃陶瓷天线罩材料
发明详述
在该详细描述中，对于本发明的多层陶瓷导弹天线罩的3D打印的描述仅是为了更好地理解主题，没有任何限制作用。
图1示出了典型的导弹(1)图像，其示出了由天线罩(10)保护的雷达(20)和与其连接的法兰(30)结构。陶瓷天线罩(10)是高速飞行的导弹(1)的最关键部件之一。这主要是由于空气动力摩擦导致的温度可以在很短的时间内在天线罩(10)的机头上升到1000℃，以及由于天线罩(10)猛然的活动引起的加速载荷。为了保护雷达和电子电路并保证导弹所需的射频(RF)性能，通过使用最佳设计、材料和制造技术来生产天线罩(10)。
粉浆浇铸是一种用于制造无法通过模塑、挤出、压制或热压制备的大型的、不对称的和复杂设计的陶瓷的标准生产技术。因此，它通常用于陶瓷导弹天线罩的生产。在该技术中，首先在具有优化流变性的水溶液中制备陶瓷粉末，然后将其倒入石膏模具中。当从多孔石膏中过滤出浆料的水时，陶瓷就会积聚在石膏壁上并达到一定厚度。一段时间后(通过实验确定)，将铸造的陶瓷从模具中取出，干燥，然后烧结。在该过程之后，在天线罩表面上和天线罩表面下进行机械加工和抛光操作，以便获得期望的几何公差。
导弹天线罩也使用基于LAS(硅酸铝锂)和MAS(硅酸铝镁)的玻璃陶瓷制造。这些材料通过玻璃的熔化、浇铸和烘烤来制备。烘烤过程由成核和结晶步骤组成，通过这些步骤，非晶态玻璃通过反玻璃化作用逐渐转化为晶体结构。
在两种天线罩生产方法中，技术参数的控制是困难的，效率有限，并且铸造后的机械加工操作中的工具/工艺损失很高。由于这些原因，3D打印正在成为以高效率和高产率生产天线罩的合适技术。通过这种技术，可以开发在宽频带中提供高电磁磁导率的多层夹层结构。因此，
1.包括材料薄且具有高介电常数(A)的内层和外层的实施例；其也包括内层和外层之间的中间层，该中间层的材料是厚的并且具有相对较低的介电常数(B)(图2A)，
2.包括材料厚且具有低介电常数(B)的内层和外层的实施例；其也包括内层和外层之间的中间层，该中间层的材料是薄的并且具有相对较高的介电常数(A)(图2B)，
3.形成功能梯度材料的实施例，其每层的密度/介电常数特性不同(A、A'、A”)(图2C)，
4.根据RF导引头的位置垂直形成不同段(A、B、C)材料的实施例(图2D)，
上述可以用3D打印来开发。
陶瓷导弹天线罩的3D打印与粉浆浇铸技术不同的要点可以总结如下：
-设计直接从CAD(计算机辅助设计)档案传输到打印机，而不需要任何工具。因此，可以在计算机上快速地执行对产品的改变和改进。这为天线罩与其他部件(法兰等)的组装提供了额外的优势。
-这是一个自动化过程，并且独立于操作者。因此，它是高度可重复的。
-不需要昂贵且耗时的模具/阴模具部件的设计和生产。
-根据所使用的粘合剂的性质，允许打印的基底在生坯状态下，换句话说，在烧结之前，进行机械加工，这与烧结结构的机械加工相比可更快地完成。以这种方式，在烘烤后获得具有接近期望值的公差的产品。以这种方式，提供了一种生产方法，其中可以一起使用加成和减成工艺。
-是一种生产复杂形状如凹坑、突起、凹槽的理想生产方法。
-可以使用多喷嘴尖端将一种材料打印在另一种材料上。
-可以通过在同一设备平台上同时打印天线罩的多个设计来提供大规模定制。因此，这允许快速测试不同的产品设计(作为产品模型或最终版本)。
-缩短了上市时间。
-与传统制造的产品相比，不存在材料性质的损失。
-能量和材料损失最小化，减少浪费。
作为一种生产方法，在陶瓷的3D打印中通过光刻技术实现了最高分辨率。在该方法中，天线罩材料，即陶瓷或玻璃陶瓷粉末，以一定比例与可光固化的有机粘合剂混合。混合物流变性的确定和优化是一个重要的过程。混合物中的粘合剂具有两个基本作用：(1)将陶瓷粉末和有机粘合剂保持在一起；(2)通过其组成中的光引发剂将混合物转化为固体“生坯”稠度。成型过程中最重要的参数是打印层的厚度、所用光源的强度和曝光时间。
当来自光源的能量活化粘合剂中的光引发剂时，即启动生产过程。以这种方式，直接或通过与其他分子的反应形成新的自由基。该过程称为光聚合。在打印完每一层之后，施加光固化，并且重复该过程直到打印物体完成。分层打印的物体在干燥后准备好烧结。
烧结过程是3D打印中最基本的步骤之一。结构中的有机粘合剂的脱粘和脱气在低温(<500℃)和敏感的加热速率(<1℃/min)下进行。这样做的目的是防止在脱粘过程中可能出现裂纹。为此，必须使用分析方法如膨胀测定法、TGA(热重分析)和DSC(差示扫描量热法)来确定关键加工温度和加热曲线。烧结中的其他关键温度是陶瓷材料获得其特性的烧结温度、持续时间和环境。在该温度下，材料达到高密度，由此产生的微结构决定了材料在应用中的性能。尽管烧结材料处于“近净形状”的尺寸，但仍需进行机械加工以符合最终公差。
在公开文献中，使用基于光刻的陶瓷制造(LCM)方法的3D打印材料是Al2O3(氧化铝)、ZrO2(二氧化锆)和Si3N4(氮化硅)。据称，这些由高纯度原料制成的材料具有超过99％的理论密度，并且它们的机械和电气性能可与其他方法生产的同类材料媲美甚至更优越。然而，这些都是相对较小的结构。
考虑到陶瓷导弹天线罩的尺寸，针对较小物体开发的光刻技术仅在中长期有望成为更全面的解决方案。尽管打印的分辨率较低，但用挤出生产这种结构是制作大型陶瓷天线罩原型更合适的方法。在该技术中，利用半自动系统从喷嘴3D打印具有优化流变性的陶瓷浆料。然后将物体干燥并烧结。多个挤出喷嘴可用于将多幅材料打印在彼此之上。打印设备装有用于每种所需材料的特殊盒或管。每个盒/管可以连接到单个喷嘴，并且根据层的打印顺序通过机器施加高压来激活。
打印多层陶瓷结构的最大障碍是由于热膨胀系数的不匹配而在层之间形成剥离和裂缝。该问题在多层同时在高温下烧结的多层陶瓷结构中经常出现，例如电容器、压电致动器、陶瓷模块、燃料电池和厚膜传感器。
熔融SiO2(二氧化硅)、Si3N4(氮化硅)、RBSN(反应结合氮化硅)、Al2O3(氧化铝)、SiAlON(氮化硅铝)、LAS(硅酸铝锂)(1Li2O3.1Al2O3.2SiO2)、MAS(硅酸铝镁)(2MgO.2Al2O3.5SiO2)和类似材料是本发明中讨论的陶瓷/玻璃陶瓷天线罩材料的实例。为了确保宽带高电磁磁导率，这些材料必须打印为多层(图2A、2B、2C、2D)。通过使用不损害天线罩预期的电磁、热、机械、热机械性能要求的过渡材料(缓冲剂)，可以在烧结过程中实现层之间的热机械相容性。这些材料的配方、材料纯度、粒度和分布、形状因子(粉末、蜡、板)、设计(单线/多线打印、不同图案)、印刷厚度、温度、湿度、耐腐蚀性应根据基质材料仔细优化。
本发明涉及使用玻璃作为过渡材料来补偿陶瓷层之间CTE(热膨胀系数)的不匹配。玻璃是作为层间材料的有效过渡材料，因为它可以以不同的性质和形状因子(粉末、糊状物、熔体)配制和制备以适应相邻的层。
通过将网络形成剂氧化物与网络改性剂氧化物混合，来生产用于RF应用的玻璃。网络形成剂氧化物是具有高熔点和粘度的SiO2(二氧化硅-硅酸盐玻璃)和具有低粘度的B2O3(三氧化硼-硼酸盐玻璃)。此外，来自元素周期表的1A和2A族的网络改性剂氧化物[Na2O(氧化钠)、K2O(氧化钾)、Li2O(氧化锂)、CaO(氧化钙)、MgO(氧化镁)、BaO(氧化钡)]和PbO(氧化铅)掺杂SiO2、掺杂B2O3或与两种氧化物掺杂一起的组合。改性剂氧化物通过产生不与玻璃连接的氧位点来促进结构打开，从而同时增加CTE和离子电导率。除此之外，在玻璃组合物中还存在被称为中间氧化物(Al2O3(氧化铝)、Bi2O3(三氧化二铋)、TeO2(二氧化碲))的氧化物基团，其根据玻璃的组成作为网络形成剂或网络改性剂起作用。
通过使用上述组合中的玻璃，可以获得无限数量的具有吸引人的特征的新玻璃组合物。重要的是所选玻璃与待打印的主体天线罩层的热机械和化学性质的相容性。还优选的是，玻璃具有小的CTE值用于热冲击的高抵抗性。表1示出了PbO-B2O3-SiO2系统的Ts(软化温度)、CTE、介电常数(ε)、介电损耗(tgδ)值的变化，作为Pb-B-Si氧化物的函数[1]。
除此之外，通过组合ZnO-B2O3、BaO-ZnO-B2O3、La2O3-B2O3-ZnO、SiO2-BaO-Al2O3、Li2O-B2O3-SiO2、Li2O-B2O3-SiO2-CaO-Al2O3、BaO-B2O3-SiO2玻璃组中的不同组分成为不同的组合，可以生产与巨型天线罩层相容的新玻璃[1]。玻璃的开发应考虑其组成、厚度、形状及其对环境的影响。
表1。基于玻璃组成的材料性质
材料(Vol.％) T<sub>s</sub>(℃) CTE(ppm/K) ε tgδ(@1MHz)
PbO-B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>-SiO<sub>2</sub>(70:20:10) 348 -155 19,57 0,020
PbO-B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>-SiO<sub>2</sub>(60:20:20) 312 -124 15,32 0,018
PbO-B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>-SiO<sub>2</sub>(50:40:10) 408 -98 13,78 0,012
PbO-B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>-SiO<sub>2</sub>(40:40:20) 449 -69 12,74 0,009
PbO-B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>-SiO<sub>2</sub>(40:20:40) 442 -31 12,11 0,010
PbO-B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>-SiO<sub>2</sub>(30:60:10) 492 -15 9,06 0,011
玻璃陶瓷天线罩材料可使用合适的玻璃或通过改变其组成中的组分的比例(不需要任何额外的玻璃)打印为多层。例如，基于Li2O-Al2O3-SiO2的LAS玻璃陶瓷可通过使用添加不同比例的MgO、ZnO、K2O、Na2O、P2O5、TiO2、ZrO2和As2O2,5来制备，或者可仅通过改变成核和结晶过程中的工艺参数来开发出具有不同的物理、机械、热、电气性能。可以通过改变玻璃组成从多个挤出机喷嘴打印出多层，以产生功能梯度结构(图2C)或分段结构(图2D)。
鉴于先前的解释，本发明是一种使用3D打印技术来生产在宽频带中提供高电磁磁导率的多层陶瓷/玻璃陶瓷天线罩的方法，包括以下步骤：
·通过为每层选择的至少一种陶瓷/玻璃陶瓷粉末的预定组合物与增强颗粒紧密度的足够的有机粘合剂混合，并通过将每种混合物(层)填充到多喷嘴3D打印机的单个容器(盒、管等)中，从而制备出要打印的供给材料，
·重复步骤(i)以制备层间过渡材料，所述层间过渡材料在本文中被定义为玻璃，但也可以扩展到其他玻璃状材料。
·准备所需的天线罩的3D模型的计算机辅助设计(CAD)档案，并将档案传输到3D打印机，
·根据陶瓷层和过渡层的打印顺序，在3D打印机中启动多喷嘴挤出打印过程，
·干燥分层地打印出来的生坯，
·加工生坯以使物体在烧结后更接近近净形状，
·烧结打印出来的生坯。
并且涉及使用玻璃层间元件来防止由所述层之间的CTE(热膨胀系数)不匹配引起的开裂。
通过本发明中提及的多喷嘴挤出工艺打印多层陶瓷/玻璃陶瓷天线罩以及使用玻璃层间元件来防止由层之间的CTE不匹配引起的开裂可以被考虑并改进以用于不同的应用。应用例子可以是超音速和高超音速以及在宽/窄频带中飞行的导弹天线罩、需要高速飞行器或其部件的结构、电磁窗和罩。
参考文献
[1]M.T.Sebastian,H.Jantunen,Low Loss Dielectric Materials for LTCCApplications:A Review,International Materials Reviews,2008,vol.53[2],57-90.
[2]M.I.Ojovan,Viscosity and Glass Transition in Amorphous Oxides,Advances in Condensed Matter Physics,2008,[817829],1-24.

Claims (19)

1.一种使用3D打印技术生产在宽频带中提供高电磁磁导率的多层陶瓷/玻璃陶瓷天线罩的方法，其特征在于，包括以下步骤：
i.通过为每层选择的至少一种陶瓷/玻璃陶瓷粉末的预定组合物与增强颗粒紧密度的有机粘合剂混合，并通过将每种混合物填充到多喷嘴3D打印机的单个容器中，从而制备出供打印的供给材料，
ii.重复步骤(i)以制备层间过渡材料，所述层间过渡材料被定义为玻璃，
iii.准备所需的天线罩的3D模型的计算机辅助设计档案，并将档案传输到3D打印机，
iv.根据陶瓷层和层间过渡层的打印顺序，在3D打印机中启动多喷嘴挤出打印程序，
v.干燥分层地打印出来的生坯，
vi.加工生坯以使天线罩在烧结后更接近近净形状，
vii.烧结打印出来的生坯。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括使用玻璃过渡材料来防止由打印出来的陶瓷/玻璃陶瓷的层之间的CTE(热膨胀系数)不匹配引起的开裂纹。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括在步骤(v)之后机械加工生坯的步骤。
4.根据权利要求1所述的方法，其中：烧结过程在低于500℃的温度和小于1℃/min的加热速率下进行，用于有机粘合剂的脱粘和脱气。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述层选自陶瓷/玻璃陶瓷材料以形成具有夹层结构的多层天线罩，其中内层和外层较中间层薄且介电常数高，中间层较内层和外层厚且介电常数相对内层和外层较低。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述层选自陶瓷/玻璃陶瓷材料以形成具有夹层结构的多层天线罩，其中内层和外层较中间层厚且介电常数低，中间层较内层和外层薄且介电常数相对内层和外层较高。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述层选自陶瓷/玻璃陶瓷材料，以形成具有功能梯度材料结构的多层天线罩，其中每层的密度/介电常数是不同的。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述层选自陶瓷/玻璃陶瓷材料以形成多层天线罩，所述多层天线罩的每一层根据RF(射频)导引头的位置从垂直的不同段中选择。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述陶瓷/玻璃陶瓷材料选自SiO2(二氧化硅)、Si3N4(氮化硅)、RBSN(反应结合氮化硅)、Al2O3(氧化铝)、SiAlON(氮化硅铝)、LAS(硅酸铝锂)、MAS(硅酸铝镁)。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述LAS是由基于基础组合物1Li2O3.1AL2O3.2SiO2以不同比例的锂-铝-硅酸盐氧化物组成的玻璃陶瓷材料。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述MAS是由基于基础组合物2MgO.2Al2O3.5SiO2以不同比例的镁-铝-硅酸盐氧化物组成的玻璃陶瓷材料。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述玻璃层间过渡材料选自硅酸盐玻璃氧化物、硼酸盐玻璃氧化物、所述玻璃氧化物与元素周期表第1A族和第2A族的改性氧化物的组合物、以及中间氧化物。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述硅酸盐玻璃氧化物是SiO2(二氧化硅)。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述硼酸盐玻璃氧化物是B2O3(三氧化二硼)。
15.根据权利要求12所述的方法，其中所述改性氧化物是Na2O(氧化钠)、K2O(氧化钾)、Li2O(氧化锂)、CaO(氧化钙)、MgO(氧化镁)、BaO(氧化钡)或PbO(氧化铅)。
16.根据权利要求12所述的方法，其中所述中间氧化物是Al2O3(氧化铝)、Bi2O3(三氧化二铋)或TeO2(二氧化碲)。
17.根据权利要求2或12所述的方法，其中所述玻璃层间过渡材料是PbO-B2O3-SiO2(PBS)、ZnO-B2O3(ZB)、BaO-ZnO-B2O3(BZB)、La2O3-B2O3-ZnO(LBZ)、BaO-Al2O3-SiO2(BAS)、Li2O-B2O3-SiO2(LBS)、Li2O-B2O3-SiO2-CaO-Al2O3(LBSCA)或BaO-B2O3-SiO2(BBS)。
18.通过根据前述权利要求中任一项所述的方法生产的多层陶瓷和玻璃陶瓷天线罩。
19.如权利要求18所述的多层陶瓷和玻璃陶瓷天线罩，其中，所述多层陶瓷/玻璃陶瓷天线罩用于超音速和高超音速下以及在宽/窄频带中飞行的导弹天线罩中，用于需要高速飞行器和/或其部件的实施例中，或者用于电磁窗和罩中。
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