一种碳纳米管基宽频电磁波吸收蜂巢超材料及其制备方法

技术领域

本发明属于电磁波吸收材料领域，具体涉及一种碳纳米管基宽频电磁波吸收蜂巢超材料及其制备方法。

背景技术

目前国内外用于宽频电磁波吸收的的超材料结构吸波器件，实现工艺主要有两种，其都具备各自的一定优势，但也存在明显的问题。其中一种手段主要是通过3D打印分层结构组合实现所关注频率范围内的宽频电磁波吸收，其主要问题在于多层结构的设计和制备不仅会提高增材制造的难度，同时会大大增加打印原材料的用量和成本。以题目为“一种基于3D打印技术的结构型宽频吸波超材料”（DOI:10.7498/aps.67.20172262）的研究论文为例，其设计了一种三层宽频吸波材料，表层和中间层为单元尺寸不同的周期阵列结构，底层为吸波平板结构，整体材料采用3D打印技术成功制备了该吸波材料。尽管通过多层结构产生的吸收带宽叠加使得吸波材料可以实现较宽频率范围的电磁波响应，但是多层叠加打印的手段在提高增材制造难度的同时也会增加打印原材料的用量，提高产品的制造成本；另一方面，不同的元单元叠加设计确实可以有效地拓宽复合吸波材料的频率响应范围，但是频段的多重叠加又会造成打印原材料的浪费使用及成本的增加。尽管通过提高打印机打印精度和优化结构设计可以减少原材料的使用量，但是其成本的使用依然远高于周期性超材料结构吸波剂。另一种手段是通过吸波单元结构的粘贴形成周期性超材料吸波结构，这种设计的明显问题在于:依靠粘贴的方式将周期阵列结构覆盖在蒙皮上，一方面不能保证粘结界面的牢固性和粘结位点准确度，另一方面制备所需的时间成本会大大增加。以题目为“一种角锥蜂窝结构吸波材料制造技术”（技术编号：15855122）的专利为例，其利用覆板蜂窝吸波材料切割成特定的锥片形状，每四片用胶黏剂粘结成正四面角锥体结构，把角锥按矩阵粘贴在表面覆盖蒙皮的吸波蜂窝板上，得到周期性蜂窝超材料吸波器件。粘贴连接的方式主要问题在于覆盖蒙皮与角锥体之间的牢固性以及不同粘贴接触点的一致性无法保证，同时其所耗费的制备周期要比先进的增材制造工艺要久的多。尽管通过机器指令操作可以提高覆盖蒙皮与角锥体之间的牢固性以及不同粘贴接触点的一致性，但是其制备周期仍要比增材制造长很多。目前，本领域中存在以下技术问题需要解决：1. 降低3D打印制备超材料吸波结构的技术难度和原料成本，并避免不必要的原料使用造成的成本提高。2.在兼顾超材料吸波剂功能性的基础上，提高周期性超材料吸波结构接触点的牢固性和接触位点的精准度，同时缩短增材制造的周期。

发明内容

本发明针对现有技术的不足之处，本发明提供一种碳纳米管基宽频电磁波吸收蜂巢超材料及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种碳纳米管基宽频电磁波吸收蜂巢超材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、按碳纳米管和光敏树脂的用量比1-5 g：200 mL，将碳纳米管通过分散机均匀分散于光敏树脂中，在分散机作用下，当浆料的剪切力达到450 - 470 η / mPa·S，得到光固化打印的浆料；

步骤2、利用三维全波电磁场仿真技术模拟仿真出蜂巢超材料结构，具体的仿真模拟步骤为：采用CST studio suit 2014仿真模拟软件，以完美导体PEC为基底，先在基底上建立一个横截面呈正六边形的底座，底座的边长为3.5 mm，高度a为2-8mm；然后在底座上表面上选择三个相互间隔的顶点作为基准，以每个顶点相连的两条边分别建立两个直角三角形，且两个直角三角形共用一条垂直于底座上表面的边，直角三角形的高度b为2-11mm，底座的高度a和直角三角形的高度b之和≤13mm，然后将底座的壁厚和直角三角形的厚度均设定为2mm，形成一个蜂巢单元；再将若干个蜂巢单元按仿蜂巢式结构周期排列连接形成蜂巢结构，将蜂巢结构垂直于Z轴方向进行建模，即得到了所需的蜂巢超材料结构；

步骤3、将步骤3 中模拟得到的蜂巢超材料结构作为预打印模型，采用光固化打印技术SLA将步骤1得到的浆料进行实物打印制备；

步骤4、将打印出的实物在氮气氛围中进行煅烧处理，得到具有蜂巢结构的碳纳米管基宽频电磁波吸收蜂巢超材料。

所述步骤2中，所述蜂巢单元的底座a与直角三角形b的高度之和为11 mm。

所述步骤2中，所述底座的高度a为6 mm，直角三角形的高度b为5 mm。

所述步骤4中，所述升温速率为1-3℃/min，所述煅烧温度为330-370℃，煅烧时间为3 h。

一种上述方法制备得到的碳纳米管基宽频电磁波吸收蜂巢超材料。

有益效果：

本发明制备方法可有效地降低3D打印制备超材料吸波结构的技术难度和原料成本，并避免不必要的原料使用造成的成本提高；可以在兼顾超材料吸波剂功能性的基础上，提高周期性超材料吸波结构接触点的牢固性和接触位点的精准度，并缩短增材制造的周期；制备的蜂巢超材料吸波材料在2-18 GHz范围内具有超宽的有效电磁波吸收频段，该材料可直接作为吸波基板，或者通过集成的方式将蜂巢超材料吸波材料的电磁波吸波功能集成到目标基底中，实现目标材料的隐身或者吸波功能。

附图说明

图1、仿真模拟的蜂巢超材料结构及反射率图（a为仿真模拟的蜂巢结构，b为蜂巢单元结构，c为底座上直角三角形的结构示意图，d为反射率图）。

图2、3D打印蜂巢超材料的实物图。

图3、热处理后的蜂巢超材料的实物图。

图4、3D打印蜂巢超材料的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细说明。

实施例1

本发明一种碳纳米管基宽频电磁波吸收蜂巢超材料及其制备方法，包括如下步骤：

步骤1，将碳纳米管和光敏树脂按照1g：200 mL的比例进行均匀混合，在分散机作用下，当浆料的剪切力达到450 - 470 η / mPa·S，作为后续光固化打印的浆料；

步骤2，利用三维全波电磁场仿真技术（CST studio suit 2014）对蜂巢超材料结构进行建模，以完美导体PEC为基底，先在基底上建立一个横截面呈正六边形的底座，底座的边长为3.5 mm，高度a为6mm；然后在底座上表面上选择三个相互间隔的顶点作为基准，以每个顶点相连的两条边分别建立两个直角三角形，且两个直角三角形共用一条垂直于底座上表面的边，直角三角形的高度b为5mm，然后将底座的壁厚和直角三角形的厚度均设定为2mm，形成一个蜂巢单元；再将若干个蜂巢单元按仿蜂巢式结构周期排列连接形成蜂巢结构，将蜂巢结构垂直于Z轴方向进行建模，即得到了所需的蜂巢超材料结构。

步骤3,采用光固化打印技术SLA对于打印超材料结构进行实物打印制备。

步骤4，将得到的实物在氮气氛围中进行煅烧处理，以1℃/min的速率升温到350℃，在350℃温度煅烧3 h，得到所需的蜂巢超材料。

图1为上述仿真模拟的蜂巢超材料结构及反射率图。从图1a-c可以看到，模拟得到的蜂巢结构与常见的蜂巢结构略有区别，每三个相邻的蜂巢单元上组成尖端结构，以增强电磁波在结构内部的多重反射和损耗。图1d的反射率模拟结果显示，当a=6，b=5 时，蜂巢超材料具有很宽的有效电磁波响应频段，电磁波吸收率达到79.3%。

图2为3D打印蜂巢超材料吸波剂实物图。从图2可以看到，3D打印的蜂巢超材料吸波剂的结构与模拟优化的结构完全一致，吸波剂无明显的缺陷。整体结构仅需一次性打印即可完成，无需额外的粘贴步骤，在兼顾超材料吸波剂功能性的基础上，提高周期性超材料吸波结构接触点的牢固性和接触位点的精准度，同时缩短了增材制造的周期。

图3为热处理后的蜂巢超材料吸波剂实物图。从图3可以看到，热处理后的蜂巢吸波剂没有出现明显的气孔和裂痕，且吸波剂整体上都为单层设计，仅需要对设计的蜂巢超材料元单元作周期性打印，有效降低了打印技术的难度，节省了打印成本，并避免了原材料的不必要使用造成的浪费。

实施例2

本发明一种碳纳米管基宽频电磁波吸收蜂巢超材料及其制备方法，包括如下步骤：

步骤1，将碳纳米管和光敏树脂按照1g：200 mL的比例进行均匀混合，在分散机作用下，当浆料的剪切力达到450 - 470 η / mPa·S，作为后续光固化打印的浆料；

步骤2，利用三维全波电磁场仿真技术（CST studio suit 2014）对蜂巢超材料结构进行建模，以完美导体PEC为基底，先在基底上建立一个横截面呈正六边形的底座，底座的边长为3.5 mm，高度a为3mm；然后在底座上表面上选择三个相互间隔的顶点作为基准，以每个顶点相连的两条边分别建立两个直角三角形，且两个直角三角形共用一条垂直于底座上表面的边，直角三角形的高度b为8mm，然后将底座的壁厚和直角三角形的厚度均设定为2mm，形成一个蜂巢单元；再将若干个蜂巢单元按仿蜂巢式结构周期排列连接形成蜂巢结构，将蜂巢结构垂直于Z轴方向进行建模，即得到了所需的蜂巢超材料结构。经反射率模拟结果显示，当a=3,b=8时，蜂巢超材料具有很宽的有效电磁波响应频段，电磁波吸收率达到68.3%。

步骤3,采用光固化打印技术SLA对于打印超材料结构进行实物打印制备。

步骤4，将得到的实物在氮气氛围中进行煅烧处理，以1℃/min的速率升温到350℃，在350℃温度煅烧3 h，得到所需的蜂巢超材料。

实施例3

本发明一种碳纳米管基宽频电磁波吸收蜂巢超材料及其制备方法，包括如下步骤：

步骤1，将碳纳米管和光敏树脂按照1g：200 mL的比例进行均匀混合，在分散机作用下，当浆料的剪切力达到450 - 470 η / mPa·S，作为后续光固化打印的浆料；

步骤2，利用三维全波电磁场仿真技术（CST studio suit 2014）对蜂巢超材料结构进行建模，以完美导体PEC为基底，先在基底上建立一个横截面呈正六边形的底座，底座的边长为3.5 mm，高度a为4mm；然后在底座上表面上选择三个相互间隔的顶点作为基准，以每个顶点相连的两条边分别建立两个直角三角形，且两个直角三角形共用一条垂直于底座上表面的边，直角三角形的高度b为7mm，然后将底座的壁厚和直角三角形的厚度均设定为2mm，形成一个蜂巢单元；再将若干个蜂巢单元按仿蜂巢式结构周期排列连接形成蜂巢结构，将蜂巢结构垂直于Z轴方向进行建模，即得到了所需的蜂巢超材料结构。经反射率模拟结果显示，当a=4,b=7时，蜂巢超材料具有很宽的有效电磁波响应频段，电磁波吸收率达到72.4%。

步骤3,采用光固化打印技术SLA对于打印超材料结构进行实物打印制备。

步骤4，将得到的实物在氮气氛围中进行煅烧处理，以1℃/min的速率升温到350℃，在350℃温度煅烧3 h，得到所需的蜂巢超材料。

实施例4

本发明一种碳纳米管基宽频电磁波吸收蜂巢超材料及其制备方法，包括如下步骤：

步骤1，将碳纳米管和光敏树脂按照1g：200 mL的比例进行均匀混合，在分散机作用下，当浆料的剪切力达到450 - 470 η / mPa·S，作为后续光固化打印的浆料；

步骤2，利用三维全波电磁场仿真技术（CST studio suit 2014）对蜂巢超材料结构进行建模，以完美导体PEC为基底，先在基底上建立一个横截面呈正六边形的底座，底座的边长为3.5 mm，高度a为5mm；然后在底座上表面上选择三个相互间隔的顶点作为基准，以每个顶点相连的两条边分别建立两个直角三角形，且两个直角三角形共用一条垂直于底座上表面的边，直角三角形的高度b为6mm，然后将底座的壁厚和直角三角形的厚度均设定为2mm，形成一个蜂巢单元；再将若干个蜂巢单元按仿蜂巢式结构周期排列连接形成蜂巢结构，将蜂巢结构垂直于Z轴方向进行建模，即得到了所需的蜂巢超材料结构。经反射率模拟结果显示，当a=5,b=6时，蜂巢超材料具有很宽的有效电磁波响应频段，电磁波吸收率达到76.7%。

步骤3,采用光固化打印技术SLA对于打印超材料结构进行实物打印制备。

步骤4，将得到的实物在氮气氛围中进行煅烧处理，以1℃/min的速率升温到350℃，在350℃温度煅烧3 h，得到所需的蜂巢超材料。

实施例5

本发明一种碳纳米管基宽频电磁波吸收蜂巢超材料及其制备方法，包括如下步骤：

步骤1，将碳纳米管和光敏树脂按照1g：200 mL的比例进行均匀混合，在分散机作用下，当浆料的剪切力达到450 - 470 η / mPa·S，作为后续光固化打印的浆料；

步骤2，利用三维全波电磁场仿真技术（CST studio suit 2014）对蜂巢超材料结构进行建模，以完美导体PEC为基底，先在基底上建立一个横截面呈正六边形的底座，底座的边长为3.5 mm，高度a为7mm；然后在底座上表面上选择三个相互间隔的顶点作为基准，以每个顶点相连的两条边分别建立两个直角三角形，且两个直角三角形共用一条垂直于底座上表面的边，直角三角形的高度b为4mm，然后将底座的壁厚和直角三角形的厚度均设定为2mm，形成一个蜂巢单元；再将若干个蜂巢单元按仿蜂巢式结构周期排列连接形成蜂巢结构，将蜂巢结构垂直于Z轴方向进行建模，即得到了所需的蜂巢超材料结构。经反射率模拟结果显示，当a=7,b=4时，蜂巢超材料具有很宽的有效电磁波响应频段，电磁波吸收率达到70.9%。

步骤3,采用光固化打印技术SLA对于打印超材料结构进行实物打印制备。

步骤4，将得到的实物在氮气氛围中进行煅烧处理，以1℃/min的速率升温到350℃，在350℃温度煅烧3 h，得到所需的蜂巢超材料。

实施例6

本发明一种碳纳米管基宽频电磁波吸收蜂巢超材料及其制备方法，包括如下步骤：

步骤1，将碳纳米管和光敏树脂按照1g：200 mL的比例进行均匀混合，在分散机作用下，当浆料的剪切力达到450 - 470 η / mPa·S，作为后续光固化打印的浆料；

步骤2，利用三维全波电磁场仿真技术（CST studio suit 2014）对蜂巢超材料结构进行建模，以完美导体PEC为基底，先在基底上建立一个横截面呈正六边形的底座，底座的边长为3.5 mm，高度a为8mm；然后在底座上表面上选择三个相互间隔的顶点作为基准，以每个顶点相连的两条边分别建立两个直角三角形，且两个直角三角形共用一条垂直于底座上表面的边，直角三角形的高度b为3mm，然后将底座的壁厚和直角三角形的厚度均设定为2mm，形成一个蜂巢单元；再将若干个蜂巢单元按仿蜂巢式结构周期排列连接形成蜂巢结构，将蜂巢结构垂直于Z轴方向进行建模，即得到了所需的蜂巢超材料结构。经反射率模拟结果显示，当a=8,b=3时，蜂巢超材料具有很宽的有效电磁波响应频段，电磁波吸收率达到61.9%。

步骤3,采用光固化打印技术SLA对于打印超材料结构进行实物打印制备。

步骤4，将得到的实物在氮气氛围中进行煅烧处理，以1℃/min的速率升温到350℃，在350℃温度煅烧3 h，得到所需的蜂巢超材料。

实施例7

本发明一种碳纳米管基宽频电磁波吸收蜂巢超材料及其制备方法，包括如下步骤：

步骤1，将碳纳米管和光敏树脂按照3 g：200 mL的比例进行均匀混合，在分散机作用下，当浆料的剪切力达到450 - 470 η / mPa·S，作为后续光固化打印的浆料；

步骤2，利用三维全波电磁场仿真技术（CST studio suit 2014）对蜂巢超材料结构进行建模，以完美导体PEC为基底，先在基底上建立一个横截面呈正六边形的底座，底座的边长为3.5 mm，高度a为2mm；然后在底座上表面上选择三个相互间隔的顶点作为基准，以每个顶点相连的两条边分别建立两个直角三角形，且两个直角三角形共用一条垂直于底座上表面的边，直角三角形的高度b为11mm，然后将底座的壁厚和直角三角形的厚度均设定为2mm，形成一个蜂巢单元；再将若干个蜂巢单元按仿蜂巢式结构周期排列连接形成蜂巢结构，将蜂巢结构垂直于Z轴方向进行建模，即得到了所需的蜂巢超材料结构。

步骤3，采用光固化打印技术SLA对于打印超材料结构进行实物打印制备。

步骤4，将得到的实物在氮气氛围中进行煅烧处理，以2℃/min的速率升温到330℃，在350℃温度煅烧3 h，得到所需的蜂巢超材料。

实施例8

本发明一种碳纳米管基宽频电磁波吸收蜂巢超材料及其制备方法，包括如下步骤：

步骤1，将碳纳米管和光敏树脂按照4 g：200 mL的比例进行均匀混合，在分散机作用下，当浆料的剪切力达到450 - 470 η / mPa·S，作为后续光固化打印的浆料；

步骤2，利用三维全波电磁场仿真技术（CST studio suit 2014）对蜂巢超材料结构进行建模，以完美导体PEC为基底，先在基底上建立一个横截面呈正六边形的底座，底座的边长为3.5 mm，高度a为5mm；然后在底座上表面上选择三个相互间隔的顶点作为基准，以每个顶点相连的两条边分别建立两个直角三角形，且两个直角三角形共用一条垂直于底座上表面的边，直角三角形的高度b为2mm，然后将底座的壁厚和直角三角形的厚度均设定为2mm，形成一个蜂巢单元；再将若干个蜂巢单元按仿蜂巢式结构周期排列连接形成蜂巢结构，将蜂巢结构垂直于Z轴方向进行建模，即得到了所需的蜂巢超材料结构。

步骤3,采用光固化打印技术SLA对于打印超材料结构进行实物打印制备。

步骤4，将得到的实物在氮气氛围中进行煅烧处理，以3℃/min的速率升温到370℃，在350℃温度煅烧3 h，得到所需的蜂巢超材料。