一种基于3D打印技术的结构型宽频带吸波材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于3D打印技术的结构型宽频带吸波材料的制备方法，使用磁小体作为磁损耗粉体、碳纤维或石墨烯作为介电损耗粉体和骨架，热塑性树脂粘结剂为分散体，结合熔融沉积成型3D打印技术，先打印底层，再采用两端开口且内部中空的筒体周期阵列结构作为介质层，最后打印表层，形成三层吸波结构的宽频带吸波材料。本发明专利技术吸波材料的介质层由混合粉体与空气混合而成，表层中磁损耗粉体和介电损耗粉体含量较底层低，在2～18GHz电磁波频带内反射损耗均小于‑10dB，且通过调节粉体组成及比例可调节吸波特性，满足不同波频下吸波的实际需求。本发明专利技术吸波材料质量轻，厚度薄，采用3D打印技术，制备工艺简单，安全性高，适合大规模工业化生产。

【技术实现步骤摘要】
一种基于3D打印技术的结构型宽频带吸波材料的制备方法
本专利技术属于吸波材料
，具体涉及一种基于3D打印技术的结构型宽频带吸波材料的制备方法。
技术介绍
吸波材料是雷达波隐身技术的重要实现途径，在应用上主要包括涂层隐身材料与结构隐身材料两类。为提高吸波材料的性能，研究人员通常采用多种材料复合、多层结构设计以及基于金属谐振周期结构的超材料吸波体设计等方法。多种材料复合的方法常用于吸波涂层，一般选择几种粉末或纤维材料(如铁氧体、炭黑、氧化锌晶须、羰基铁、碳纳米管以及玻璃微珠等)按照设计比例混合，调节出合适的电磁参数，实现良好吸收。磁小体是趋磁细菌合成的单磁畴、颗粒均匀、晶型稳定、有质膜包被的复合纳米级Fe3O4颗粒。一定条件下，趋磁细菌可以从环境中吸收大量的铁，用以形成磁小体。磁小体通常高度有序地排列成一条或几条链，形成一个或多个“小磁针”，为趋磁细菌导航定位。磁小体的直径在35～120nm之间，磁性晶体的形状从近球形至子弹头状，单磁畴，具有极高的纯度。由于晶型稳定，颗粒均匀，其吸波性能显著高于人工合成的铁磁性颗粒。磁小体是复合纳米材料，且其中心含有高度有序的Fe3O4晶体，有实验表明，其在交变磁场下的升温速率，比普通的Fe3O4纳米颗粒快得多。增强材料对电磁波的吸收需要提高材料对电磁波能量的损耗，碳纤维作为碳族中轻薄的材料，具有比强度高、导电性好、热稳定性高、化学稳定性好和载流子迁移速率高等优良特性，可以制备性能优良的介电损耗型吸波材料，可促进电磁波的散射和多次反射，提高吸波性能。3D打印技术作为一种具有高度灵活性的制造技术逐渐迈入主流市场。3D打印技术具有材料利用率高、材料体系丰富、易成形复杂制件、成本低等优点，3D打印技术是一种通过材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，自下而上、逐层累加的工艺特点使得其在成型复杂结构方面具备明显优势，光固化3D打印成型是使用较多的制备超材料吸波结构的制备工艺。2018年，伦敦玛丽女王大学的BRADLEY等通过光固化3D打印技术制备了透明树脂与蒸馏水复合的超材料吸波结构，实现了8～18GHz范围内大于90％的吸波性能；同年香港城市大学REN等采用光固化成型制备了树脂与蒸馏水复合的超材料吸波结构，在5.58～24.21GHz频段实现了超过90％的吸波率；但是光固化成型工艺需要将单元结构中空腔的液态树脂排出，因此通常将单元结构之间设计成连通结构，这种连通结构会影响宽频范围内实现等效参数的阻抗匹配，不可避免地会对超材料的吸波性能造成影响。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于3D打印技术的结构型宽频带吸波材料的制备方法。针对上述目的，本专利技术采用的技术方案由下述步骤组成：1、将磁小体与碳材料、热塑性树脂粘结剂按质量比为1:1～3:5～7球磨混合均匀，所得混合粉体经3D打印耗材挤出实验机打印成3D打印丝A。2、将磁小体与碳材料、热塑性树脂粘结剂按质量比为1:1～3:8～15球磨混合均匀后，所得混合粉体经3D打印耗材挤出实验机打印成3D打印丝B。3、采用熔融沉积成型3D打印技术，先用步骤1的3D打印丝A均匀打印底层，然后用步骤1的3D打印丝A在底层上打印周期性间隔排列的两端开口且内部中空的筒体作为介质层，最后用步骤2的3D打印丝B在介质层上均匀打印表层，得到结构型宽频带吸波材料。上述步骤1中，优选将磁小体与碳材料、热塑性树脂粘结剂按质量比为1:2:6～6.5球磨混合均匀，所得混合粉体经经3D打印耗材挤出实验机打印成3D打印丝A。上述步骤2中，优选将磁小体与碳材料、热塑性树脂粘结剂按质量比为1:2:10～12球磨混合均匀，所得混合粉体经3D打印耗材挤出实验机打印成3D打印丝B。上述的碳材料为碳纤维或石墨烯，热塑性树脂粘结剂为聚苯乙烯、聚氨酯、聚苯胺、聚丙烯酸、聚酰胺中任意一种或多种的混合物。上述步骤3中，优选所述底层的厚度为1～2mm。上述步骤3中，优选所述筒体的径向截面为长2～10mm的矩形或直径2～10mm的圆形，且筒体的高为0.5～1.5mm、壁厚为1～3mm，筒体之间的间隔为3～5mm。上述步骤3中，优选所述表层的厚度为0.8～1.5mm。上述步骤3中，优选所述熔融沉积成型3D打印的打印温度为150～250℃，打印精度0.05～0.25mm，喷头的最小层厚0.02～0.08mm，打印速度为1～8mm/s，填充率为100％。本专利技术使用生物纳米材料磁小体作为磁损耗粉体、选用碳纤维或石墨烯作为介电损耗粉体和骨架，热塑性树脂粘结剂为分散体，结合熔融沉积成型3D打印技术，先打印均匀底层，再采用两端开口且内部中空的筒体周期阵列结构作为中间介质层进行打印，最后打印表层，形成一种三层吸波结构的材料模型。所得三层高性能复合介质纳米吸波材料，其中介质层由混合粉体与空气混合而成，表层混合粉体中磁损耗粉体和介电损耗粉体含量较底层混合粉体中低，表层和底层均为混合粉体均匀平板，在2～18GHz电磁波频带内反射损耗均小于-10dB。本专利技术的有益效果如下：1、本专利技术所得结构型宽频带吸波材料在2～18GHz电磁波频带内反射损耗均小于-10dB，相比传统吸波材料具有更强的吸收效果；且可以通过调节粉体组成及比例从而调节吸波特性，可满足不同波频下吸波的实际需求。2、本专利技术采用两端开口且内部中空的筒体周期阵列结构作为中间介质层进行打印，相比传统吸波材料，其质量更轻，厚度更薄，应用范围更为广阔。3、本专利技术采用3D打印技术，工艺简单，操作方便，安全性高，在确定参数后可简单快速完成制备，适合大规模工业化生产。附图说明图1是本专利技术基于3D打印技术制备的结构型宽频带吸波材料的结构示意图。图2是图1中周期性间隔排列的两端开口且内部中空的直四棱柱单元的俯视图。图3是实施例1制备的结构型宽频带吸波材料的反射损耗图。图4是对比例1制备的结构型宽频带吸波材料的反射损耗图。图5是对比例2制备的结构型宽频带吸波材料的反射损耗图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进一步详细说明，但本专利技术的保护范围不仅限于这些实施例。实施例11、按照磁小体、碳纤维、聚氨酯的质量比为1:2:6，取30g磁小体、60g碳纤维、180g聚氨酯置于鼓风干燥机中除去水分，然后转移至行星球磨机中，加入2/3粉末质量的氧化锆球，300rmp转速下混合球磨5h，得到均匀分散的混合粉体；将所得混合粉体投入3D打印耗材挤出实验机，使混合粉体在螺旋杆中受热熔融，受到螺杆的摩擦、剪切作用下进一步混合，熔融混合物从模口挤出，经水槽冷却后形成3D打印丝A。2、按照磁小体、碳纤维、聚氨酯的质量比为1:2:10，取15g磁小体、30g碳纤维、150g聚氨酯置于鼓风干燥机中除去水分，然后转移至行星球磨机中，加入2/3粉末质量的氧化锆球，300rmp转速下混合球磨5h，得到均匀分散的混合粉体；将所得混合粉体投入3D打印耗材挤出实验机，使混合粉体在螺旋杆中受热本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于3D打印技术的结构型宽频带吸波材料的制备方法，其特征在于：/n(1)将磁小体与碳材料、热塑性树脂粘结剂按质量比为1:1～3:5～7球磨混合均匀，所得混合粉体经3D打印耗材挤出实验机打印成3D打印丝A；/n(2)将磁小体与碳材料、热塑性树脂粘结剂按质量比为1:1～3:8～15球磨混合均匀后，所得混合粉体经3D打印耗材挤出实验机打印成3D打印丝B；/n(3)采用熔融沉积成型3D打印技术，先用步骤(1)的3D打印丝A均匀打印底层，然后用步骤(1)的3D打印丝A在底层上打印周期性间隔排列的两端开口且内部中空的筒体作为介质层，最后用步骤(2)的3D打印丝B在介质层上均匀打印表层，得到结构型宽频带吸波材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于3D打印技术的结构型宽频带吸波材料的制备方法，其特征在于：
(1)将磁小体与碳材料、热塑性树脂粘结剂按质量比为1:1～3:5～7球磨混合均匀，所得混合粉体经3D打印耗材挤出实验机打印成3D打印丝A；
(2)将磁小体与碳材料、热塑性树脂粘结剂按质量比为1:1～3:8～15球磨混合均匀后，所得混合粉体经3D打印耗材挤出实验机打印成3D打印丝B；
(3)采用熔融沉积成型3D打印技术，先用步骤(1)的3D打印丝A均匀打印底层，然后用步骤(1)的3D打印丝A在底层上打印周期性间隔排列的两端开口且内部中空的筒体作为介质层，最后用步骤(2)的3D打印丝B在介质层上均匀打印表层，得到结构型宽频带吸波材料。


2.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的结构型宽频带吸波材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，将磁小体与碳材料、热塑性树脂粘结剂按质量比为1:2:6～6.5球磨混合均匀，所得混合粉体经经3D打印耗材挤出实验机打印成3D打印丝A。


3.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的结构型宽频带吸波材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，将磁小体与碳材料、热塑性树脂粘结剂按质量比为1:2:10～12球磨混合均匀，所得混合粉体经3D打印耗材挤出实验机打印成3D打印丝B。


4.根据权利要求1～3任意一项所述的基于3D打印技术的结构型宽频带吸波材料的制备方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟永宏，张煜瞳，谢道涛，强珊，徐俊杰，田杰生，李颖，
申请(专利权)人：陕西师范大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61