一种基于4D打印的制备金属谐振型超材料的方法技术

本发明专利技术属于増材制造技术领域，并公开了一种基于4D打印的制备金属谐振型超材料的方法。该方法包括：(a)将所需零件的三维模型进行切片处理，所需零件为金属谐振型超材料吸波结构，自下而上分为底层、介质基板层和记忆合金层，所述切片处理后每层被切片为多个切片层；(b)逐层打印所述切片层，直至完成所有切片层的打印，由此获得所需零件，其中，针对底层和记忆合金层中的切片层，采用激光选区熔化的方法逐层打印成形，对于介质基板层采用熔融沉积成型的方法逐层打印成形。通过本发明专利技术，制备的金属谐振型超材料具有智能响应特性，在外界刺激下发生结构的改变从而能够对不同频段进行隐身，有效应对外界环境的变化，制备方法简单，成本低。

A method of fabricating metal resonant metamaterials based on 4D printing

The invention belongs to the field of material manufacturing technology, and discloses a method for preparing metal resonance type metamaterials based on 4D printing. The method includes: (a) the three-dimensional model of the required parts is sliced. The required part is a metal resonant supermaterial absorbing structure, which is divided into the bottom layer, the medium substrate layer and the memory alloy layer from the bottom to the bottom. After the slice is processed, each layer is sliced into multiple slice layers; (b) the slice layer is printed by layer by layer until all of the sections are completed. The required parts are obtained by printing the slice layer, in which the slice layer in the bottom layer and the memory alloy layer is printed and formed by laser selective melting. Through the invention, the metal resonant supermaterial has the characteristic of intelligent response, and the structure changes under the external stimulus so that it can stealth different frequency bands, effectively cope with the change of the external environment, and the preparation method is simple and the cost is low.

【技术实现步骤摘要】
一种基于4D打印的制备金属谐振型超材料的方法
本专利技术属于増材制造
，更具体地，涉及一种基于4D打印的制备金属谐振型超材料的方法。
技术介绍
随着现代科技的发展，隐身技术已经成为世界各国新装备研制的重要指标。传统的隐身技术通常采用喷涂隐身涂层或者通过外形隐身，但是隐身涂层增加额外的重量和高额的维修费；而外形隐身往往以牺牲飞机的最佳气动性为代价。因此，需要一种轻质、高效的材料来提高军事武器的隐身性能。同时，若此材料能够根据外界环境的变化进行响应，那么这样的智能隐身材料将会极大地提升军事武器的生存能力。超材料是一种单元结构尺寸远小于工作波长的人工周期结构，它的核心是其电磁性能主要取决于单元结构而不取决于材料本身。通过人工设计单元结构，可以得到特殊的介电常数和磁导率。超材料具有质量轻，隐身效果好，隐身范围可调等优点。2006年，Pendry等人提出利用介电常数和磁导率在空间的不同分布来控制电磁波在其中的传播路径，使电磁波绕过被包裹的的物体而不发生散射，实现真正意义上的隐身。同年，DRSmith教授团队利用金属谐振型超材料制备出了二维隐身罩，实现了对电磁波的隐身。谐振型超材料由金属材料和介电材料组成，传统的超材料制造工艺有印刷电路板堆叠组装以及微电子刻蚀工艺。但是利用印刷电路板工艺制造周期长，刻蚀铜液会造成环境污染，且只能进行二维结构的制造，制造缺乏柔性。而采用微电子刻蚀技术制造工艺复杂，且成本高昂。而3D打印技术具有能够制造复杂结构、制造周期短、成本低、具有制造柔性等一系列优势，因此本专利技术提出一种利用4D打印的方法来制造金属谐振型超材料的方法。专利技术内容针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于4D打印的制备金属谐振型超材料的方法，通过采用增材制造方法制备金属谐振型超材料，制备获得的超材料在外界环境温度改变达到记忆合金的相变温度时，超材料单元结构发生变化，使超材料的等效电磁参数发生改变，进而使得该结构吸收的电磁波隐身的频段拓宽，由此解决金属谐振型超材料制备方法复杂、成本高和隐身频段窄的技术问题。为实现上述目的，按照本专利技术，提供了一种基于4D打印的制备金属谐振型超材料的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：(a)建立待打印零件的三维模型，该待打印零件采用金属谐振型超材料吸波结构，该结构自下而上分别为底层、介质基板层和记忆合金层，对所述三维模型进行切片，使得所述底层、介质基板层和记忆合金层分别被划分为多层切片层，其中，所述底层和记忆合金层中切片层的厚度范围为0.03mm～0.05mm，所述介质基板层中切片层厚度范围为0.1mm～0.3mm；(b)逐层打印所述切片层，直至完成所有切片层的打印，由此获得所需零件，其中，针对底层和记忆合金层中的切片层，采用激光选区熔化的方法逐层打印成形，针对所述介质基板层中的切片层采用熔融沉积成型的方法逐层打印成形。进一步优选地，在步骤(a)中，所述记忆合金层的材料优选采用铜基记忆合金，该铜基记忆合金进一步优选为Cu-Zn-Al系记忆合金，其中Zn含量为16wt％～30wt％，Al的含量为3.5wt％～5wt％，余量为Cu。进一步优选地，在步骤(a)中，所述介质基板层的材料优选采用介电高分子丝材或形状记忆聚合物，所述介电高分子丝材为ABS，PEEK，PLA，PMMA或PA中的一种，所述形状记忆聚合物为形状记忆聚氨酯(SMPU)。进一步优选地，在步骤(a)中，所述底层的材料优选采用铜金属或铜基记忆合金。进一步优选地，在步骤(b)中，所述记忆合金层的打印采用合金化的水雾化粉末，该粉末粒径的分布为15μm～50μm。进一步优选地，在步骤(b)中，所述激光选区熔化所选用的激光功率范围为220W～340W，扫描速度范围为500mm/s～800mm/s；所述熔融沉积所选用的打印速度为50mm/s～80mm/s。进一步优选地，在步骤(b)中，所述激光选区熔化在保护气氛中进行。进一步优选地，所述铜基记忆合金中还含有石墨烯，用于进一步提高所需零件的吸波隐身性能。进一步优选地，所述熔融沉积成型的方法打印所述介质基板层时，采用的聚合物丝材的直径为1.2mm～1.6mm。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：利用记忆合金来制造金属谐振型超材料，使隐身结构具有智能可变的功能；1、本专利技术所采用的金属谐振型超材料由金属与非金属介质基板两部分构成，其中，使用铜基记忆合金作为谐振型超材料的记忆合金层，铜基记忆合金相比于Ni-Ti基记忆合金具有相变温度可调范围宽，导电性好，加工性能好，成本低廉等优点；2、本专利技术中的记忆合金层，当温度改变时，通过记忆合金的作用，超材料的单元结构发生改变，此时，超材料的等效电磁参数会发生改变，从而使隐身的频段从一个频段转移到另一个频段，即超材料的隐身频段被拓宽，使其能够有效应对外界环境的变化，提高构件的隐身性能，进而提高军事武器的生存能力；3、本专利技术采用激光选区熔化和熔融沉积成型的两种3D打印的方法打印金属谐振型超材料，与印刷电路板工艺相比，避免镀铜溶液对环境的污染；4、本专利技术通过利用激光选区熔化和熔融沉积成型两种3D打印的方法进行制造金属谐振型超材料结构，与微电子刻蚀工艺相比，降低了生产成本，简化了超材料的生产工艺，缩短了制造周期，实现结构和功能的一体化制造。附图说明图1是按照本专利技术的优选实施例所构建的制备金属谐振型超材料的方法的工艺流程图；图2是按照本专利技术的优选实施例所构建的原始的金属谐振型超材料的初始单元结构；图3是按照本专利技术的优选实施例所构建的原始的金属谐振型超材料受到外界刺激改变后所得到的单元结构。附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-记忆合金层，2-介质基板层，3-底层具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。图1是按照本专利技术的优选实施例所构建的制备金属谐振型超材料的方法的工艺流程图，如图1所示，一种基于4D打印的制备金属谐振型超材料的方法，利用FDM与SLM相结合的工艺来制造金属谐振型超材料，该方法包括如下步骤：(1)首先利用三维建模软件建立具有特定隐身频率的金属谐振型超材料吸波结构的三维模型；(2)利用切片软件对三维模型进行分层切片处理，并识别出模型中的底层金属部分、介质基板部分与上层金属谐振结构，将分层切片处理结果及识别出的各部分材料信息输入到计算机控制系统中；(3)计算机根据相应的信息进行分区制造，利用熔融沉积成型(FDM)工艺使丝状的高分子材料在喷头中加热并熔融沉积形成介质基板部分，利用激光选区熔化(SLM)工艺进行底层金属及上层记忆合金部分的打印；(4)在成形过程中，每完成一个切平面的制造，工作台下降一个层厚的距离，然后重复步骤(3)的内容进行下一层平面的打印，如此循环，直至完成整个结构的制造；(5)打印完成后，让材料在一定的温度下冷却，然后利用清粉装置将零件中多余的粉末清除并进行后处理；(6)当外界环境温度改变达到记忆合金的相变温度时，谐振型超本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于4D打印的制备金属谐振型超材料的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：(a)建立待打印零件的三维模型，该待打印零件采用金属谐振型超材料吸波结构，该结构自下而上分别为底层、介质基板层和记忆合金层，对所述三维模型进行切片，使得所述底层、介质基板层和记忆合金层分别被划分为多层切片层，其中，所述底层和记忆合金层中切片层的厚度范围为0.03mm～0.05mm，所述介质基板层中切片层厚度范围为0.1mm～0.3mm；(b)逐层打印所述切片层，直至完成所有切片层的打印，由此获得所需零件，其中，针对底层和记忆合金层中的切片层，采用激光选区熔化的方法逐层打印成形，针对所述介质基板层中的切片层采用熔融沉积成型的方法逐层打印成形。

【技术特征摘要】
1.一种基于4D打印的制备金属谐振型超材料的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：(a)建立待打印零件的三维模型，该待打印零件采用金属谐振型超材料吸波结构，该结构自下而上分别为底层、介质基板层和记忆合金层，对所述三维模型进行切片，使得所述底层、介质基板层和记忆合金层分别被划分为多层切片层，其中，所述底层和记忆合金层中切片层的厚度范围为0.03mm～0.05mm，所述介质基板层中切片层厚度范围为0.1mm～0.3mm；(b)逐层打印所述切片层，直至完成所有切片层的打印，由此获得所需零件，其中，针对底层和记忆合金层中的切片层，采用激光选区熔化的方法逐层打印成形，针对所述介质基板层中的切片层采用熔融沉积成型的方法逐层打印成形。2.如权利要求1所述的一种基于4D打印的制备金属谐振型超材料的方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述记忆合金层的材料优选采用铜基记忆合金，该铜基记忆合金进一步优选为Cu-Zn-Al系记忆合金，其中Zn含量为16wt％～30wt％，Al的含量为3.5wt％～5wt％，余量为Cu。3.如权利要求1或2所述的一种基于4D打印的制备金属谐振型超材料的方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述介质基板层的材料优选采用介电高分子丝材或形状记忆聚合物，所述介电高分子丝材为ABS，PEEK，PLA，PMMA...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋波，卓林蓉，史玉升，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42