[发明专利]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

说明书

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。

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；