3D打印電磁功能結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

李玥萱 張聘 白龍

摘 要：電磁功能結(jié)構(gòu)（EFS）因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜性與種類多樣性，導(dǎo)致傳統(tǒng)制造工藝難以完全滿足未來電磁功能結(jié)構(gòu)的制造需求。為此，3D打印技術(shù)作為一種可適用于復(fù)雜鏤空結(jié)構(gòu)高精高效、低成本的先進(jìn)數(shù)字化技術(shù)，受到了研究學(xué)者的廣泛關(guān)注與探索。本文主要圍繞3D打印電磁功能結(jié)構(gòu)制造技術(shù)，開展了相關(guān)新技術(shù)、新材料、新結(jié)構(gòu)以及新工藝等方面的系統(tǒng)性調(diào)研，總結(jié)了現(xiàn)有3D打印電磁功能結(jié)構(gòu)研究面臨的挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：電磁功能結(jié)構(gòu)； 3D打?。?吸收率； 反射損耗

中圖分類號：TH162 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2023.08.001

隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，電磁波技術(shù)在軍事領(lǐng)域以及民用領(lǐng)域中的應(yīng)用都極為廣泛[1]，其中電磁功能材料可作為降低設(shè)備輻射和噪聲的一種有利手段，應(yīng)用于民用電子通信領(lǐng)域[2-3]。在軍事領(lǐng)域，電磁功能材料常應(yīng)用于裝備表面涂層或零部件，以實(shí)現(xiàn)對雷達(dá)探測技術(shù)的抵抗[4]。

電磁功能材料作為隱身技術(shù)和電磁兼容技術(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ)，在提升先進(jìn)武器裝備以及電子產(chǎn)品設(shè)備靈敏度方面占有十分重要的地位。電磁功能材料按材料成形工藝和承載能力可以分為涂層型和結(jié)構(gòu)型，其中電磁功能結(jié)構(gòu)是一類兼具承載性的三維功能結(jié)構(gòu)，它能夠利用材料與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系來實(shí)現(xiàn)阻抗匹配、超寬帶吸收、高強(qiáng)度等多功能性能，以拓寬相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)高性能電磁功能結(jié)構(gòu)，研究人員從高性能纖維增強(qiáng)復(fù)合材料[5-7]、新結(jié)構(gòu)等不同角度進(jìn)行設(shè)計，如三維全介質(zhì)超材料、頻率選擇表面（FSS）結(jié)構(gòu)及其他復(fù)雜鏤空結(jié)構(gòu)等。這些結(jié)構(gòu)往往通過傳統(tǒng)工藝制造難以實(shí)現(xiàn)或者加工難度大且周期長，如熱壓罐成形、真空輔助成形、手糊成形、樹脂傳遞模塑成形以及模壓成形等。三維（3D）打印又稱增材制造（AM）技術(shù)，通過利用3D打印高精高效、低成本，可直接實(shí)現(xiàn)復(fù)雜鏤空結(jié)構(gòu)快速制造等優(yōu)勢，對未來相關(guān)電磁功能結(jié)構(gòu)產(chǎn)品制造提供了更多可能性，也帶來了諸多潛在應(yīng)用價值。

本文利用非金屬復(fù)合材料的3D打印技術(shù)及其成形原理，通過對3D打印短切纖維增強(qiáng)、磁性材料以及連續(xù)纖維增強(qiáng)材料等技術(shù)，高性能纖維增強(qiáng)打印材料、高導(dǎo)電打印墨水等新材料以及基于FSS結(jié)構(gòu)、超材料、蜂窩結(jié)構(gòu)等新制造工藝進(jìn)行調(diào)研，總結(jié)了現(xiàn)有3D打印電磁功能結(jié)構(gòu)在打印材料、打印尺寸以及性能等方面存在的技術(shù)難點(diǎn)，并對相關(guān)3D打印電磁功能結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

1 三維打印類型分類

3D打印基本原理是首先將3D模型進(jìn)行切片處理，再以逐層累積方式實(shí)現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)樣件的制造（見圖1）。

根據(jù)美國材料與試驗(yàn)協(xié)會（ASTM）3D打印技術(shù)委員會標(biāo)準(zhǔn)，非金屬復(fù)合材料3D打印技術(shù)主要分為熔融沉積成形（FDM）、選擇性激光燒結(jié)成形（SLS）、立體光刻成形（SLA）、噴墨打印（IJP）以及擠出直寫打?。‥DW）等。

2020年5月5日，中國首次完成太空“3D打印”[8]（見圖2），這是全球首次實(shí)現(xiàn)連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的太空3D打印，標(biāo)志著FDM成形技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了全新實(shí)際工程應(yīng)用的研究階段。

FDM成形技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是操作簡單、低成本，耗材主要為熱塑性樹脂及其復(fù)合材料等絲材。設(shè)備工作原理是將絲質(zhì)材料加熱融化，通過帶有一個微細(xì)噴嘴（直徑通常為0.2～ 0.6mm）的噴頭，利用控制模塊將打印材料定向噴擠，實(shí)現(xiàn)層層堆積，最終獲得試驗(yàn)樣件，如纖維增強(qiáng)復(fù)合吸波結(jié)構(gòu)、超材料等樣件（見圖3）。

文獻(xiàn)[9]中提及美國W. H. Charls最早提出了SLA成形技術(shù)，主要應(yīng)用于民用手辦模型、汽車等領(lǐng)域。SLA成形材料多為液態(tài)光敏樹脂，其成形原理是利用激光光束按所規(guī)定的掃描路徑來實(shí)現(xiàn)各層表面特定區(qū)域內(nèi)液態(tài)光敏樹脂固化，從而獲得最終三維結(jié)構(gòu)樣件，精度高達(dá)±0.01mm（見圖4）。現(xiàn)階段，SLA成形技術(shù)主要用于三維全介質(zhì)光子晶體。

IJP成形技術(shù)是一種無接觸、無壓力、無印版的全數(shù)字化技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)在多種材料表面制備不同圖案，其成形原理是利用熱激發(fā)或壓電效應(yīng)，將打印墨水（沉積溶液）從噴頭中擠壓出來，精確噴射至設(shè)計區(qū)域，以層級構(gòu)建后固化的方式實(shí)現(xiàn)二維/三維結(jié)構(gòu)的制造（打印精度可實(shí)現(xiàn)20μm），如柔性吸波薄膜等（見圖5）。此外，噴霧打印以及電流體打印等非接觸打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)更高精度的圖案制備，噴嘴內(nèi)徑最小可至100nm，這類技術(shù)更適用于二維微納圖案制備。

EDW成形技術(shù)最早源于1998年美國圣地亞（sandia）國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室J. Cesarano等提出的自動注漿成形技術(shù)，起初主要是針對陶瓷基三維成形技術(shù)，隨后衍生出柔性樹脂基、纖維增強(qiáng)基三維結(jié)構(gòu)成形。與FDM對比，EDW成形3D打印材料選擇自由度高，可以是固體絲材、顆?；蚴且活惛唣ざ纫后w漿料。這種漿料儲存于與噴頭相連的料筒中，利用計算機(jī)控制系統(tǒng)完成三維運(yùn)動，通過機(jī)械/氣動壓力實(shí)現(xiàn)漿料在打印平臺上的預(yù)成形（見圖6）。通過對噴嘴設(shè)計，EDW也可以實(shí)現(xiàn)高精微納尺度三維結(jié)構(gòu)制造，如柔性超材料、柔性吸波貼片以及鏤空吸波結(jié)構(gòu)樣件等。

2 3D打印電磁功能結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展

3D打印電磁功能結(jié)構(gòu)屬于一類多學(xué)科交叉融合性的研究。近年來，國內(nèi)外研究學(xué)者圍繞3D打印電磁功能結(jié)構(gòu)的新技術(shù)、新材料、新結(jié)構(gòu)與新工藝等方面展開了深入研究，以進(jìn)一步提高電磁功能結(jié)構(gòu)的先進(jìn)制造技術(shù)水平，提升其實(shí)際應(yīng)用價值。

2.1 新技術(shù)

通常情況下，商業(yè)3D打印設(shè)備均配備專用打印材料，以保證打印結(jié)構(gòu)樣件的成形精度。近年來，由于復(fù)合材料在工程應(yīng)用中的需求不斷多元化，導(dǎo)致現(xiàn)階段商用打印設(shè)備無法滿足功能零部件的需求。因此，國外研究人員圍繞現(xiàn)階段問題展開了對基于非金屬復(fù)合材料的3D打印設(shè)備開發(fā)工作，如美國MarkOne 3D打印機(jī)（見圖7），一個噴嘴用于沉積尼龍（PA）材料[10]，另一個用于打印纖維增強(qiáng)材料[11-14]。其中，沉積PA噴嘴對結(jié)構(gòu)樣件的完整性起到關(guān)鍵作用，通過對結(jié)構(gòu)樣件每層材料進(jìn)行配比設(shè)計和對打印工藝進(jìn)行調(diào)整來增加PA與纖維的浸潤面積，從而提高整體打印樣件的力學(xué)性能。

美國哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院R. R. Jordan等[15]提出一種“旋轉(zhuǎn)3D打印噴頭”，通過對噴嘴速度和旋轉(zhuǎn)速率進(jìn)行精確設(shè)計，從而實(shí)現(xiàn)對聚合物基質(zhì)中纖維排列進(jìn)行編程（見圖8）。經(jīng)試驗(yàn)表明，旋轉(zhuǎn)打印頭比非旋轉(zhuǎn)噴頭有助于樣件具有更優(yōu)異的拉伸強(qiáng)度（見圖9）。這項(xiàng)技術(shù)有望未來應(yīng)用于高性能電磁鏤空結(jié)構(gòu)樣件的制造。

此外，美國D.Kokkinis等[16]提出了一種基于四噴頭磁驅(qū)動復(fù)合材料3D打印技術(shù)，利用磁極化方向調(diào)控復(fù)合材料中磁性納米粒子的分布，從而實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)異性磁性納米粒子的定向排布，如圖10所示。

常用的除了上述PA（ABS）/連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料以外，意大利米蘭理工大學(xué)M.Invernizzi等[17]利用紫外線（UV）輔助FDM成形技術(shù)實(shí)現(xiàn)了纖維增強(qiáng)機(jī)翼及船槳等零部件（見圖 11）。其中，圖11（a）為機(jī)翼數(shù)模，圖11（b）為船槳數(shù)模，圖11（c）～圖11（f）為相關(guān)玻璃/碳纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)機(jī)翼樣件，圖11（g）～圖11（h）為相關(guān)玻璃/碳纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)船槳樣件。

整個打印過程溫度可控制到140oC，有效地實(shí)現(xiàn)了低溫固化的快速制備工藝。

國內(nèi)方面，目前可用于制備電磁功能結(jié)構(gòu)的商用3D打印設(shè)備供應(yīng)商（包括上海復(fù)志、湖南華曙高科、陜西聚高科技、廈門威斯坦等）大多限于短切纖維增強(qiáng)熱塑性樣件制備；基于3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)樣件制備現(xiàn)階段正處于研發(fā)階段，如西安交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、北京理工大學(xué)、中南大學(xué)以及中科院等國內(nèi)科研院所及相關(guān)高校。Tian等[18]通過3D打印設(shè)備將連續(xù)纖維與熱塑性樹脂材料以共擠出成形方式，制備了高性能連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（見圖12）。

2.2 新材料

隨著功能零部件需求的不斷升級，聚醚醚酮（PEEK）[19-24]、聚四氟乙烯（PTFE）[25-26]等高分子材料因其優(yōu)異的機(jī)械性能以及耐酸堿、耐溫、透波性等在航空航天領(lǐng)域也備受關(guān)注，如Impossible Objects公司發(fā)展了一種高性能碳纖維增強(qiáng)PEEK 3D打印制造技術(shù)。該技術(shù)得到的結(jié)構(gòu)樣件具有質(zhì)輕（比傳統(tǒng)鋁制品減重約50%）、高強(qiáng)度（保持鋁75%剛性）以及耐高溫（可承受250oC以上）特性。2014年牛津性能材料（OPM）公司研制出一種3D打印材料OXFAB-N，并首次應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[27]。

此外，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料不僅滿足一定的承載能力，還具有較高導(dǎo)電性，屬于電磁功能結(jié)構(gòu)中最常見的一類。美國得克薩斯理工大學(xué)Ning等[28]通過分析碳纖維含量對3D打印ABS/碳纖維復(fù)合材料的孔隙率以及力學(xué)性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)樣件的孔隙率隨纖維含量的增加而增大；結(jié)構(gòu)樣件的拉伸強(qiáng)度隨纖維含量的增加呈增長后下降趨勢（見圖13）。當(dāng)纖維含量達(dá)到質(zhì)量分?jǐn)?shù)7%時，拉伸強(qiáng)度高達(dá)43MPa；當(dāng)纖維含量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%時，孔隙率達(dá)到最大值。

此外，K. Chizari等[29]研制出了一種基于PLA/CNT的導(dǎo)電墨水（電導(dǎo)率可實(shí)現(xiàn)5000S/m）并利用直徑200μm的3D打印噴嘴制備了具有電磁屏蔽性能的網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)（見圖14）。

河北科技大學(xué)Ma等[30]也利用EDW 3D打印技術(shù)制備了硅酸鹽水泥/銅基平板結(jié)構(gòu)（見圖15）。經(jīng)試驗(yàn)對比及性能測試結(jié)果可以看出，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%銅屑與質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%銅粉作為填料時，整體結(jié)構(gòu)樣件在1～18GHz內(nèi)可實(shí)現(xiàn)3.38GHz帶寬。

Meng等[31]通過對3D打印碳化硅（SiC）/石英陶瓷多孔吸波材料的研究，結(jié)果表明該材料的電性能隨燒結(jié)溫度增加而降低，當(dāng)環(huán)境溫度為800℃時，結(jié)構(gòu)樣件仍可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的電磁吸收效果。

2.3 新結(jié)構(gòu)新工藝

近年來，電磁功能結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造也成為研究學(xué)者關(guān)注的熱門話題，如FSS結(jié)構(gòu)、超材料以及電磁蜂窩結(jié)構(gòu)等。由于上述結(jié)構(gòu)具有單元周期尺寸小、復(fù)雜鏤空等特點(diǎn)，導(dǎo)致傳統(tǒng)工藝加工難度大，而3D打印技術(shù)替代傳統(tǒng)制造工藝或與傳統(tǒng)工藝相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜電磁功能結(jié)構(gòu)樣件的制備，如日本崗山大學(xué)I. Atsushi等[32]利用FDM成形工藝結(jié)合選擇性電鍍工藝研制了一類基于銀-聚乳酸（Ag/PLA）型環(huán)狀FSS結(jié)構(gòu)（見圖16）。其中，該試驗(yàn)利用Sn2+與Ag+的氧化還原反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了PLA材料表面電鍍35μm銀膜。經(jīng)測試結(jié)果表明，當(dāng)電磁波入射角度為90o時，基于Ag/PLA基材的開口環(huán)狀FSS結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)4.0～7.0GHz頻段內(nèi)90%以上透波率。

韓國中央大學(xué)Lim等[33] 利用FDM成形技術(shù)研制了一款基于PLA/導(dǎo)電銀漿的超薄、輕質(zhì)十字階梯型耶路撒冷FSS結(jié)構(gòu)。其中，通過調(diào)控階梯層數(shù)能夠定向調(diào)控吸收頻段以及吸收率，如圖17（a）所示。經(jīng)模擬仿真與測試驗(yàn)證表明，基于三層十字階梯型FSS結(jié)構(gòu)在5.18GHz頻點(diǎn)處能夠?qū)崿F(xiàn)最大吸收率（99.8%），并且整體結(jié)構(gòu)樣件對入射波極化具有不敏感性，如圖17（b）所示。

除了3D打印FSS類電磁功能結(jié)構(gòu)外，Lleshi等[34]將FDM成形3D打印技術(shù)應(yīng)用于金屬基電磁超材料制備，研制出一款銅基超材料，如圖18所示。通過對該超材料工作頻段進(jìn)行調(diào)控設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了該結(jié)構(gòu)在7.6～17.4GHz頻段內(nèi)吸收率大于90%的吸收效果。但是由于3D打印成形工藝精度不理想，導(dǎo)致超材料外形缺陷較多。

與平板吸波結(jié)構(gòu)相比，電磁蜂窩結(jié)構(gòu)因其輕質(zhì)、高模量以及優(yōu)異的電磁性能被看作最具有工程應(yīng)用價值的一類電磁功能結(jié)構(gòu)。3D打印電磁蜂窩結(jié)構(gòu)是一次全新的技術(shù)與材料革新，它解決了傳統(tǒng)工藝中多流程浸漬過程，實(shí)現(xiàn)了電磁蜂窩結(jié)構(gòu)的高效、低成本制造，但是目前3D打印吸波蜂窩的體密度仍較大。

Vincent等[35]通過以PLA/炭黑作為基材，利用FDM成形工藝制備了多尺度吸波蜂窩結(jié)構(gòu)（見圖19）。研究結(jié)果表明，F(xiàn)DM成形工藝能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)制造工藝難以制備的復(fù)雜高性能蜂窩拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計，且這類吸波蜂窩結(jié)構(gòu)能夠在12.5～18GHz內(nèi)比傳統(tǒng)蜂窩結(jié)構(gòu)具有更優(yōu)異的電磁吸收效果。

目前，國內(nèi)基于3D打印電磁功能結(jié)構(gòu)的研究機(jī)構(gòu)主要有北京航空航天大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)、空軍工程大學(xué)、國防科技大學(xué)，以及其他相關(guān)科研機(jī)構(gòu)，涉及的結(jié)構(gòu)類型包括蜂窩芯結(jié)構(gòu)、平板結(jié)構(gòu)、光子晶體、FSS結(jié)構(gòu)等?？哲姽こ檀髮W(xué)Jiang等[36]結(jié)合FDM成形技術(shù)與絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備了輕質(zhì)蜂窩結(jié)構(gòu)，如圖20所示。通過在3D打印PLA蜂窩壁上印刷碳層，實(shí)現(xiàn)了三維輕質(zhì)蜂窩芯材結(jié)構(gòu)（密度為0.255g/cm3）在3.53～24GHz頻段內(nèi)強(qiáng)吸收效果（吸收率>90%），提高了TM極化條件下斜入射角（0～70°）的吸波性能。西安電子科技大學(xué)Huang等[37]建立在打印墨水研發(fā)基礎(chǔ)上，優(yōu)化了硅基納米陶瓷基噴墨3D打印工藝，實(shí)現(xiàn)了低介電常數(shù)、低介電損耗型耐高溫（<400oC）陶瓷薄膜的制備（見圖21）。西安交通大學(xué)Yin等[38]利用光固化SLA成形工藝首次制造了基于木堆堆積單元結(jié)構(gòu)的SLA光子晶體，可實(shí)現(xiàn)Ku波段較好的電磁吸收性能（見圖22）。

此外，Tian等[39]也利用相同單元堆積結(jié)構(gòu)形式設(shè)計了一款雷達(dá)吸波體，通過SLA成形3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了超材料樣件制備。經(jīng)測試結(jié)果表明，該吸波體在12～18GHz內(nèi)具有90%以上吸收率（見圖23）。

3 總結(jié)與展望

當(dāng)前，3D打印技術(shù)優(yōu)勢在于可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜異型構(gòu)件的高精高效、低成本快速制造，但是國內(nèi)外針對3D打印電磁功能結(jié)構(gòu)的研究仍處于前沿探索階段，在以下幾個方面仍存在共性技術(shù)難點(diǎn)，具體如下：

（1）電磁特性打印材料種類局限性。目前商用3D打印材料大多為PA、PLA、ABS以及PEEK及其短切碳纖/短切玻纖等復(fù)合物，這些材料大多表現(xiàn)為電磁吸收能力差且吸收帶寬窄等特點(diǎn)，難以直接滿足輕質(zhì)、寬頻、強(qiáng)吸收及其他多功能要求。

（2）大尺寸復(fù)雜電磁功能平面/曲面結(jié)構(gòu)樣件3D打印精度局限性。電磁功能結(jié)構(gòu)因其材料的多樣性，導(dǎo)致單一PLA/ ABS/PA/PEEK等材料難以滿足需求。因此，現(xiàn)有工業(yè)3D打印設(shè)備也難以直接實(shí)現(xiàn)基于多樣性打印材料的結(jié)構(gòu)樣件高精度加工，通常需要設(shè)備與材料的個性化定制。此外，針對復(fù)雜鏤空結(jié)構(gòu)的高精度3D打印制造也具有一定挑戰(zhàn)性。

（3）缺少試驗(yàn)樣件的全面綜合分析。當(dāng)前3D打印電磁功能結(jié)構(gòu)的研究主要集中于成形工藝與性能方面，但對于材料的微觀結(jié)構(gòu)檢測以及其他服役性方面探究較少，不利于該類電磁功能結(jié)構(gòu)在未來工程領(lǐng)域中的應(yīng)用。

未來電磁功能結(jié)構(gòu)3D打印技術(shù)將以功能需求為導(dǎo)向，利用3D打印技術(shù)可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)、非金屬復(fù)合材料快速制造的優(yōu)勢，通過對材料、結(jié)構(gòu)以及工藝等方面進(jìn)行優(yōu)化，促進(jìn)高精高效、多功能電磁功能結(jié)構(gòu)的制造。

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Research Status and Challenges on the 3D Printing Electromagnetic Functional Structure

Li Yuexuan， Zhang Pin， Bai Long

Aviation Key Lab of Science and Technology on High-Performance Electromagnetic Windows， AVIC Research Institute for Special Structures of Aeronautical Composite， Ji’nan 250023， China

Abstract： Due to the complexity and diversity of electromagnetic functional structures （EFS）， traditional manufacturing has limited the requirement of the fabrication of the EFS. Thereby， 3D printing as the high-efficiency and cheap advanced digital method applied in the fabrication of the complex hollow /curved structure has received widespread attention and exploration from research scholars. This paper mainly focused on the manufacturing technology of EFS based on 3D printing and systematically investigated relevant new technologies， materials， structures， and manufacturing， and summarized the challenges in the existence of 3D printing EFS.

Key Words： EFS； 3D printing； absorptivity； reflection loss