CN114261094B - 基于连续纤维3d打印的热膨胀可控电磁超材料及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

基于连续纤维3D打印的热膨胀可控电磁超材料及其制备工艺，包括阵列化的电磁超材料单元，电磁超材料单元的结构元胞包含一个节点圆和其外侧连接的双材料杆，双材料杆沿节点圆中心旋转对称，双材料杆与节点圆相切；制备工艺先确定电磁超材料的单元特征尺寸的范围；然后实现等效热膨胀系数可调的电磁超材料单元；再通过有限元计算得出电磁超材料单元的几何尺寸与电磁超材料等效热膨胀系数之间的关系以及几何尺寸与其电磁性能之间的关系；然后筛选出热膨胀系数及电磁性能均满足条件的电磁超材料单元的构型，将构型进行阵列得到电磁超材料整体结构的模型；最后通过3D打印实现电磁超材料的一体化制造；本发明兼顾电磁超材料的轻质化、高强度的应用需求。

Description

基于连续纤维3D打印的热膨胀可控电磁超材料及其制备工艺

技术领域

本发明属于电磁超材料技术领域，具体涉及一种基于连续纤维3D打印的热膨胀可控电磁超材料及其制备工艺。

背景技术

电磁超材料的一个主要应用领域是卫星天线。通过精细制造而成的超表面可以表现出卓越的电磁吸波、反射或透射等性能。然而，在电磁超材料的设计之初，研究人员往往只关注其电磁性能，而忽略其复杂多变的应用环境。例如，应用于太空环境的卫星天线，往往承受包括超高低温度变化、强辐射等极端环境，导致天线性能偏离原有的设计，甚至彻底失效。

自然界中常见的材料往往具有热胀冷缩的效应，即热膨胀系数为正值。但是也存在极少数材料，可以表现出反常的热效应，即具有负的热膨胀系数。负热膨胀材料在工业制造领域，尤其是在精密测试领域有着重要的应用前景，近年来引起了各国学者的广泛关注。负热膨胀材料的一个非常重要的应用方向是实现近零热膨胀的材料，以此来避免由于温度改变导致的仪器性能下降甚至失效。因此，通过研究负热膨胀材料，并将其与一般的正热膨胀材料相复合，就可以人为地调控材料的热膨胀效应。

综上所述，随着3D打印等先进制造技术的快速发展，电磁超材料已经从实验室逐步走向工程应用，在航空航天、太空探索等领域有着巨大的潜力；然而唯电磁至上的单一设计思路也使得电磁超材料的应用之路出现很多障碍。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种基于连续纤维3D打印的热膨胀可控电磁超材料及其制备工艺，一方面可以实现超材料在极端温度下稳定的电磁性能，另一方面也可以反过来作为电磁性能的一种热调控方式，实现热场与电磁场的有机结合，兼顾了电磁超材料的轻质化、高强度的应用需求。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于连续纤维3D打印的热膨胀可控电磁超材料，包括阵列化的电磁超材料单元，电磁超材料单元的结构元胞包含一个节点圆和其外侧连接的双材料杆，双材料杆沿节点圆中心旋转对称，双材料杆与节点圆相切，且靠近节点圆一侧与节点圆融合，材料相同。

所述双材料杆数目为3、4或6个；对于反手性结构，双材料杆的数目为3或4个，组成的电磁超材料单元分别为反手性三相切杆构型3、反手性四相切杆构型4；对于手性结构，双材料杆的数目为3、4或6个，组成的电磁超材料单元分别为手性三相切杆构型5、手性四相切杆构型6、手性六相切杆构型7；将电磁超材料单元阵列化，分别得到反手性三相切杆电磁超材料阵列8、反手性四相切杆电磁超材料阵列9、手性三相切杆电磁超材料阵列10、手性四相切杆电磁超材料阵列11和手性六相切杆电磁超材料阵列12。

所述双材料中一种材料为连续纤维，包括碳纤维、金属丝；另一种材料为ABS、尼龙、PLA、PEEK或PPS。

所述电磁超材料的热膨胀和电磁性能通过结构元胞的节点圆半径、双材料杆长度、双材料杆厚度、双材料杆组分材料的相对热膨胀系数而调整。

一种基于连续纤维3D打印的热膨胀可控电磁超材料的制备工艺，包括以下步骤：

1)根据电磁超材料的应用场景、频段和目标电磁性能，确定电磁超材料的单元特征尺寸所在的范围；

2)采用反手性结构或手性结构，与双材料杆相结合，实现等效热膨胀系数可调的电磁超材料单元；

3)通过有限元计算得出电磁超材料单元的几何尺寸与电磁超材料等效热膨胀系数之间的关系；

4)通过有限元计算得出电磁超材料单元的几何尺寸与其电磁性能之间的关系，电磁性能包括反射、投射和吸波；

5)根据应用需求筛选出热膨胀系数及电磁性能均满足条件的电磁超材料单元的构型；

6)将步骤5)电磁超材料单元的构型进行阵列，得到电磁超材料整体结构的三维模型；

7)将步骤6)电磁超材料整体结构的三维模型的STL文件导入3D打印机，实现对电磁超材料进行一体化制造。

所述的步骤7)中采用连续纤维增强的复合材料3D打印工艺对电磁超材料进行制造。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明将热场与电磁场融合，设计热调控的电磁超材料，不仅可以用于控制电磁超材料在极端温度下的性能偏移，还可以反过来用于调整电磁超材料电磁功能频段。

(2)本发明将电磁超材料与复合材料3D打印制造相结合，实现电磁超材料的低成本、一体化快速成型。

(3)本发明采用连续纤维增强的复合材料3D打印制造工艺对电磁超材料进行制造，在实现电磁和热膨胀功能的情况下同时兼顾了电磁超材料的轻质化、高强度的应用需求。

附图说明

图1为本发明电磁超材料单元的结构元胞示意图。

图2为本发明反手性结构和手性结构结构的电磁超材料单元示意图。

图3为本发明反手性三相切杆电磁超材料阵列示意图。

图4为本发明反手性四相切杆电磁超材料阵列示意图

图5为本发明手性三相切杆电磁超材料阵列示意图。

图6为本发明手性四相切杆电磁超材料阵列示意图。

图7为本发明手性六相切杆电磁超材料阵列示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。

一种基于连续纤维3D打印的热膨胀可控电磁超材料的制备工艺，包括以下步骤：

1)根据电磁超材料的应用场景、频段和目标电磁性能，确定电磁超材料的单元特征尺寸所在的范围；

2)采用反手性结构或手性结构，与双材料杆相结合，实现等效热膨胀系数可调的电磁超材料单元；

电磁超材料单元的结构元胞包含一个节点圆和其外侧连接的双材料杆，双材料杆沿节点圆中心旋转对称，双材料杆与节点圆相切，且靠近节点圆一侧与节点圆融合，材料相同；双材料杆数目为3、4、6个，如图1所示，当双材料杆数目为三相时，第一节点圆1-1外侧连接有3个第一双材料杆2-1；当双材料杆数目为四相时，第二节点圆1-2外侧连接有4个第二双材料杆2-2；当双材料杆数目为六相时，第三节点圆1-3外侧连接有6个第三双材料杆2-3；双材料杆中黑色与白色部分为两种不同性质的材料；

对于反手性结构，双材料杆的数目为3、4个，组成的电磁超材料单元分别为如图2中的反手性三相切杆构型3、反手性四相切杆构型4；对于手性结构，双材料杆的数目为3、4、6个，组成的电磁超材料单元分别为图2中的手性三相切杆构型5、手性四相切杆构型6、手性六相切杆构型7；

如图3～7所示，将电磁超材料单元阵列化，分别得到反手性三相切杆电磁超材料阵列8、反手性四相切杆电磁超材料阵列9、手性三相切杆电磁超材料阵列10、手性四相切杆电磁超材料阵列11和手性六相切杆电磁超材料阵列12；

3)通过有限元计算得出电磁超材料单元的几何尺寸与电磁超材料等效热膨胀系数之间的关系；

4)通过有限元计算得出电磁超材料单元的几何尺寸与其电磁性能之间的关系，电磁性能包括反射、投射和吸波等；

5)根据应用需求筛选出热膨胀系数及电磁性能均满足条件的电磁超材料单元的构型；

6)将步骤5)电磁超材料单元的构型进行阵列，得到电磁超材料整体结构的三维模型；

7)将步骤6)电磁超材料整体结构的三维模型的STL文件导入3D打印机，实现对电磁超材料进行一体化制造。

采用连续纤维增强的复合材料3D打印工艺对电磁超材料进行制造，所采用的两种材料中一种材料为连续纤维，具有高电导率、低热膨胀系数，包括碳纤维、金属丝等；另一种材料为ABS、尼龙、PLA、PEEK或PPS等具有高热膨胀系数、低电导率的材料，具体根据实际应用需求而定。

所述电磁超材料的热膨胀和电磁性能通过结构元胞的节点圆半径、双材料杆长度、双材料杆厚度、双材料杆组分材料的相对热膨胀系数而调整。

本发明通过控制复合材料3D打印工艺的纤维路径，实现了包含复杂图案的电磁超材料的一体化、轻量化快速成型，满足工业中天线电磁性能的特殊化、定制化需求，在航空航天、太空探索、信息通讯等领域都有着潜在应用价值。

Claims (2)

1.一种基于连续纤维3D打印的热膨胀可控电磁超材料，其特征在于：包括阵列化的电磁超材料单元，电磁超材料单元的结构元胞包含一个节点圆和其外侧连接的双材料杆，双材料杆沿节点圆中心旋转对称，双材料杆与节点圆相切，且靠近节点圆一侧与节点圆融合，材料相同；

所述双材料杆数目为3、4或6个；对于反手性结构，双材料杆的数目为3或4个，组成的电磁超材料单元分别为反手性三相切杆构型(3)、反手性四相切杆构型(4)；对于手性结构，双材料杆的数目为3、4或6个，组成的电磁超材料单元分别为手性三相切杆构型(5)、手性四相切杆构型(6)、手性六相切杆构型(7)；将电磁超材料单元阵列化，分别得到反手性三相切杆电磁超材料阵列(8)、反手性四相切杆电磁超材料阵列(9)、手性三相切杆电磁超材料阵列(10)、手性四相切杆电磁超材料阵列(11)和手性六相切杆电磁超材料阵列(12)；

所述双材料中一种材料为连续纤维，包括碳纤维、金属丝；另一种材料为ABS、尼龙、PLA、PEEK或PPS；

所述电磁超材料的热膨胀和电磁性能通过结构元胞的节点圆半径、双材料杆长度、双材料杆厚度、双材料杆组分材料的相对热膨胀系数而调整。

2.权利要求1所述的一种基于连续纤维3D打印的热膨胀可控电磁超材料的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据电磁超材料的应用场景、频段和目标电磁性能，确定电磁超材料的单元特征尺寸所在的范围；

2)采用反手性结构或手性结构，与双材料杆相结合，实现等效热膨胀系数可调的电磁超材料单元；

3)通过有限元计算得出电磁超材料单元的几何尺寸与电磁超材料等效热膨胀系数之间的关系；

4)通过有限元计算得出电磁超材料单元的几何尺寸与其电磁性能之间的关系，电磁性能包括反射、投射和吸波；

5)根据应用需求筛选出热膨胀系数及电磁性能均满足条件的电磁超材料单元的构型；

6)将步骤5)电磁超材料单元的构型进行阵列，得到电磁超材料整体结构的三维模型；

7)将步骤6)电磁超材料整体结构的三维模型的STL文件导入3D打印机，实现对电磁超材料进行一体化制造；

所述的步骤7)中采用连续纤维增强的复合材料3D打印工艺对电磁超材料进行制造。

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