CN114559649B - 点阵结构电容器件的多材料面曝光3d打印方法 - Google Patents

点阵结构电容器件的多材料面曝光3d打印方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的点阵结构电容器件的多材料面曝光3D打印方法，为：1)采用断裂伸长率具有显著差异的一种刚性光敏树脂和一种柔性光敏树脂作为基础材料，选用一种多壁碳纳米管作为导电填料；2)在柔性光敏树脂中添加特定含量的碳纳米管，再添加CC‑9超分散剂，对混合有纳米碳管及CC‑9超分散剂的柔性光敏树脂采用行星球磨方式进行纳米碳管的分散，得到添加纳米碳管柔性光敏树脂；3)利用面曝光打印机进行单层和多层固化的成型工艺性测试；4)打印柔性光敏树脂和刚性光敏树脂的标准阻抗测试件，设计柴垛和蜂窝胞元结构，并组装成三维点阵结构用于3D打印。解决了现有技术中存在的复杂及多材料点阵结构无法应用于电容器件的问题。

Description

点阵结构电容器件的多材料面曝光3D打印方法
技术领域
本发明属于光固化增材制造技术中的树脂复合材料及器件领域，具体涉及一种点阵结构电容器件的多材料面曝光3D打印方法。
背景技术
过去几年增材制造(3D打印)技术的快速发展，使得快速、个性化和高精度加工高性能复杂树脂零件成为可能。有望进一步扩大功能性树脂件的应用范围，减少对航空航天、汽车等领域的研发成本，提高研发速度。然而，目前增材制造的导电树脂零件及相应器件的应用很少。如何将增材制造的优势和特点应用到树脂复合材料和器件的成型中，是需要突破的重要方向。
商用光固化原型技术只能加工单一材料，同一零件只包含当前加工槽内的材料，限制了该技术进一步发展的空间。如果可以在同一个零件中加工多种材料，那么可以单独使用多种材料的物理和化学特性，或者可以使用它们的复合特性，从而大大提高光的自由度、加工能力和应用范围。
增材制造技术特别适用于晶格结构(也称点阵结构)的制造。根据不同的设计，点阵结构可具有高比强度、高比刚度、吸振降噪，可用于抗冲击场合，也可以利用大表面积达到散热的目的。由于其独特的性能特点，广泛应用于汽车、航空航天、飞机、医疗等领域。目前，晶格结构的应用主要集中在金属增材制造技术中，如何将其应用到树脂材料和器件中还需要深入研究，而且3D打印的多材料点阵结构用于电容器件目前还未见报道。
本发明提出将点阵结构和多材料面曝光应用于电容器件3D打印，通过多材料面曝光3D打印技术成形制备具有复杂点阵结构的电容器件。
发明内容
本发明的目的是提供一种点阵结构电容器件的多材料面曝光3D打印方法，解决了现有技术中存在的复杂及多材料点阵结构无法应用于电容器件的问题，可以利用不同材料在点阵结构中的空间分布调控电容器件的电容性能。
本发明所采用的技术方案是，点阵结构电容器件的多材料面曝光3D打印方法，包括如下步骤：
1)采用断裂伸长率具有显著差异的一种刚性光敏树脂和一种柔性光敏树脂作为基础材料，选用一种多壁碳纳米管作为导电填料；
2)在柔性光敏树脂中添加特定含量的碳纳米管，再添加一种CC-9超分散剂，对混合有纳米碳管及CC-9超分散剂的柔性光敏树脂采用行星球磨方式进行纳米碳管的分散，得到添加纳米碳管柔性光敏树脂；采用流变仪对制备出的纳米碳管柔性光敏树脂进行粘度测试，为使得打印过程中树脂可以自动流平；
3)利用面曝光打印机，测试添加步骤2得到的纳米碳管柔性光敏树脂以及未添加纳米碳管的刚性光敏树脂的固化特性，并进行单层和多层固化的成型工艺性测试；
4)打印柔性光敏树脂和刚性光敏树脂的标准阻抗测试件，采用数字电桥测试标准件的阻抗性能；设计柴垛和蜂窝胞元结构，并组装成三维点阵结构用于3D打印；采用多材料面曝光工艺打印具有上、下极板和中间介电层的点阵结构电容器件。
本发明的特征还在于，
步骤1)中，柔性光敏树脂，其断裂伸长率100-150％，拉伸强度6-8MPa；刚性光敏树脂，其断裂伸长率28-35％，拉伸强度46-67MPa；多壁碳纳米管的直径为8-15nm，长度为3-10μm。
步骤2)中，为使得打印过程中树脂可以自动流平，保证树脂在剪切率为10～300s-1时，粘度不超过3000mPa.s。
步骤2)中，柔性光敏树脂中添加1-2wt％的碳纳米管及0.5-1wt％CC-9超分散剂。
步骤3)中，测试内容包括：添加纳米碳管柔性光敏树脂以及未添加纳米碳管的刚性光敏树脂的固化性能及成型工艺性。
步骤4)中，多材料打印的过程为首先采用添加纳米碳管柔性光敏树脂完成上极板和点阵结构打印，换刚性光敏树脂槽后完成刚性光敏树脂介电层打印，再更换含有添加纳米碳管柔性光敏树脂的树脂槽完成下极板打印。
本发明的有益效果是：
本发明方法可以通过光固化多材料3D打印技术按照设计打印成形具有复杂点阵结构的导电或绝缘材料，并且利用不同材料在点阵结构中的空间分布调控电容器件的性能。
附图说明
图1是本发明点阵结构电容器件的多材料面曝光3D打印方法的流程图；
图2是本发明点阵结构电容器件的多材料面曝光3D打印方法流程示意图；
图3是本发明方法打印的点阵结构电容器件示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供一种点阵结构电容器件的多材料面曝光3D打印方法，如图1-3所示，包括如下步骤：
1)采用断裂伸长率具有显著差异的一种刚性光敏树脂和一种柔性光敏树脂作为基础材料，选用一种多壁碳纳米管(MWCNTs)作为导电填料；
步骤1)中，柔性光敏树脂，其断裂伸长率100-150％，拉伸强度6-8MPa；刚性光敏树脂，其断裂伸长率28-35％，拉伸强度46-67MPa；多壁碳纳米管(MWCNTs)的直径为8-15nm，长度为3-10μm，用于大幅增强固化后树脂的导电能力。
2)在柔性光敏树脂中添加特定含量的碳纳米管，再添加一种CC-9超分散剂，对混合有纳米碳管及CC-9超分散剂的柔性光敏树脂采用行星球磨方式进行纳米碳管的分散，得到添加纳米碳管柔性光敏树脂；采用流变仪对制备出的纳米碳管柔性光敏树脂进行粘度测试，为使得打印过程中树脂可以自动流平；
步骤2)中，为使得打印过程中树脂可以自动流平，保证树脂在剪切率为10～300s-1时，粘度不超过3000mPa.s。
步骤2)中，柔性光敏树脂中添加1-2wt％的碳纳米管及0.5-1wt％CC-9超分散剂。
3)利用面曝光打印机，测试添加步骤2得到的纳米碳管柔性光敏树脂以及未添加纳米碳管的刚性光敏树脂的固化特性，并进行单层和多层固化的成型工艺性测试；
步骤3)中，为了保证面曝光过程对固化厚度、固化速度、以及对光源波长范围匹配的要求，测试内容包括：添加纳米碳管柔性光敏树脂以及未添加纳米碳管的刚性光敏树脂的固化性能(透射深度、临界曝光量、边缘散射固化程度)及成型工艺性。
4)打印柔性光敏树脂和刚性光敏树脂的标准阻抗测试件，采用数字电桥测试标准件的阻抗性能；设计柴垛和蜂窝胞元结构，并组装成三维点阵结构用于3D打印；采用多材料面曝光工艺打印具有上、下极板和中间介电层的点阵结构电容器件。打印工艺流程图如图1所示。
步骤4)中，多材料打印的过程为首先采用添加纳米碳管柔性光敏树脂完成上极板和点阵结构打印，换刚性光敏树脂槽后完成刚性光敏树脂介电层打印，再更换含有添加纳米碳管柔性光敏树脂的树脂槽完成下极板打印。具体打印过程如图2所示，电容器件的三维模型切片会由LCD掩模发生器生成图像，在UVLED紫外光源照射下，光敏树脂固化成每一层的形状，逐层粘接成为最终零件。打印完成的电容器件如图3所示。根据点阵结构确定单个胞元中由空气电介质和树脂电介质形成的多个电容的串并联方式，计算总电容；并根据胞元总数，确定并联的总体电容；结合数字电桥的实际电容测试结果，确定多材料打印电容器的电容理论计算值和实际值，改变点阵结构的胞元大小以及点阵间距等结构参数，测试电容实际值，并对理论计算值进行校核。
实施例1
1)选择一种柔性光敏树脂，其断裂伸长率100％，拉伸强度6MPa。一种刚性光敏树脂，其断裂伸长率30％，拉伸强度50MPa。选用直径为8-15nm，长度为3-10μm的多壁碳纳米管(MWCNTs)作为导电填料；
2)在柔性光敏树脂中添加2wt％的碳纳米管，再添加1wt％CC-9超分散剂，对混合有纳米碳管的柔性光敏树脂采用行星球磨方式进行纳米碳管的分散，得到添加纳米碳管柔性光敏树脂。并采用流变仪对制备出的掺杂碳纳米管的复合树脂进行粘度测试。保证树脂在剪切率为10～300s-1时，粘度小于2000mPa.s；
3)利用面曝光打印机，测试添加纳米碳管柔性光敏树脂以及未添加纳米碳管的刚性光敏树脂的固化特性，并进行单层和多层固化的成型工艺性测试。测试内容包括：添加纳米碳管柔性光敏树脂以及未添加纳米碳管的刚性光敏树脂的固化性能(透射深度、临界曝光量、边缘散射固化程度)及成型工艺性；
4)设计柴垛和蜂窝胞元结构，并组装成三维点阵结构。采用多材料面曝光打印具有上下极板和中间介电层的电容器件。多材料打印的过程为首先完成上极板和点阵结构打印，换树脂槽后完成树脂介电层打印，再更换树脂槽完成下极板打印；根据点阵结构确定单个胞元中由空气电介质和树脂电介质形成的多个电容的串并联方式，计算总电容。并根据胞元总数，确定并联的总体电容。结合数字电桥的实际电容测试结果，确定多材料打印电容器的电容理论计算值和实际值，改变点阵结构的胞元大小以及点阵间距等结构参数，测试电容实际值，并对理论计算值进行校核。
实施例2
1)选择一种柔性光敏树脂，其断裂伸长率150％，拉伸强度8MPa。一种刚性光敏树脂，其断裂伸长率35％，拉伸强度65MPa。选用直径为8-15nm，长度为3-10μm的多壁碳纳米管(MWCNTs)作为导电填料；
2)在柔性光敏树脂中添加1wt％的碳纳米管，再添加0.5wt％CC-9超分散剂，对混合有纳米碳管的柔性光敏树脂采用行星球磨方式进行纳米碳管的分散，得到添加纳米碳管柔性光敏树脂。并采用流变仪对制备出的掺杂碳纳米管的复合树脂进行粘度测试。保证树脂在剪切率为10～300s-1时，粘度小于1000mPa.s；
步骤3、4与实施例1相同。
实施例3
1)选择一种柔性光敏树脂，其断裂伸长率150％，拉伸强度8MPa。一种刚性光敏树脂，其断裂伸长率35％，拉伸强度65MPa。选用直径为8-15nm，长度为3-10μm的多壁碳纳米管(MWCNTs)作为导电填料；
2)在柔性光敏树脂中添加1.5wt％的碳纳米管，再添加0.5wt％CC-9超分散剂，对混合有纳米碳管的柔性光敏树脂采用行星球磨方式进行纳米碳管的分散，得到添加纳米碳管柔性光敏树脂。并采用流变仪对制备出的掺杂碳纳米管的复合树脂进行粘度测试。保证树脂在剪切率为10～300s-1时，粘度小于1000mPa.s；
步骤3、4与实施例1相同。

Claims (3)

1.点阵结构电容器件的多材料面曝光3D打印方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)采用断裂伸长率具有显著差异的一种刚性光敏树脂和一种柔性光敏树脂作为基础材料，选用一种多壁碳纳米管作为导电填料；
步骤1)中，柔性光敏树脂，其断裂伸长率100-150％，拉伸强度6-8MPa；刚性光敏树脂，其断裂伸长率28-35％，拉伸强度46-67MPa；多壁碳纳米管的直径为8-15nm，长度为3-10μm；
2)在柔性光敏树脂中添加1-2wt％的碳纳米管，再添加0.5-1wt％的CC-9超分散剂，对混合有纳米碳管及CC-9超分散剂的柔性光敏树脂采用行星球磨方式进行纳米碳管的分散，得到添加纳米碳管柔性光敏树脂；采用流变仪对制备出的纳米碳管柔性光敏树脂进行粘度测试，为使得打印过程中树脂可以自动流平；
3)利用面曝光打印机，测试添加步骤2得到的纳米碳管柔性光敏树脂以及未添加纳米碳管的刚性光敏树脂的固化特性，并进行单层和多层固化的成型工艺性测试；
4)打印柔性光敏树脂和刚性光敏树脂的标准阻抗测试件，采用数字电桥测试标准件的阻抗性能；设计柴垛和蜂窝胞元结构，并组装成三维点阵结构用于3D打印；采用多材料面曝光工艺打印具有上、下极板和中间介电层的点阵结构电容器件；
步骤4)中，多材料打印的过程为首先采用添加纳米碳管柔性光敏树脂完成上极板和点阵结构打印，换刚性光敏树脂槽后完成刚性光敏树脂介电层打印，再更换含有添加纳米碳管柔性光敏树脂的树脂槽完成下极板打印。
2.根据权利要求1所述的点阵结构电容器件的多材料面曝光3D打印方法，其特征在于，步骤2)中，为使得打印过程中树脂可以自动流平，保证树脂在剪切率为10～300s-1时，粘度不超过3000mPa.s。
3.根据权利要求1所述的点阵结构电容器件的多材料面曝光3D打印方法，其特征在于，步骤3)中，测试内容包括：添加纳米碳管柔性光敏树脂以及未添加纳米碳管的刚性光敏树脂的固化性能及成型工艺性。
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