3D打印電磁功能結構研究現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

李玥萱 張聘 白龍

摘 要：電磁功能結構（EFS）因其結構復雜性與種類多樣性，導致傳統(tǒng)制造工藝難以完全滿足未來電磁功能結構的制造需求。為此，3D打印技術作為一種可適用于復雜鏤空結構高精高效、低成本的先進數(shù)字化技術，受到了研究學者的廣泛關注與探索。本文主要圍繞3D打印電磁功能結構制造技術，開展了相關新技術、新材料、新結構以及新工藝等方面的系統(tǒng)性調研，總結了現(xiàn)有3D打印電磁功能結構研究面臨的挑戰(zhàn)。

關鍵詞：電磁功能結構； 3D打印； 吸收率； 反射損耗

中圖分類號：TH162 文獻標識碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2023.08.001

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

電磁功能材料作為隱身技術和電磁兼容技術的物質基礎，在提升先進武器裝備以及電子產(chǎn)品設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構型，其中電磁功能結構是一類兼具承載性的三維功能結構，它能夠利用材料與結構之間的關系來實現(xiàn)阻抗匹配、超寬帶吸收、高強度等多功能性能，以拓寬相關應用領域。

為了能夠實現(xiàn)高性能電磁功能結構，研究人員從高性能纖維增強復合材料[5-7]、新結構等不同角度進行設計，如三維全介質超材料、頻率選擇表面（FSS）結構及其他復雜鏤空結構等。這些結構往往通過傳統(tǒng)工藝制造難以實現(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，通過利用3D打印高精高效、低成本，可直接實現(xiàn)復雜鏤空結構快速制造等優(yōu)勢，對未來相關電磁功能結構產(chǎn)品制造提供了更多可能性，也帶來了諸多潛在應用價值。

本文利用非金屬復合材料的3D打印技術及其成形原理，通過對3D打印短切纖維增強、磁性材料以及連續(xù)纖維增強材料等技術，高性能纖維增強打印材料、高導電打印墨水等新材料以及基于FSS結構、超材料、蜂窩結構等新制造工藝進行調研，總結了現(xiàn)有3D打印電磁功能結構在打印材料、打印尺寸以及性能等方面存在的技術難點，并對相關3D打印電磁功能結構發(fā)展趨勢進行了展望。

1 三維打印類型分類

3D打印基本原理是首先將3D模型進行切片處理，再以逐層累積方式實現(xiàn)三維結構樣件的制造（見圖1）。

根據(jù)美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）3D打印技術委員會標準，非金屬復合材料3D打印技術主要分為熔融沉積成形（FDM）、選擇性激光燒結成形（SLS）、立體光刻成形（SLA）、噴墨打?。↖JP）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），這是全球首次實現(xiàn)連續(xù)碳纖維增強復合材料的太空3D打印，標志著FDM成形技術已經(jīng)進入了全新實際工程應用的研究階段。

FDM成形技術優(yōu)點是操作簡單、低成本，耗材主要為熱塑性樹脂及其復合材料等絲材。設備工作原理是將絲質材料加熱融化，通過帶有一個微細噴嘴（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，實現(xiàn)層層堆積，最終獲得試驗樣件，如纖維增強復合吸波結構、超材料等樣件（見圖3）。

文獻[9]中提及美國W. H. Charls最早提出了SLA成形技術，主要應用于民用手辦模型、汽車等領域。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)定的掃描路徑來實現(xiàn)各層表面特定區(qū)域內液態(tài)光敏樹脂固化，從而獲得最終三維結構樣件，精度高達±0.01mm（見圖4）。現(xiàn)階段，SLA成形技術主要用于三維全介質光子晶體。

IJP成形技術是一種無接觸、無壓力、無印版的全數(shù)字化技術，可實現(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，將打印墨水（沉積溶液）從噴頭中擠壓出來，精確噴射至設計區(qū)域，以層級構建后固化的方式實現(xiàn)二維/三維結構的制造（打印精度可實現(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能夠實現(xiàn)更高精度的圖案制備，噴嘴內徑最小可至100nm，這類技術更適用于二維微納圖案制備。

EDW成形技術最早源于1998年美國圣地亞（sandia）國家重點實驗室J. Cesarano等提出的自動注漿成形技術，起初主要是針對陶瓷基三維成形技術，隨后衍生出柔性樹脂基、纖維增強基三維結構成形。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，利用計算機控制系統(tǒng)完成三維運動，通過機械/氣動壓力實現(xiàn)漿料在打印平臺上的預成形（見圖6）。通過對噴嘴設計，EDW也可以實現(xiàn)高精微納尺度三維結構制造，如柔性超材料、柔性吸波貼片以及鏤空吸波結構樣件等。

2 3D打印電磁功能結構研究進展

3D打印電磁功能結構屬于一類多學科交叉融合性的研究。近年來，國內外研究學者圍繞3D打印電磁功能結構的新技術、新材料、新結構與新工藝等方面展開了深入研究，以進一步提高電磁功能結構的先進制造技術水平，提升其實際應用價值。

2.1 新技術

通常情況下，商業(yè)3D打印設備均配備專用打印材料，以保證打印結構樣件的成形精度。近年來，由于復合材料在工程應用中的需求不斷多元化，導致現(xiàn)階段商用打印設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合材料的3D打印設備開發(fā)工作，如美國MarkOne 3D打印機（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材料[11-14]。其中，沉積PA噴嘴對結構樣件的完整性起到關鍵作用，通過對結構樣件每層材料進行配比設計和對打印工藝進行調整來增加PA與纖維的浸潤面積，從而提高整體打印樣件的力學性能。

美國哈佛大學工程與應用科學學院R. R. Jordan等[15]提出一種“旋轉3D打印噴頭”，通過對噴嘴速度和旋轉速率進行精確設計，從而實現(xiàn)對聚合物基質中纖維排列進行編程（見圖8）。經(jīng)試驗表明，旋轉打印頭比非旋轉噴頭有助于樣件具有更優(yōu)異的拉伸強度（見圖9）。這項技術有望未來應用于高性能電磁鏤空結構樣件的制造。

此外，美國D.Kokkinis等[16]提出了一種基于四噴頭磁驅動復合材料3D打印技術，利用磁極化方向調控復合材料中磁性納米粒子的分布，從而實現(xiàn)各項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)纖維增強復合材料以外，意大利米蘭理工大學M.Invernizzi等[17]利用紫外線（UV）輔助FDM成形技術實現(xiàn)了纖維增強機翼及船槳等零部件（見圖 11）。其中，圖11（a）為機翼數(shù)模，圖11（b）為船槳數(shù)模，圖11（c）～圖11（f）為相關玻璃/碳纖維增強結構機翼樣件，圖11（g）～圖11（h）為相關玻璃/碳纖維增強結構船槳樣件。

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

國內方面，目前可用于制備電磁功能結構的商用3D打印設備供應商（包括上海復志、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熱塑性樣件制備；基于3D打印連續(xù)纖維增強樣件制備現(xiàn)階段正處于研發(fā)階段，如西安交通大學、西北工業(yè)大學、南京航空航天大學、北京理工大學、中南大學以及中科院等國內科研院所及相關高校。Tian等[18]通過3D打印設備將連續(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)纖維增強熱塑性復合材料（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)異的機械性能以及耐酸堿、耐溫、透波性等在航空航天領域也備受關注，如Impossible Objects公司發(fā)展了一種高性能碳纖維增強PEEK 3D打印制造技術。該技術得到的結構樣件具有質輕（比傳統(tǒng)鋁制品減重約50%）、高強度（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，并首次應用于航空航天領域[27]。

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

此外，K. Chizari等[29]研制出了一種基于PLA/CNT的導電墨水（電導率可實現(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)柵結構（見圖14）。

河北科技大學Ma等[30]也利用EDW 3D打印技術制備了硅酸鹽水泥/銅基平板結構（見圖15）。經(jīng)試驗對比及性能測試結果可以看出，以質量分數(shù)25%銅屑與質量分數(shù)6%銅粉作為填料時，整體結構樣件在1～18GHz內可實現(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，結果表明該材料的電性能隨燒結溫度增加而降低，當環(huán)境溫度為800℃時，結構樣件仍可實現(xiàn)優(yōu)異的電磁吸收效果。

2.3 新結構新工藝

近年來，電磁功能結構設計與制造也成為研究學者關注的熱門話題，如FSS結構、超材料以及電磁蜂窩結構等。由于上述結構具有單元周期尺寸小、復雜鏤空等特點，導致傳統(tǒng)工藝加工難度大，而3D打印技術替代傳統(tǒng)制造工藝或與傳統(tǒng)工藝相結合，可實現(xiàn)復雜電磁功能結構樣件的制備，如日本崗山大學I. Atsushi等[32]利用FDM成形工藝結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結構（見圖16）。其中，該試驗利用Sn2+與Ag+的氧化還原反應，實現(xiàn)了PLA材料表面電鍍35μm銀膜。經(jīng)測試結果表明，當電磁波入射角度為90o時，基于Ag/PLA基材的開口環(huán)狀FSS結構可實現(xiàn)4.0～7.0GHz頻段內90%以上透波率。

韓國中央大學Lim等[33] 利用FDM成形技術研制了一款基于PLA/導電銀漿的超薄、輕質十字階梯型耶路撒冷FSS結構。其中，通過調控階梯層數(shù)能夠定向調控吸收頻段以及吸收率，如圖17（a）所示。經(jīng)模擬仿真與測試驗證表明，基于三層十字階梯型FSS結構在5.18GHz頻點處能夠實現(xiàn)最大吸收率（99.8%），并且整體結構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類電磁功能結構外，Lleshi等[34]將FDM成形3D打印技術應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行調控設計，實現(xiàn)了該結構在7.6～17.4GHz頻段內吸收率大于90%的吸收效果。但是由于3D打印成形工藝精度不理想，導致超材料外形缺陷較多。

與平板吸波結構相比，電磁蜂窩結構因其輕質、高模量以及優(yōu)異的電磁性能被看作最具有工程應用價值的一類電磁功能結構。3D打印電磁蜂窩結構是一次全新的技術與材料革新，它解決了傳統(tǒng)工藝中多流程浸漬過程，實現(xiàn)了電磁蜂窩結構的高效、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構（見圖19）。研究結果表明，F(xiàn)DM成形工藝能夠實現(xiàn)傳統(tǒng)制造工藝難以制備的復雜高性能蜂窩拓撲結構設計，且這類吸波蜂窩結構能夠在12.5～18GHz內比傳統(tǒng)蜂窩結構具有更優(yōu)異的電磁吸收效果。

目前，國內基于3D打印電磁功能結構的研究機構主要有北京航空航天大學、南京航空航天大學、哈爾濱工業(yè)大學、西北工業(yè)大學、西安交通大學、空軍工程大學、國防科技大學，以及其他相關科研機構，涉及的結構類型包括蜂窩芯結構、平板結構、光子晶體、FSS結構等?？哲姽こ檀髮WJiang等[36]結合FDM成形技術與絲網(wǎng)印刷技術制備了輕質蜂窩結構，如圖20所示。通過在3D打印PLA蜂窩壁上印刷碳層，實現(xiàn)了三維輕質蜂窩芯材結構（密度為0.255g/cm3）在3.53～24GHz頻段內強吸收效果（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Huang等[37]建立在打印墨水研發(fā)基礎上，優(yōu)化了硅基納米陶瓷基噴墨3D打印工藝，實現(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構的SLA光子晶體，可實現(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構形式設計了一款雷達吸波體，通過SLA成形3D打印技術實現(xiàn)了超材料樣件制備。經(jīng)測試結果表明，該吸波體在12～18GHz內具有90%以上吸收率（見圖23）。

3 總結與展望

當前，3D打印技術優(yōu)勢在于可實現(xiàn)復雜異型構件的高精高效、低成本快速制造，但是國內外針對3D打印電磁功能結構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難點，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，難以直接滿足輕質、寬頻、強吸收及其他多功能要求。

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

（3）缺少試驗樣件的全面綜合分析。當前3D打印電磁功能結構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構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構在未來工程領域中的應用。

未來電磁功能結構3D打印技術將以功能需求為導向，利用3D打印技術可實現(xiàn)復雜結構、非金屬復合材料快速制造的優(yōu)勢，通過對材料、結構以及工藝等方面進行優(yōu)化，促進高精高效、多功能電磁功能結構的制造。

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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