电磁屏蔽的硅橡胶网格液态金属复合材料结构及制造方法
阅读说明：本技术 电磁屏蔽的硅橡胶网格液态金属复合材料结构及制造方法 (Electromagnetic shielding silicon rubber grid liquid metal composite material structure and manufacturing method thereof ) 是由 王震宇 夏栩婷 朱萌 张行乐 刘禹 姜晶 于 2021-08-10 设计创作，主要内容包括：本发明涉及电磁屏蔽的硅橡胶网格液态金属复合材料结构及制造方法,包括底板,所述底板的上表面设置有主体网格结构,所述主体网格结构的空隙内渗入有液态金属,所述主体网格结构的外围设置有网格围壁,所述主体网格结构的顶面设置有顶板,主体网格结构。通过以超弹性硅橡胶网格作为支撑结构,并采用液态金属在硅橡胶网格内部建立三维连通的液态导电通路,在静态大应变拉伸与循环拉伸的变形条件下仍然可以保证较高的电磁屏蔽效能,解决了现有技术中外部变形下电磁屏蔽性能不稳定性、加入导电填料后柔性下降、制造工艺复杂的弊端,具有制造工艺简单以及性能可靠性获得极大提高的优势。(The invention relates to an electromagnetic shielding silicon rubber grid liquid metal composite material structure and a manufacturing method thereof. By using the hyperelastic silicon rubber grid as a supporting structure and adopting the liquid metal to establish the three-dimensionally communicated liquid conductive path in the silicon rubber grid, higher electromagnetic shielding efficiency can be still ensured under the deformation conditions of static large-strain stretching and cyclic stretching, the defects of unstable electromagnetic shielding performance under external deformation, reduced flexibility after the conductive filler is added and complex manufacturing process in the prior art are overcome, and the advantages of simple manufacturing process and greatly improved performance reliability are achieved.)
技术领域
本发明涉及柔性复合材料3D打印技术领域，尤其是一种电磁屏蔽的硅橡胶网格液态金属复合材料结构及制造方法。
背景技术
随着科学技术的不断进步，电子电气设备带来的电磁污染和电磁干扰问题日益严重，因此研发电磁屏蔽材料在民用和军事领域均具有重要价值。然而随着电子设备向柔性、便携式方向发展，传统的刚性电磁屏蔽材料已无法满足使用要求，这就要求新一代的电磁屏蔽材料在具备优异电磁屏蔽性能的同时也需要具有柔性、轻质、易加工等优点。对于柔性电子设备，其使用过程中往往需要承受较大的外部载荷以及复杂变形，这通常会使得材料发生难以预估的损害从而导致电磁屏蔽效能的下降。
目前，电磁屏蔽复合材料主要存在以下局限性：
(1)复合材料的导电填料通常为金属系或碳系等，这些填料虽然可以有效提升复合材料的导电和电磁屏蔽性能，但随着填料含量的增加，复合材料的柔性和可拉伸性将出现急剧下降；
(2)现有电磁屏蔽复合材料的制备方法通常需要复杂的分散工艺，制备周期较长，且难以满足用户日益增长的个性化定制需求；
(3)在外部大变形的条件下，传统刚性导电填料难以与弹性基体协同变形，在材料内部产生滑移，致使导电网络结构变化，从而导致电磁屏蔽效力下降/不稳定，无法满足正常的功能需求。
发明内容
本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种电磁屏蔽的硅橡胶网格液态金属复合材料结构及制造方法，从而可以保证复合材料的性能，满足使用要求，加工简便。
本发明所采用的技术方案如下：
一种电磁屏蔽的硅橡胶网格液态金属复合材料结构，包括底板，所述底板的上表面设置有主体网格结构，所述主体网格结构的空隙内渗入有液态金属，所述主体网格结构的外围设置有网格围壁，所述主体网格结构的顶面设置有顶板，主体网格结构。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述顶板和底板通过硅橡胶制造。
一种电磁屏蔽的硅橡胶网格液态金属复合材料结构的制造方法，包括如下步骤：
第一步：准备硅片；
第二步：将硅片浸没在氟化硅烷溶液中静置一天，然后将硅片取出并在通风处将残余溶液晾干，以作为打印基底；
第三步：准备并排设置的第一挤出机构和第二挤出机构，第一挤出机构的输出口设置有第一喷头，第二挤出机构的输出口设置有第二喷头，第一挤出机构的入口处设置有第一连接管，第二挤出机构的入口处设置有第二连接管；
第四步：将硅橡胶装入第一挤出机构中，镓铟锡合金装入第二挤出机构；
第五步：将第一连接管和第二连接管分别与外部气源连接；
第六步：用三维建模软件对主体网格结构建立模型并导入切片软件，
第七步：设置第一挤出机构的气压为22psi，喷头以7mm/s的速度将底板打印在基底上，然后在底板上依次打印主体网格结构和网格围壁；
第八步：设置第二挤出机构的气压为20psi，喷头以1mm/s的速度将占复合材料5wt％-50wt％的液态金属打印在主体网格结构上；
第九步：将第八步中制备的结构放置在真空烘箱中，抽真空30分钟；
第十步：设置第一挤出机构的气压为22psi，喷头以7mm/s的速度将顶层硅橡胶打印在主体网格结构上方，形成顶板；
第十一步：预制好复合材料；
第十一步：将制备的复合材料放入在150℃烘箱中固化30分钟；
第十二步：取出复合材料，并将硅片分离；
第十三步：得到最终产品；
第十四步：完成。
作为上述技术方案的进一步改进：
第二步中，氟化硅烷溶液是体积分数为1％的乙醇溶液。
硅橡胶为道康宁SE1700硅胶、道康宁SE1700固化剂、三丁炔一醇按照100：10：1的比例混合均匀的液体。
第三步中，第一喷头和第二喷头的内径均为250μm。
第六步中，在切片软件中进行如下设置：底板、网格外壁、顶板的每层厚度为0.25mm，线中心距为0.25mm，主体网格结构每层厚度为0.25mm，线中心距为0.5mm。
本发明的有益效果如下：
本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过以超弹性硅橡胶网格作为支撑结构，并采用液态金属在硅橡胶网格内部建立三维连通的液态导电通路，在静态大应变拉伸与循环拉伸的变形条件下仍然可以保证较高的电磁屏蔽效能，解决了现有技术中外部变形下电磁屏蔽性能不稳定性、加入导电填料后柔性下降、制造工艺复杂的弊端，具有制造工艺简单以及性能可靠性获得极大提高的优势。
本发明采用超弹性、规则内部孔结构的硅橡胶网格作为基体，并在其内部构筑三维连通、液态的镓铟锡合金导电通路，不仅大大提升材料的柔性，而且保证了材料在拉伸、弯曲、扭转等外部变形下的导电和电磁屏蔽性能的稳定性
本发明通过双材料3D打印的工艺，首先打印硅橡胶网格(包括底层硅橡胶、主体网格结构、网格外壁、顶层硅橡胶)，其次向硅橡胶网格内部打印液态金属液滴，并利用抽取真空的方法将液态金属完全填充在各个网格内部，从而完成整个复合材料结构的制造。
附图说明
图1为本发明复合材料的结构示意图。
图2为本发明符合材料的爆炸图。
图3为本发明工艺步骤中的结构示意图(一)。
图4为本发明工艺步骤中的结构示意图(二)。
图5为本发明工艺步骤中的结构示意图(三)。
图6为本发明工艺步骤中的结构示意图(四)。
图7为本发明在不同程度拉伸变形下的电磁屏蔽效能效果图。
其中：1、顶板；2、网格外壁；3、底板；4、主体网格结构；5、液态金属；6、第一挤出机；7、第二挤出机；
601、第一连接管；602、第一喷头；
701、第二连接管；702、第二喷头。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
如图1-图7所示，本实施例的电磁屏蔽的硅橡胶网格液态金属复合材料结构，包括底板3，底板3的上表面设置有主体网格结构4，主体网格结构4的空隙内渗入有液态金属5，主体网格结构4的外围设置有网格围壁2，主体网格结构4的顶面设置有顶板1，主体网格结构4。
顶板1和底板3通过硅橡胶制造。
本实施例的电磁屏蔽的硅橡胶网格液态金属复合材料结构的制造方法，包括如下步骤：
第一步：准备硅片；
第二步：将硅片浸没在氟化硅烷溶液中静置一天，然后将硅片取出并在通风处将残余溶液晾干，以作为打印基底；
第三步：准备并排设置的第一挤出机构6和第二挤出机构7，第一挤出机构6的输出口设置有第一喷头601，第二挤出机构7的输出口设置有第二喷头602，第一挤出机构6的入口处设置有第一连接管601，第二挤出机构7的入口处设置有第二连接管701；
第四步：将硅橡胶装入第一挤出机构6中，镓铟锡合金装入第二挤出机构7；
第五步：将第一连接管601和第二连接管701分别与外部气源连接；
第六步：用三维建模软件对主体网格结构4建立模型并导入切片软件，
第七步：设置第一挤出机构6的气压为22psi，喷头以7mm/s的速度将底板3打印在基底上，然后在底板3上依次打印主体网格结构4和网格围壁2；
第八步：设置第二挤出机构7的气压为20psi，喷头以1mm/s的速度将占复合材料5wt％-50wt％的液态金属打印在主体网格结构4上；
第九步：将第八步中制备的结构放置在真空烘箱中，抽真空30分钟；
第十步：设置第一挤出机构6的气压为22psi，喷头以7mm/s的速度将顶层硅橡胶打印在主体网格结构4上方，形成顶板1；
第十一步：预制好复合材料；
第十一步：将制备的复合材料放入在150℃烘箱中固化30分钟；
第十二步：取出复合材料，并将硅片分离；
第十三步：得到最终产品；
第十四步：完成。
第二步中，氟化硅烷溶液是体积分数为1％的乙醇溶液。
硅橡胶为道康宁SE1700硅胶、道康宁SE1700固化剂、三丁炔一醇按照100：10：1的比例混合均匀的液体。
第三步中，第一喷头602和第二喷头702的内径均为250μm。
第六步中，在切片软件中进行如下设置：底板3、网格外壁2、顶板1的每层厚度为0.25mm，线中心距为0.25mm，主体网格结构4每层厚度为0.25mm，线中心距为0.5mm。
硅橡胶网格线条直径为100～600μm
打印材料为热固性或热塑性硅橡胶中的一种或多种。
填充材料为液态金属中的一种或多种。
底层硅橡胶、网格外壁、顶层硅橡胶为线条间距为0的实体，网格主体为四层或四层以上的纤维阵列结构，相邻层纤维阵列结构彼此相互交叉，夹角为α，0°＜α≤90°。
实施例一：
电磁屏蔽的硅橡胶网格液态金属复合材料结构的制造方法，步骤如下：
(一)将硅片浸没积分数为1％的氟化硅烷的乙醇溶液中静置一天，然后将硅片取出并在通风处将残余溶液晾干，以作为本实施例的打印基底；
(二)将道康宁SE1700硅胶、道康宁SE1700固化剂、三丁炔一醇按照100：10：1的比例混合均匀并装入第一挤出机构6；
(三)将镓铟锡合金装入第二挤出机构7；
(四)将第一挤出机构6、第二挤出机构7分别与各自的喷头连接，喷头内径均为250μm；
(五)将第一挤出机构6、第二挤出机构7与外部气源连接；
(六)用三维建模软件对硅橡胶网格结构建立模型并导入切片软件，在切片软件中进行如下设置：底层硅橡胶、网格外壁、顶层硅橡胶每层厚度为0.25mm，线中心距为0.25mm，主体网格结构每层厚度为0.25mm，线中心距为0.5mm；
(七)设置硅橡胶挤出机构气压为22psi，喷头以7mm/s的速度将底层硅橡胶、网格主体结构、网格外壁打印在基底上；
(八)设置液态金属挤出机构气压为20psi，喷头以1mm/s的速度将占复合材料10wt％的液态金属打印在硅橡胶网格上；
(九)将制备的结构放置在真空烘箱中，抽真空30分钟；
(十)设置硅橡胶挤出机构气压为22psi，喷头以7mm/s的速度将顶层硅橡胶打印在硅橡胶网格上；
(十一)将制备的硅橡胶网格/液态金属复合材料在150℃烘箱中固化30分钟；
(十二)在该实施例中，硅橡胶网格/液态金属复合材料的电导率为7.5×10-3S/m，在X波段的电磁屏蔽效能为20dB，在100％拉伸情况下的电磁屏蔽效能变化率为15％；
实施例二：
电磁屏蔽的硅橡胶网格液态金属复合材料结构的制造方法，步骤如下：
(一)将硅片浸没积分数为1％的氟化硅烷的乙醇溶液中静置一天，然后将硅片取出并在通风处将残余溶液晾干，以作为本实施例的打印基底；
(二)将道康宁SE1700硅胶、道康宁SE1700固化剂、三丁炔一醇按照100：10：1的比例混合均匀并装入第一挤出机构6；
(三)将镓铟锡合金装入第二挤出机构7；
(四)将第一挤出机构6、第二挤出机构7与喷头连接，喷头内径均为250μm；
(五)将第一挤出机构6、第二挤出机构7与外部气源连接；
(六)用三维建模软件对硅橡胶网格结构建立模型并导入切片软件，在切片软件中进行如下设置：底层硅橡胶、网格外壁、顶层硅橡胶每层厚度为0.25mm，线中心距为0.25mm，主体网格结构每层厚度为0.25mm，线中心距为0.5mm；
(七)设置硅橡胶挤出机构气压为22psi，喷头以7mm/s的速度将底层硅橡胶、网格主体结构、网格外壁打印在基底上；
(八)设置液态金属挤出机构气压为20psi，喷头以1mm/s的速度将占复合材料15wt％的液态金属打印在硅橡胶网格上；
(九)将制备的结构放置在真空烘箱中，抽真空30分钟；
(十)设置硅橡胶挤出机构气压为22psi，喷头以7mm/s的速度将顶层硅橡胶打印在硅橡胶网格上；
(十一)将制备的产品在150℃烘箱中固化30分钟；
(十二)在该实施例中，硅橡胶网格/液态金属复合材料的电导率为7×103S/m，在X波段的电磁屏蔽效能为37dB，在100％拉伸情况下的电磁屏蔽效能变化率在2％以内。
实施例三：
电磁屏蔽的硅橡胶网格液态金属复合材料结构的制造方法，步骤如下：
(一)将硅片浸没积分数为1％的氟化硅烷的乙醇溶液中静置一天，然后将硅片取出并在通风处将残余溶液晾干，以作为本实施例的打印基底；
(二)将道康宁SE1700硅胶、道康宁SE1700固化剂、三丁炔一醇按照100：10：1的比例混合均匀并装入第一挤出机构6；
(三)将镓铟锡合金装入第二挤出机构7；
(四)将第一挤出机构6、第二挤出机构7与喷头连接，喷头内径均为250μm；
(五)将第一挤出机构6、第二挤出机构7与外部气源连接；
(六)用三维建模软件对硅橡胶网格结构建立模型并导入切片软件，在切片软件中进行如下设置：底层硅橡胶、网格外壁、顶层硅橡胶每层厚度为0.25mm，线中心距为0.25mm，主体网格结构每层厚度为0.25mm，线中心距为0.5mm；
(七)设置硅橡胶挤出机构气压为22psi，喷头以7mm/s的速度将底层硅橡胶、网格主体结构、网格外壁打印在基底上；
(八)设置液态金属挤出机构气压为20psi，喷头以1mm/s的速度将占复合材料5wt％的液态金属打印在硅橡胶网格上；
(九)将制备的结构放置在真空烘箱中，抽真空30分钟；
(十)设置硅橡胶挤出机构气压为22psi，喷头以7mm/s的速度将顶层硅橡胶打印在硅橡胶网格上；
(十一)将制备的产品在150℃烘箱中固化30分钟；
(十二)在该实施例中，硅橡胶网格/液态金属复合材料的电导率为6×10-4S/m，在X波段的电磁屏蔽效能为15dB，在100％拉伸情况下的电磁屏蔽效能变化率为30％。
实施例四：
电磁屏蔽的硅橡胶网格液态金属复合材料结构的制造方法，步骤如下：
(一)将硅片浸没积分数为1％的氟化硅烷的乙醇溶液中静置一天，然后将硅片取出并在通风处将残余溶液晾干，以作为本实施例的打印基底；
(二)将道康宁SE1700硅胶、道康宁SE1700固化剂、三丁炔一醇按照100：10：1的比例混合均匀并装入第一挤出机构6；
(三)将镓铟锡合金装入第二挤出机构7；
(四)将第一挤出机构6、第二挤出机构7与喷头连接，喷头内径均为250μm；
(五)将第一挤出机构6、第二挤出机构7与外部气源连接；
(六)用三维建模软件对硅橡胶网格结构建立模型并导入切片软件，在切片软件中进行如下设置：底层硅橡胶、网格外壁、顶层硅橡胶每层厚度为0.25mm，线中心距为0.25mm，主体网格结构每层厚度为0.25mm，线中心距为0.5mm；
(七)设置硅橡胶挤出机构气压为22psi，喷头以7mm/s的速度将底层硅橡胶、网格主体结构、网格外壁打印在基底上；
(八)设置液态金属挤出机构气压为20psi，喷头以1mm/s的速度将占复合材料50wt％的液态金属打印在硅橡胶网格上；
(九)将制备的结构放置在真空烘箱中，抽真空30分钟；
(十)设置硅橡胶挤出机构气压为22psi，喷头以7mm/s的速度将顶层硅橡胶打印在硅橡胶网格上；
(十一)将制备的产品在150℃烘箱中固化30分钟；
(十二)在该实施例中，硅橡胶网格/液态金属复合材料的电导率为6×104S/m，在X波段的电磁屏蔽效能为65dB，在100％拉伸情况下的电磁屏蔽效能变化率在2％以内。
本发明用于可拉伸电磁屏蔽的硅橡胶网格/液态金属固液两相复合结构，通过双材料打印的工艺一体化成形制造，其中硅橡胶网格(包括底层硅橡胶、主体网格结构、网格外壁、顶层硅橡胶)由硅橡胶材料打印，内部液态金属填充由镓铟锡合金打印。底层硅橡胶、网格外壁、顶层硅橡胶为线条间距为0的实体，网格主体为四层或四层以上的纤维阵列结构，相邻层纤维阵列结构彼此相互交叉，而内部液态金属通过3D打印工艺均匀填充至硅橡胶网格结构内部。该种复合结构兼备硅橡胶网格的优异可拉伸性与液态金属的导电性，并且在外部复杂大变形条件下可以保证较高的导电性和电磁屏蔽性能。不同于传统的电磁屏蔽材料制造工艺，本发明避免了现有技术中复杂繁琐的混合分散工艺，解决了现有电磁屏蔽复合材料在导电填料加入后力学性能下降以及在外部复杂大变形条件下导电和电磁屏蔽效能不稳定的问题。同时，本发明提供的用于可拉伸电磁屏蔽的硅橡胶网格/液态金属复合材料诠释了全新的复合材料体系，具有成形精度高、结构和性能可定制化、可大批量制造等诸多优点。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。
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