CN113488779A - 一种热塑型填料吸波锥体结构及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于吸波材料设计领域，尤其涉及一种基于3D打印技术的热塑型填料吸波锥体结构及其制作方法。结构包括矩阵排列的吸波单元结构，相邻两个单元结构紧密相连；各吸波单元结构均包括吸波锥体、基座、填料和塞头；吸波锥体为空心的棱锥形，固定连接在基座上；基座上设有连通吸波锥体内部的开口；填料为吸波材料，通过基座上的开口填充在吸波锥体内；所述塞头堵在基座上开口处，以阻止填料外泄。本发明通过热塑性材料制作的空心棱锥配合填充在内部的吸波材料，可以最大程度的减小对电磁波的反射，使其能充分进入到壳体内部被填料吸收损耗掉。此外，还可以采用吸波材料废料作为填料，实现了资源的重复利用，降低了成本的同时还减少了环境污染。
Description
技术领域
本发明属于吸波材料设计领域，尤其涉及一种热塑型填料吸波锥体结构及其制作方法。
背景技术
微波暗室就是用吸波材料来制造一个封闭空间，在暗室中对天线、雷达等无线通讯产品和电子产品测试时，电磁波入射到四周时，绝大部分被吸波材料吸收，反射极少。可以免受杂波干扰，提高被测设备的测试精度和效率。随着电子技术的日益发展,微波暗室被更多的应用。
目前国内用于微波测试的吸波锥体通常由泡沫渗碳型吸波材料制作而成。泡沫渗碳型吸波材料是以聚氨酯泡沫为载体，其制备过程如下：先将聚氨酯塑料发泡，发泡后切割成需要的锥体形状，然后在碳胶溶液中渗透吸波剂以及其它助剂，最后除去水分。其优点是在生产中不需要特定形状的模具(常见的吸波材料有尖劈，角锥等形状)，可以根据需要任意切割。缺点是聚氨酯材料锥体结构中浸渍的吸波剂易受外界因素影响，且制作的结构本身为一体成型的泡沫尖锥结构，使用一段时间后因受潮等因素影响，易使吸波锥体发生变形等情况影响吸波锥体结构的吸波性能和使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种热塑型填料吸波锥体结构及其制作方法，以提升吸波椎体结构的吸波性能和使用寿命。
为解决上述技术问题，本发明采取如下技术方案：
一种热塑性填料吸波锥体结构，包括n个矩阵排列的吸波单元结构，相邻两个单元结构紧密相连，其中n≥4；
各吸波单元结构均包括吸波锥体、基座、填料和塞头；吸波锥体为空心的棱锥形，固定连接在基座上；基座上设有连通吸波锥体内部的开口；填料为吸波材料，通过基座上的开口填充在吸波锥体内；所述塞头堵在基座上开口处，以阻止填料外泄。
进一步的，所述吸波锥体为空心的四棱锥体。
进一步的，所述吸波锥体与基座之间一体成型。
进一步的，所述吸波锥体、基座以及塞头均采用掺杂了50-80wt％羰基铁粉的聚醚醚酮制作而成。
进一步的，所述填料可以采用吸波材料废料作为原材料。
针对上述结构，本发明还提供其制作方法。具体如下：
一种基于3D打印技术的热塑性填料吸波锥体结构的制作方法，包括以下步骤：
步骤1、使用三维绘图软件绘制出吸波单元结构的三维模型：三维模型中的吸波单元结构包括吸波锥体、基座和塞头；将绘制好的三维模型导入到3D打印机中，设置打印速度等工艺参数，得到用于3D打印的指令文件；
步骤2、准备打印吸波单元结构的材料：先采用二次成型的双螺杆熔融挤出法，将30-50wt％的热塑性树脂基体和50-70wt％磁性吸收剂的混合粉体加入到双螺杆中，采用高温使热塑性树脂基体熔融，异向旋转的两根螺杆通过啮合力将磁性吸收剂和热塑性树脂基体熔体充分混合均匀并挤出制备丝材；所采用高温为相应热塑性树脂材料的熔融温度增加5-20℃。
步骤3、使用步骤1中得到的3D打印指令文件将丝材进行熔融沉积成型制造出吸波锥体、基座和塞头，最后将填料填入空心的吸波锥体内。
本发明提出来的一种热塑型填料吸波锥体结构及其制作方法，由于作为填料的吸波材料填充在空心的棱锥形结构内部，且处于密封状态，可以减小外界因素对于吸波材料的影响，从而保证吸波性能的稳定性。在制作过程中，由于空心棱锥体采用了掺杂磁性吸收剂的热塑性材料，使其在具有吸波效果的同时兼具了好的力学性能和耐候性，提升了吸波锥体的使用寿命。通过热塑性材料制作的空心棱锥配合填充在内部的吸波材料，可以最大程度的减小对电磁波的反射，使其能充分进入到壳体内部被填料吸收损耗掉。在整个加工过程中，本发明无需人工浸渍材料。此外，本发明吸波锥体结构还可以采用吸波材料废料作为填料，实现了资源的重复利用，降低了成本的同时还减少了环境污染。
附图说明
图1为吸波单元结构打印实物图；
图2为吸波锥体结构整体示意图；
图3为吸波单元结构整体示意图
图4为吸波锥体填料口塞头整体示意图；
图5为复合吸波材料的电磁参数；
图6为实施例1锥体壁的不同壁厚对电磁波反射率的仿真结果示意图；
图7为实施例2空心棱锥体内部未填充填料时和空心棱锥体内部填充填料后对电磁波反射率的仿真结果示意图。
具体实施方式
为更好的阐述本发明的技术方案，下面结合附图，作进一步的说明。
本发明提供的一种热塑性填料吸波锥体的结构，如图2所示，包括4个矩阵排列的吸波单元结构,相邻两个单元结构紧密相连。
各吸波单元结构如图3所示，均包括吸波锥体、基座、填料和塞头；吸波锥体为空心的棱锥形，固定连接在基座上。基座为实心的长方体结构，其长×宽尺寸与吸波锥体底面的长宽尺寸相同，基座上设有连通吸波锥体内部的开口；填料为吸波材料，通过基座上的开口填充在吸波锥体内；所述塞头堵在开口处，以防止填料外泄。使用时，当垂直入射进入的电磁波通过空心的棱锥形时部分进入到内部的填料中被吸波填料快速并且完全的衰减损耗掉。反射的电磁波被相邻吸波锥体结构单元吸收，保证了电磁波最大限度的进入吸波材料内部，减小反射的电磁波。
本实施例的各吸波单元结构中，吸波锥体均为四棱锥体，这样相邻两个吸波锥体之间的相对面形成对电磁波的有效反射面，在不断反射电磁波同时也在不断吸收消耗电磁波能量，达到吸波消能的目的。实际使用中，填料的致密度可以改变吸波效果，通过改变填充度、填充的种类，来改变吸收频带的范围和带宽。在调整调料的过程中，需要对塞头进行拔出或者压紧，因此塞头采用了正方基板和圆柱体组合的拼接结构。图4为吸波锥体填料口塞头整体示意图，如图4所示，圆柱体叠加在正方形基板之上，其圆心与正方基板中心重叠，其直径小于正方形基板的边长。
在制作本实施例吸波锥体结构的过程中，本实施例是采用了3D打印技术制作，其中吸波锥体、基座材料以及塞头均采用掺杂了50-80wt％羰基铁粉的PEEK(聚醚醚酮)材料制作而成。制作过程中，为了简化工艺，所述吸波锥体与基座之间一体成型。
上述基于3D打印技术的热塑性填料吸波锥体结构的制作方法，包括以下步骤：
步骤1、使用三维绘图软件绘制出吸波单元结构的三维模型：吸波单元结构包括吸波锥体、基座、和塞头；将绘制好的三维模型导入到3D打印机中，设置打印速度等工艺参数，得到用于3D打印的指令文件。本实施例中，打印锥体结构的电磁参数如图5所示，介电实部最大值为4.0，介电虚部最大值为0.9，磁导率实部最大值为1.8，磁导率虚部最大值为0.7。壁的不同厚度的反射率如图6所示，在3mm的情况下反射率大于-5dB从8GHz-18GHz带宽达到10G；空心棱锥体内部未填充填料时和空心棱锥体内部填充填料后对电磁波反射率如图7所示，在空心棱锥体内部未填充填料的情况下，在2GHz-18GHz频率范围内平均具有-5dB以下的反射率；在填充有填料情况下2GHz-4GHz频率范围内具有-5dB以下的反射率，在4GHz-5GHz频率范围内具有-20dB以下的反射率，在5GHz-18GHz频率范围内具有-30dB以下的反射率，反射率最低值为-57.5dB。
步骤2、准备打印吸波单元结构的材料：
首先选取热塑性树脂基体和磁性吸收剂，热塑性基材需要满足密度在1.5以下、力热学性能优秀；磁性吸收剂为羰基铁粉、六角铁氧体、铁硅铝合金粉末。在本实施例中，选用的热塑性树脂基体为聚醚醚酮，磁性吸收剂为球状羰基铁粉。
然后采用双螺杆熔融挤出法，将热塑性基材和磁性吸收剂按一定质量比混合(本实施例子使用聚醚醚酮为基材，羰基铁粉为磁性吸收剂，羰基铁粉质量比为60％)，再将混合好的粉体加入到双螺杆中，加热到聚醚醚酮的熔融温度点(370℃-390℃)使其成为熔融状态，通过异向旋转的两根螺杆通过啮合力将磁性吸收剂和聚醚醚酮熔体充分混合均匀并向前推进，挤出后经过风冷机冷却切粒就会得到复合材料母粒。通过双螺杆挤出机制得的母粒制造成丝材。
步骤3、使用步骤1中得到的3D打印指令文件将丝材进行熔融沉积成型制造出吸波锥体、基座和塞头，最后将填料填入空心的吸波锥体内。整体成品如图1所示。
按照上述方法打印了2件不同尺寸参数的热塑型填料吸波锥体结构，并验证吸波效果。
实施例1
一种基于3D打印技术的热塑型填料吸波锥体结构，其具体尺寸参数为(单位mm)
如图2、图3所示，吸波锥体吸高h1为245mm；长方体基座高h2为40mm,塞头整体高度h3为25mm；基座长边与吸波锥体底面长边相等，即w1为60mm,正方形边长w2为40mm，圆柱直径D1为40mm,圆柱高H1为15mm,锥体壁厚t为1mm。
在垂直入射的情况下，空心锥体壳壁具有如图6所示的吸波性能。在2GHz-18GHz频率范围内平均具有-5dB以下的反射率。
实施例2
一种基于3D打印技术的热塑型填料吸波锥体结构，其具体尺寸参数为(单位mm)
如图2，图3所示吸波锥体吸高h1＝245mm,长方体基座高h2＝40mm,塞头整体高度h3＝25mm,基座长边与吸波锥体底面长边相等，即w1为60mm,正方形边长w2＝40mm，圆柱直径D1＝40mm,圆柱高H1＝15mm,锥体壁厚t＝1～3mm。
在垂直入射的情况下,考虑仿真尺寸对计算机性能的要求，故对模型等比例缩小80％进行仿真，其仿真性能具有如图7所示的吸波性能。在2GHz-4GHz频率范围内具有-5dB以下的反射率，在4GHz-5GHz频率范围内具有-20dB以下的反射率，在5GHz-18GHz频率范围内具有-30dB以下的反射率，反射率最低值为-57.5dB。
需要说明的是上述实施例子是为了进一步阐述本发明，以便于本领域相关人员更好的理解该发明。本发明已经通过文字描述首选的实施方案，但是通过阅读上述实施案例可以知道其中的可优化性，这样的改进仍然属于本发明的范围，属于本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种热塑性填料吸波锥体结构，其特征在于：包括n个矩阵排列的吸波单元结构，相邻两个单元结构紧密相连，其中n≥4；
各吸波单元结构均包括吸波锥体、基座、填料和塞头；吸波锥体为空心的棱锥形，固定连接在基座上；基座上设有连通吸波锥体内部的开口；填料为吸波材料，通过基座上的开口填充在吸波锥体内；所述塞头堵在基座上开口处，以阻止填料外泄。
2.根据权利要求1所述的热塑性填料吸波锥体结构，其特征在于：所述吸波锥体为空心的四棱锥体。
3.根据权利要求1所述的一种热塑性填料吸波锥体结构，其特征在于：所述吸波锥体与基座之间一体成型。
4.根据权利要求1所述的制作热塑性填料吸波锥体结构，其特征在于：所述吸波锥体、基座以及塞头均采用掺杂了50-80wt％羰基铁粉的聚醚醚酮制作而成。
5.根据权利要求1所述的一种热塑性填料吸波锥体的结构，其特征在于：所述填料可以采用吸波材料废料作为原材料。
6.一种基于3D打印技术的热塑性填料吸波锥体结构的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、使用三维绘图软件绘制出吸波单元结构的三维模型：三维模型中的吸波单元结构包括吸波锥体、基座和塞头；将绘制好的三维模型导入到3D打印机中，设置打印速度等工艺参数，得到用于3D打印的指令文件；
步骤2、准备打印吸波单元结构的材料：先采用二次成型的双螺杆熔融挤出法，将30-50wt％的热塑性树脂基体和50-70wt％磁性吸收剂的混合粉体加入到双螺杆中，采用高温使热塑性树脂基体熔融，异向旋转的两根螺杆通过啮合力将磁性吸收剂和热塑性树脂基体熔体充分混合均匀并挤出制备丝材；所采用高温为相应热塑性树脂材料的熔融温度增加5-20℃；
步骤3、使用步骤1中得到的3D打印指令文件将丝材进行熔融沉积成型制造出吸波锥体、基座和塞头，最后将填料填入空心的吸波锥体内。
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