一种连续导电纤维电磁超结构及3D打印方法

一种连续导电纤维电磁超结构及3d打印方法
技术领域
1.本发明属于电磁超结构技术领域，具体涉及一种连续导电纤维电磁超结构的设计和3d打印方法。


背景技术：

2.电磁超结构是通过次波长谐振单元的共振使反射或透射波发生相位突变，将不同结构参数的次波长谐振单元按照特定的方式组合，可实现对电磁波传输相位、极化方式、波束形状等特性的调控。
3.现有的电磁超结构的制备多使用化学刻蚀法，其制备工艺复杂，且只能制备金属阵列层，在与复合材料粘接时易受热脱落。在大规模使用时，结构增重明显。并且电阻的加载一般通过后期焊接实现，加大了工艺难度。近来，使用3d打印技术来成型电磁超结构的方法有金属打印、导电填料混合与导电材料喷涂，少有使用连续导电纤维成型导电图案，相比之下，使用连续导电纤维3d打印的优势在于成型流程简单，与介质匹配性好的优点。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明的目的为提供一种使用连续纤维3d打印技术成型的电磁超结构的路径设计和制备方法。打印路径的设计可以在不出现路径跳转的情况下成型导电图案，并具备较低的极化敏感性，或者在多层导电图案间添加导电过孔，增加等效电感，利于器件小型化。
5.本发明是通过下述技术方案来实现的。
6.本发明一方面，提供了一种连续导电纤维电磁超结构的3d打印方法，包括：
7.通过计算机构建目标电磁超结构单元，确定连续导电纤维沿介质层表面的打印路径；
8.选择介质层材料和具备合适直径与电导率的导电纤维；
9.使用熔融挤出成型方法制备介质层；
10.按照导电纤维打印路径，采用连续纤维3d打印技术在介质层上打印制备导电纤维阵列层。
11.优选的，目标电磁超结构单元包括介质层和在介质层表面使用连续纤维3d打印技术制备的m
×
m个谐振环单元或空间填充曲线构成的导电纤维阵列；
12.导电纤维的电导率范围在1
×
103～1
×
105。
13.优选的，打印路径按照介质层表面导电图案全部连通、并逐行打印谐振环单元构成导电纤维阵列或按照不同高度打印多层超结构单元；或在平面内按照不同方向并互相连接打印空间填充曲线构成导电纤维阵列。
14.优选的，所述逐行打印的谐振环单元和多层超结构单元为由线条组成的螺旋框线形、环形、方形、十字形、y形或耶路撒冷单元形状。
15.优选的，逐行打印的谐振环单元按照镜像对称作为单元结构，由连续的线条连接
各谐振环单元构成一排阵列图案，相邻单元彼此镜像对称连续逐行打印，在每排阵列图案之间留出待切断的纤维连接部分。
16.优选的，用连续纤维3d打印技术制备的多层超结构单元按照不同高度的谐振环单元导电图案层连接分布，每层之间由打印时共同挤出的绝缘基体隔开，并由导电纤维作为导电过孔连接不同高度的导电图案层。
17.优选的，空间填充曲线的打印路径，包括以下步骤：
18.步骤1，调整超结构单元内导电路径的两点端点位置，使其与正方形边界的两边距离相等且两端点都在正方形的下半部分，并各处于左右两侧；
19.步骤2，以初始超结构单元作为1阶填充曲线，将正方形边界内划分为4个小正方形，将初始超结构单元缩小放置于左上角的正方形中，左下角的正方形的填充曲线由初始超结构单元顺时针旋转90
°
获得，剩余两个正方形的填充曲线按照镜像对称分布得到；
20.以水平或垂直线段连接各个小正方形的填充曲线作为2阶填充曲线；
21.步骤3，打印路径按照两点端点位置的任意一端点作为起始路径，依次采用1阶填充曲线、2阶填充曲线打印步骤2曲线结构，直至达到可以填充所需面积阶数的空间填充曲线。
22.优选的，空间填充曲线还包括peano曲线或hilbert曲线；
23.hilbert曲线结构为迷宫形曲线沿介质层表面一对开口方向相对，另一对开口方向向外的弓形结构。
24.或者是基于不同的空间填充曲线来设计，可以保证成型时连续纤维不因路径跳转而使成型图案出现偏差，根据填充平面大小来选择阶数。
25.优选的，所述介质层材料为介电材料或磁性材料、或两者混合材料；
26.介电材料包括聚乳酸、聚醚醚酮或尼龙；
27.磁性材料包括铁系吸收剂或碳系吸收剂；所述铁系吸收剂包括羰基铁粉、铁氧体；所述碳系吸收剂包括碳纤维、碳纳米管或石墨烯。
28.优选的，所述导电纤维包括金属导电纤维、有机导电纤维或碳系导电纤维；
29.金属导电纤维为金、银、铜或不锈钢纤维；有机导电纤维为聚苯胺或聚噻吩改性的涤纶纤维；碳系导电纤维为碳纳米管或石墨烯改性的涤纶纤维。
30.本发明另一方面，提供了一种所述方法制备得到的连续导电纤维电磁超结构。
31.本发明与现有技术相比，具有如下优点：
32.1.本发明使用连续纤维3d打印技术来制备电磁超结构，与传统成型电磁超结构的工艺相比，本发明将阵列层与介质层一体化成型，其中阵列层使用与介质层相同的基体，使得热匹配性良好，并且实现了轻质化。
33.2.本发明通过设计连续纤维打印路径来制备适合本工艺成型的电磁超结构，可以降低超结构的极化敏感性，并且多层超结构单元可以利用连续纤维路径设计添加导电过孔，增加等效电感，利于器件小型化。
34.3.本发明使用导电纤维来代替传统工艺的金属层，并且与传统工艺外加电阻来实现宽带吸波的繁琐工艺不同，本发明可以通过选择导电纤维的材料来实现不同的电导率，从而使得吸波结构具备电阻损耗电磁波的性能，该方法操作简单，生产效率较高。
35.4.不同电导率导电纤维的使用可以满足不同使用场景，使得阵列层自带一定的电
阻损耗来增加使用带宽。本发明的电磁结构工艺实施简单，与介质层匹配性好，可设计性强，可应用到电子设备及军用设施用以提升安全或通讯性能。
附图说明
36.图1是本发明的优选实施例1螺旋形超结构吸波体立体示意图；
37.图2是本发明的优选实施1螺旋形超结构吸波体成型过程示意图；
38.图3是本发明优选实施例1螺旋形超结构吸波体的吸波仿真结果；
39.图4是本发明优选实施例2层螺旋形吸波体添加有导电过孔的立体示意图；
40.图5是本发明优选实施例2层螺旋形吸波体添加有导电过孔的吸波仿真结果；
41.图6是本发明优选实施例3空间填充曲线排列的螺旋形吸波体单元示意图；
42.图7是本发明优选实施例3空间填充曲线排列的螺旋形超吸波体结构示意图；
43.图8是本发明优选实施例3空间填充曲线排列的螺旋形超吸波体的吸波仿真结果；
44.图9是本发明优选实施例4hilbert曲线超结构的立体示意图。
45.其中：1-介质层，2-导电纤维阵列层，3-纯材料打印喷头，4-复合材料打印喷头，5-待切断的纤维连接部分，6-导电过孔。
具体实施方式
46.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，下面结合附图以及实施案例对本发明做出进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施案例为阐述原理，而非限定本发明。
47.本发明实施例提供了一种连续导电纤维电磁超结构的3d打印方法，具体实施过程包括：
48.步骤1，构建超结构模型
49.针对电磁功能需求，通过计算机构建目标电磁超结构模型，确定连续导电纤维沿介质层表面的打印路径。
50.图1所示的连续导电纤维电磁超结构包括介质层1和导电纤维阵列层2，介质层1为由熔融挤出成型制备的介电材料层，导电纤维阵列层2包括在介质层1上采用经过纤维打印路径规划，使用连续纤维3d打印技术制备的m
×
m个谐振环单元构成的导电纤维阵列，或按照不同高度打印多层超结构单元构成的导电纤维阵列；或在平面内按照不同方向并互相连接打印空间填充曲线构成导电纤维阵列。
51.该谐振环单元之间由连续的线条连接组成阵列图案，根据填充平面大小来选择阶数。
52.打印路径基于内部导电图案全部连通的超结构单元，并在平面内设计不同方向的超结构单元并互相连接，连接的方式基于空间填充曲线来设计，降低超结构的极化敏感性。
53.本发明逐行打印的谐振环单元和多层超结构单元为由线条组成的螺旋框线形、环形、方形、十字形、y形及耶路撒冷单元形状等具备频率选择特性且由线条组成的形状。或者是基于不同的空间填充曲线来设计，可以保证成型时连续纤维不因路径跳转而使成型图案出现偏差。
54.步骤2，介质层与导电纤维材料选择
55.(1)介质层材料选择
56.采用熔融挤出成型制备的介质层材料可以为介电材料或者与磁性材料混合的材料。介电材料包括聚乳酸、聚醚醚酮或尼龙；磁性材料包括羰基铁粉、铁氧体或碳系吸收剂(碳纤维、碳纳米管或石墨烯等)。
57.(2)导电纤维材料选择
58.导电纤维包括金属导电纤维、有机导电纤维或碳系导电纤维。金属导电纤维为金、银、铜或不锈钢纤维；有机导电纤维为聚苯胺或聚噻吩改性的涤纶纤维；碳系导电纤维为碳纳米管或石墨烯改性的涤纶纤维。可通过选择不同电导率与粗细的纤维来赋予阵列层一定的电阻损耗，从而适应不同的使用需求，其中纤维直径不可超过打印喷嘴直径且纤维熔点超过打印基体的熔点。
59.具体的，导电纤维的电导率范围在1
×
103～1
×
105之间，其中电导率较小的导电纤维可以作为对电磁有电阻损耗的材料来进行吸波结构的设计。
60.步骤3，介质层导电纤维阵列层制备
61.实施例1
62.如图1、2所示，为在介质层上经过纤维路径制备螺旋框线形谐振环单元。
63.1)采用熔融挤出成型的方法制备介质层
64.用聚乳酸(pla)丝材作为熔融挤出成型的电介质材料，制备连续纤维3d打印时的基体，其介电常数为3，损耗角正切为0.025，使用纯材料打印喷头3打印4mm厚的pla介质层。
65.2)在介质层上制备导电纤维阵列
66.在步骤1)制备的pla介质层上使用复合材料打印喷头4打印导电纤维阵列层2，使用的导电纤维为碳纳米管改性的涤纶纤维复合材料，该导电纤维电导率为1000s/m，纤维直径为0.1mm。该导电纤维可以通过电阻损耗来吸收电磁波，可以扩展电磁吸波结构的工作带宽，与传统集成电阻需要焊接的工艺的不同，导电纤维的3d打印成型工艺简单并且性能稳定。
67.打印导电纤维复合材料的阵列层时，按照镜像对称螺旋框线形结构作为单元结构，由连续的线条连接各螺旋框线形谐振环单元构成一排阵列图案，打印路径设计尽量不出现跳转且单元间的连接不破坏结构的对称性，相邻单元彼此镜像对称连续逐行打印，并在每排阵列图案之间留出待切断的纤维连接部分5。
68.其中，螺旋框线形单元边长为10mm，该单元的有效电感长度更长，等效电感值更大，所以该图案可以提供较好的小型化与吸波效果。
69.阵列层的复合材料中的基体与介质层的材料相同，这使得成型的电磁超结构热匹配性良好，不会发生传统工艺如化学刻蚀法成型的金属结构与复合材料之间的受热脱落。
70.3)后处理
71.样件后处理需要去除待切断的纤维连接部分5，以免导电路径与设计结果出现差异影响电磁性能。
72.测试时，底部放置金属底板作为反射层。参见图3，该频率选择表面吸波体的吸波带宽为6.9～14.5ghz，说明该结构具备宽带吸波特性。
73.实施例2
74.如图4所示，为在介质层上经过纤维路径制备多层螺旋形超结构谐振环单元。
75.1)采用熔融挤出成型的方法制备介质层
76.用聚乳酸(pla)作为电介质与连续纤维3d打印时的基体，其介电常数为3，损耗角正切为0.025，使用纯材料打印喷头3打印4mm厚的pla介质层1。
77.2)在介质层上制备导电纤维阵列
78.在步骤1)制备的pla介质层使用复合材料打印喷头4打印导电纤维复合材料的阵列层2，使用的导电纤维为不锈钢纤维，其电导率为20000s/m，纤维直径为0.12mm。
79.实施例2是一次成型3层螺旋框线形超结构，多层螺旋框线形超结构为螺旋框线形结构单体按照不同高度的导电图案层连接分布，每层之间由打印时共同挤出的绝缘基体隔开，并有导电纤维作为导电过孔6来连接不同高度的导电图案层，其有效增加的导电路径长度，利于提升电磁结构的功能。利用连续纤维路径设计添加导电过孔，增加等效电感。
80.测试时底部放置金属底板作为反射层。参见图5，与不带导电过孔的结构相比该频率选择表面吸波体使用导电过孔会提升吸波效果。
81.实施例3
82.如图6、7所示，为在介质层上经过纤维路径制备空间填充曲线导电纤维阵列。
83.1)采用熔融挤出成型的方法制备介质层
84.用聚乳酸(pla)作为电介质与连续纤维3d打印时的基体，其介电常数为3，损耗角正切为0.025，使用纯材料打印喷头3打印4mm厚的pla介质层。
85.2)在介质层上制备导电纤维阵列
86.在步骤1)制备的pla介质层1上使用复合材料打印喷头4打印导电纤维复合材料的阵列层2，使用的导电纤维为碳纳米管涂层的涤纶纤维其电导率为1000s/m，纤维直径为0.1mm。
87.实施例3是在实施例1的基础上所进行的改良，其使用空间填充曲线来设计螺旋框线形吸波单元的打印路径。包括以下步骤：
88.s1：调整螺旋框线形内导电路径的两点端点位置，使其与正方形边界的两边距离相等且两端点都在正方形的下半部分，并各处于左右两侧，如图6所示。
89.s2：以初始螺旋框线形作为1阶填充曲线，将正方形边界分为4个小正方形，将初始螺旋框线形缩小放置于左上角的正方形中，左下角的正方形的填充曲线由初始螺旋框线形顺时针旋转90
°
获得，剩余两个正方形的填充曲线则是按照镜像左右对称分布得到。再使用水平或垂直的线段连接各个小正方形的填充曲线作为2阶填充曲线，如图7所示。
90.s3：将上一阶填充曲线作为初始单元，打印路径按照两点端点位置的任意一端点作为起始路径，依次采用1阶填充曲线、2阶填充曲线打印步骤s2曲线结构，直到达到可以填充所需面积阶数的空间填充曲线的路径。
91.该结构可以使吸波单元各向排列并分块成型，利于降低极化敏感性并避免后处理过程。该空间填充曲线路径设计来排布导电图案的方法具有普适性，只要导电图案内路线连续，可以根据图案起点和终点的位置来选择不同的空间填充曲线。
92.测试时底部放置金属底板作为反射层。参见图8，该频率选择表面吸波体的吸波带宽为7.8～14.2ghz，并且te极化与tm极化效果差异不大，说明该结构极化不敏感。
93.实施例4
94.实施例4是使用二阶hilbert空间填充曲线作为导电图案，如图9所示。
95.采用实施例1熔融挤出成型的方法制备介质层，其介电常数为3，损耗角正切为0.025，使用纯材料打印喷头3打印4mm厚的pla介质层。
96.在制备的pla介质层上使用复合材料打印喷头4打印导电纤维复合材料的阵列层，使用的导电纤维为不锈钢纤维，其电导率为1
×
105s/m，纤维直径为0.12mm。
97.打印导电纤维复合材料的阵列层时，按照迷宫形曲线沿介质层表面制备一对开口方向相对，另一对开口方向向外的弓形结构。
98.该曲线不自交与充满空间的特性，利于作为连续纤维3d打印的路径，可以避免出现多余需要切断的纤维连接部分，并且由于导电路径横向和纵向长度相同可以降低极化敏感性。
99.还可以基于不同的空间填充曲线来设计，例如peano曲线，可以保证成型时连续纤维不因路径跳转而使成型图案出现偏差，根据填充平面大小来选择阶数。
100.以上实施例导电纤维材料不限于碳纳米管改性涤纶纤维与不锈钢纤维，还可以采用其余金属导电纤维、有机导电纤维或碳系导电纤维替代。介电层材料不限于聚乳酸，还可以采用其余介电材料或者与磁性材料混合的材料。
101.使用该技术成型的电磁超结构通过对电磁波频率、幅度、相位和极化等性质的调控可适用于反射型、透射型、吸收型或者几种功能综合的电磁功能器件。
102.从以上实施例可以看出，不同电导率导电纤维的使用可以满足不同使用场景，使得阵列层自带一定的电阻损耗来增加使用带宽。本发明上述实施例解决了传统工艺制备电磁超结构工艺复杂、与介质层匹配性不好的问题。使用连续导电纤维技术成型的电磁吸波结构具备一定的电阻损耗，可以实现宽带吸收，并且使用空间填充曲线规划电磁结构单元的排布与角度，降低了极化敏感性。多层导电图案之间使用纤维作为导电过孔连接可以增加等效电感，提升电磁功能。
103.以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。