3D打印电磁功能结构研究现状与挑战

李玥萱 张聘 白龙

摘 要：电磁功能结构（EFS）因其结构复杂性与种类多样性，导致传统制造工艺难以完全满足未来电磁功能结构的制造需求。为此，3D打印技术作为一种可适用于复杂镂空结构高精高效、低成本的先进数字化技术，受到了研究学者的广泛关注与探索。本文主要围绕3D打印电磁功能结构制造技术，开展了相关新技术、新材料、新结构以及新工艺等方面的系统性调研，总结了现有3D打印电磁功能结构研究面临的挑战。

关键词：电磁功能结构； 3D打印； 吸收率； 反射损耗

中图分类号：TH162 文献标识码：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2023.08.001

随着科学技术的高速发展，电磁波技术在军事领域以及民用领域中的应用都极为广泛[1]，其中电磁功能材料可作为降低设备辐射和噪声的一种有利手段，应用于民用电子通信领域[2-3]。在军事领域，电磁功能材料常应用于装备表面涂层或零部件，以实现对雷达探测技术的抵抗[4]。

电磁功能材料作为隐身技术和电磁兼容技术的物质基础，在提升先进武器装备以及电子产品设备灵敏度方面占有十分重要的地位。电磁功能材料按材料成形工艺和承载能力可以分为涂层型和结构型，其中电磁功能结构是一类兼具承载性的三维功能结构，它能够利用材料与结构之间的关系来实现阻抗匹配、超宽带吸收、高强度等多功能性能，以拓宽相关应用领域。

为了能够实现高性能电磁功能结构，研究人员从高性能纤维增强复合材料[5-7]、新结构等不同角度进行设计，如三维全介质超材料、频率选择表面（FSS）结构及其他复杂镂空结构等。这些结构往往通过传统工艺制造难以实现或者加工难度大且周期长，如热压罐成形、真空辅助成形、手糊成形、树脂传递模塑成形以及模压成形等。三维（3D）打印又称增材制造（AM）技术，通过利用3D打印高精高效、低成本，可直接实现复杂镂空结构快速制造等优势，对未来相关电磁功能结构产品制造提供了更多可能性，也带来了诸多潜在应用价值。

本文利用非金属复合材料的3D打印技术及其成形原理，通过对3D打印短切纤维增强、磁性材料以及连续纤维增强材料等技术，高性能纤维增强打印材料、高导电打印墨水等新材料以及基于FSS结构、超材料、蜂窝结构等新制造工艺进行调研，总结了现有3D打印电磁功能结构在打印材料、打印尺寸以及性能等方面存在的技术难点，并对相关3D打印电磁功能結构发展趋势进行了展望。

1 三维打印类型分类

3D打印基本原理是首先将3D模型进行切片处理，再以逐层累积方式实现三维结构样件的制造（见图1）。

根据美国材料与试验协会（ASTM）3D打印技术委员会标准，非金属复合材料3D打印技术主要分为熔融沉积成形（FDM）、选择性激光烧结成形（SLS）、立体光刻成形（SLA）、喷墨打印（IJP）以及挤出直写打印（EDW）等。

2020年5月5日，中国首次完成太空“3D打印”[8]（见图2），这是全球首次实现连续碳纤维增强复合材料的太空3D打印，标志着FDM成形技术已经进入了全新实际工程应用的研究阶段。

FDM成形技术优点是操作简单、低成本，耗材主要为热塑性树脂及其复合材料等丝材。设备工作原理是将丝质材料加热融化，通过带有一个微细喷嘴（直径通常为0.2～ 0.6mm）的喷头，利用控制模块将打印材料定向喷挤，实现层层堆积，最终获得试验样件，如纤维增强复合吸波结构、超材料等样件（见图3）。

文献[9]中提及美国W. H. Charls最早提出了SLA成形技术，主要应用于民用手办模型、汽车等领域。SLA成形材料多为液态光敏树脂，其成形原理是利用激光光束按所规定的扫描路径来实现各层表面特定区域内液态光敏树脂固化，从而获得最终三维结构样件，精度高达±0.01mm（见图4）。现阶段，SLA成形技术主要用于三维全介质光子晶体。

IJP成形技术是一种无接触、无压力、无印版的全数字化技术，可实现在多种材料表面制备不同图案，其成形原理是利用热激发或压电效应，将打印墨水（沉积溶液）从喷头中挤压出来，精确喷射至设计区域，以层级构建后固化的方式实现二维/三维结构的制造（打印精度可实现20μm），如柔性吸波薄膜等（见图5）。此外，喷雾打印以及电流体打印等非接触打印技术能够实现更高精度的图案制备，喷嘴内径最小可至100nm，这类技术更适用于二维微纳图案制备。

EDW成形技术最早源于1998年美国圣地亚（sandia）国家重点实验室J. Cesarano等提出的自动注浆成形技术，起初主要是针对陶瓷基三维成形技术，随后衍生出柔性树脂基、纤维增强基三维结构成形。与FDM对比，EDW成形3D打印材料选择自由度高，可以是固体丝材、颗粒或是一类高黏度液体浆料。这种浆料储存于与喷头相连的料筒中，利用计算机控制系统完成三维运动，通过机械/气动压力实现浆料在打印平台上的预成形（见图6）。通过对喷嘴设计，EDW也可以实现高精微纳尺度三维结构制造，如柔性超材料、柔性吸波贴片以及镂空吸波结构样件等。

2 3D打印电磁功能结构研究进展

3D打印电磁功能结构属于一类多学科交叉融合性的研究。近年来，国内外研究学者围绕3D打印电磁功能结构的新技术、新材料、新结构与新工艺等方面展开了深入研究，以进一步提高电磁功能结构的先进制造技术水平，提升其实际应用价值。

2.1 新技术

通常情况下，商业3D打印设备均配备专用打印材料，以保证打印结构样件的成形精度。近年来，由于复合材料在工程应用中的需求不断多元化，导致现阶段商用打印设备无法满足功能零部件的需求。因此，国外研究人员围绕现阶段问题展开了对基于非金属复合材料的3D打印设备开发工作，如美国MarkOne 3D打印机（见图7），一个喷嘴用于沉积尼龙（PA）材料[10]，另一个用于打印纤维增强材料[11-14]。其中，沉积PA喷嘴对结构样件的完整性起到关键作用，通过对结构样件每层材料进行配比设计和对打印工艺进行调整来增加PA与纤维的浸润面积，从而提高整体打印样件的力学性能。

美国哈佛大学工程与应用科学学院R. R. Jordan等[15]提出一种“旋转3D打印喷头”，通过对喷嘴速度和旋转速率进行精确设计，从而实现对聚合物基质中纤维排列进行编程（见图8）。经试验表明，旋转打印头比非旋转喷头有助于样件具有更优异的拉伸强度（见图9）。这项技术有望未来应用于高性能电磁镂空结构样件的制造。

此外，美国D.Kokkinis等[16]提出了一种基于四喷头磁驱动复合材料3D打印技术，利用磁极化方向调控复合材料中磁性纳米粒子的分布，从而实现各项异性磁性纳米粒子的定向排布，如图10所示。

常用的除了上述PA（ABS）/连续纤维增强复合材料以外，意大利米兰理工大学M.Invernizzi等[17]利用紫外线（UV）辅助FDM成形技术实现了纤维增强机翼及船桨等零部件（见图 11）。其中，图11（a）为机翼数模，图11（b）为船桨数模，图11（c）～图11（f）为相关玻璃/碳纤维增强结构机翼样件，图11（g）～图11（h）为相关玻璃/碳纤维增强结构船桨样件。

整个打印过程温度可控制到140oC，有效地实现了低温固化的快速制备工艺。

国内方面，目前可用于制备电磁功能结构的商用3D打印设备供应商（包括上海复志、湖南华曙高科、陕西聚高科技、厦门威斯坦等）大多限于短切纤维增强热塑性样件制备；基于3D打印连续纤维增强样件制备现阶段正处于研发阶段，如西安交通大学、西北工业大学、南京航空航天大学、北京理工大学、中南大学以及中科院等国内科研院所及相关高校。Tian等[18]通过3D打印设备将连续纤维与热塑性树脂材料以共挤出成形方式，制备了高性能连续纤维增强热塑性复合材料（见图12）。

2.2 新材料

随着功能零部件需求的不断升级，聚醚醚酮（PEEK）[19-24]、聚四氟乙烯（PTFE）[25-26]等高分子材料因其优异的机械性能以及耐酸碱、耐温、透波性等在航空航天领域也备受关注，如Impossible Objects公司发展了一种高性能碳纤维增强PEEK 3D打印制造技术。该技术得到的结构样件具有质轻（比传统铝制品减重约50%）、高强度（保持铝75%刚性）以及耐高温（可承受250oC以上）特性。2014年牛津性能材料（OPM）公司研制出一种3D打印材料OXFAB-N，并首次应用于航空航天领域[27]。

此外，碳纤维增强复合材料不仅满足一定的承载能力，还具有较高导电性，属于电磁功能结构中最常见的一类。美国得克萨斯理工大学Ning等[28]通過分析碳纤维含量对3D打印ABS/碳纤维复合材料的孔隙率以及力学性能的影响，结果发现结构样件的孔隙率随纤维含量的增加而增大；结构样件的拉伸强度随纤维含量的增加呈增长后下降趋势（见图13）。当纤维含量达到质量分数7%时，拉伸强度高达43MPa；当纤维含量为质量分数10%时，孔隙率达到最大值。

此外，K. Chizari等[29]研制出了一种基于PLA/CNT的导电墨水（电导率可实现5000S/m）并利用直径200μm的3D打印喷嘴制备了具有电磁屏蔽性能的网栅结构（见图14）。

河北科技大学Ma等[30]也利用EDW 3D打印技术制备了硅酸盐水泥/铜基平板结构（见图15）。经试验对比及性能测试结果可以看出，以质量分数25%铜屑与质量分数6%铜粉作为填料时，整体结构样件在1～18GHz内可实现3.38GHz带宽。

Meng等[31]通过对3D打印碳化硅（SiC）/石英陶瓷多孔吸波材料的研究，结果表明该材料的电性能随烧结温度增加而降低，当环境温度为800℃时，结构样件仍可实现优异的电磁吸收效果。

2.3 新结构新工艺

近年来，电磁功能结构设计与制造也成为研究学者关注的热门话题，如FSS结构、超材料以及电磁蜂窝结构等。由于上述结构具有单元周期尺寸小、复杂镂空等特点，导致传统工艺加工难度大，而3D打印技术替代传统制造工艺或与传统工艺相结合，可实现复杂电磁功能结构样件的制备，如日本岗山大学I. Atsushi等[32]利用FDM成形工艺结合选择性电镀工艺研制了一类基于银-聚乳酸（Ag/PLA）型环状FSS结构（见图16）。其中，该试验利用Sn2+与Ag+的氧化还原反应，实现了PLA材料表面电镀35μm银膜。经测试结果表明，当电磁波入射角度为90o时，基于Ag/PLA基材的开口环状FSS结构可实现4.0～7.0GHz频段内90%以上透波率。

韩国中央大学Lim等[33] 利用FDM成形技术研制了一款基于PLA/导电银浆的超薄、轻质十字阶梯型耶路撒冷FSS结构。其中，通过调控阶梯层数能够定向调控吸收频段以及吸收率，如图17（a）所示。经模拟仿真与测试验证表明，基于三层十字阶梯型FSS结构在5.18GHz频点处能够实现最大吸收率（99.8%），并且整体结构样件对入射波极化具有不敏感性，如图17（b）所示。

除了3D打印FSS类电磁功能结构外，Lleshi等[34]将FDM成形3D打印技术应用于金属基电磁超材料制备，研制出一款铜基超材料，如图18所示。通过对该超材料工作频段进行调控设计，实现了该结构在7.6～17.4GHz频段内吸收率大于90%的吸收效果。但是由于3D打印成形工艺精度不理想，导致超材料外形缺陷较多。

与平板吸波结构相比，电磁蜂窝结构因其轻质、高模量以及优异的电磁性能被看作最具有工程应用价值的一类电磁功能结构。3D打印电磁蜂窝结构是一次全新的技术与材料革新，它解决了传统工艺中多流程浸渍过程，实现了电磁蜂窝结构的高效、低成本制造，但是目前3D打印吸波蜂窝的体密度仍较大。

Vincent等[35]通过以PLA/炭黑作为基材，利用FDM成形工艺制备了多尺度吸波蜂窝结构（见图19）。研究结果表明，FDM成形工艺能够实现传统制造工艺难以制备的复杂高性能蜂窝拓扑结构设计，且这类吸波蜂窝结构能够在12.5～18GHz内比传统蜂窝结构具有更优异的电磁吸收效果。

目前，国內基于3D打印电磁功能结构的研究机构主要有北京航空航天大学、南京航空航天大学、哈尔滨工业大学、西北工业大学、西安交通大学、空军工程大学、国防科技大学，以及其他相关科研机构，涉及的结构类型包括蜂窝芯结构、平板结构、光子晶体、FSS结构等。空军工程大学Jiang等[36]结合FDM成形技术与丝网印刷技术制备了轻质蜂窝结构，如图20所示。通过在3D打印PLA蜂窝壁上印刷碳层，实现了三维轻质蜂窝芯材结构（密度为0.255g/cm3）在3.53～24GHz频段内强吸收效果（吸收率>90%），提高了TM极化条件下斜入射角（0～70°）的吸波性能。西安电子科技大学Huang等[37]建立在打印墨水研发基础上，优化了硅基纳米陶瓷基喷墨3D打印工艺，实现了低介电常数、低介电损耗型耐高温（<400oC）陶瓷薄膜的制备（见图21）。西安交通大学Yin等[38]利用光固化SLA成形工艺首次制造了基于木堆堆积单元结构的SLA光子晶体，可实现Ku波段较好的电磁吸收性能（见图22）。

此外，Tian等[39]也利用相同单元堆积结构形式设计了一款雷达吸波体，通过SLA成形3D打印技术实现了超材料样件制备。经测试结果表明，该吸波体在12～18GHz内具有90%以上吸收率（见图23）。

3 总结与展望

当前，3D打印技术优势在于可实现复杂异型构件的高精高效、低成本快速制造，但是国内外针对3D打印电磁功能结构的研究仍处于前沿探索阶段，在以下几个方面仍存在共性技术难点，具体如下：

（1）电磁特性打印材料种类局限性。目前商用3D打印材料大多为PA、PLA、ABS以及PEEK及其短切碳纤/短切玻纤等复合物，这些材料大多表现为电磁吸收能力差且吸收带宽窄等特点，难以直接满足轻质、宽频、强吸收及其他多功能要求。

（2）大尺寸复杂电磁功能平面/曲面结构样件3D打印精度局限性。电磁功能结构因其材料的多样性，导致单一PLA/ ABS/PA/PEEK等材料难以满足需求。因此，现有工业3D打印设备也难以直接实现基于多样性打印材料的结构样件高精度加工，通常需要设备与材料的个性化定制。此外，针对复杂镂空结构的高精度3D打印制造也具有一定挑战性。

（3）缺少试验样件的全面综合分析。当前3D打印电磁功能结构的研究主要集中于成形工艺与性能方面，但对于材料的微观结构检测以及其他服役性方面探究较少，不利于该类电磁功能结构在未来工程领域中的应用。

未来电磁功能结构3D打印技术将以功能需求为导向，利用3D打印技术可实现复杂结构、非金属复合材料快速制造的优势，通过对材料、结构以及工艺等方面进行优化，促进高精高效、多功能电磁功能结构的制造。

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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