一种基于3d打印光子晶体的制备方法、光子晶体
阅读说明：本技术 一种基于3d打印光子晶体的制备方法、光子晶体 (Preparation method of photonic crystal based on 3D printing and photonic crystal ) 是由 朱朋飞 李勃 张伟喆 秦政 陈劲 于 2021-07-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于3D打印光子晶体及其制备方法,所述制备方法包括以下步骤：S1、制备浆料,所述浆料的弹性模量大于粘性模量,且具有粘弹逆变性,所述浆料由聚二甲基硅氧烷和陶瓷材料制成,其中,所述浆料分为浆料A和浆料B,浆料A的介电常数不等于浆料B的介电常数；S2、采用无膜直写3D打印设备将浆料A形成第一晶体层,将浆料B形成第二晶体层,其中,所述第一晶体层和第二晶体层堆叠形成木堆结构,得到光子晶体半成品；S3、将光子晶体半成品进行固化,得到光子晶体。本发明的制备方法,工艺简单,制备所得的光子晶体精度高,可实现不同频段太赫兹波的隐身,应用的波段可在10GHz～10THz范围。(The invention discloses a photonic crystal based on 3D printing and a preparation method thereof, wherein the preparation method comprises the following steps: s1, preparing a slurry, wherein the elastic modulus of the slurry is greater than the viscous modulus, the slurry has visco-elastic inverse transformation performance, the slurry is made of polydimethylsiloxane and a ceramic material, the slurry is divided into a slurry A and a slurry B, and the dielectric constant of the slurry A is not equal to that of the slurry B; s2, forming a first crystal layer from the slurry A and a second crystal layer from the slurry B by adopting a film-free direct-writing 3D printing device, wherein the first crystal layer and the second crystal layer are stacked to form a wood stack structure, and a photonic crystal semi-finished product is obtained; and S3, curing the photonic crystal semi-finished product to obtain the photonic crystal. The preparation method provided by the invention is simple in process, the prepared photonic crystal is high in precision, the stealth of terahertz waves of different frequency bands can be realized, and the applied wave band can be in the range of 10 GHz-10 THz.)
技术领域
本发明涉及光子晶体技术领域，尤其涉及一种基于3D打印光子晶体的制备方法、光子晶体。
背景技术
太赫兹(THz)波是指频率为：0.1THz～10THz，波长范围为：30μm～3mm的电磁波，太赫兹波具有兼有微波和光波的“双重特性”，即类似微波的穿透能力和类似光波的方向性，相对于其他波段的电磁波具有非常强的互补特征。与微波、毫米波相比，THz探测技术可以获得更高的分辨率，具有突出的抗干扰能力和独特的反隐身能力；与激光相比，THz技术具有视场范围宽、搜索能力好、适用于恶劣气象条件等优点。
光子晶体是一种光子带隙的周期性介质超材料结构，光子晶体的光子带隙特性可以方便的操控电磁波的传播。为了实现对THz波段的调控，光子晶体的尺寸要与THz波相当，实现该尺度光子晶体的尺寸的制备，传统加工的方式难以满足。
中国专利CN201110406205.6公开的一种多介质耦合三维光子晶体的制备方法，该方法采用凝胶注模法制备多介质的耦合光子晶体，在每相邻的长柱体分别注入两种不同的介质材料，上层对应的长柱体和下层对应的长柱体相互连通。该方法要先形成木堆结构的长柱体壳体，然后在注入不同的介质材料，工艺复杂，所制得的光子晶体精度低；此外，该方法所形成的长柱体宽度难以达到微米级，对应注入的介质材料在成型后形成的介质棒的宽度也难以达到微米级，因此该方法制得的光子晶体应用的波段只能在1GHz以下。
无模直写技术适用于各种陶瓷、金属、高分子以及生物材料的直写打印。在这些材料的打印过程中，首先需要将这些材料配置成具有一定粘度的浆料(Ink)，这些浆料被装在直写打印机的料筒中(墨盒中)，通过一定的外加压力，将浆料从料筒底部的针头处挤出，根据三维移动平台运动，逐渐堆积成一定形状结构的三维物体。
如何保证这些具有一定粘度的浆料在直写打印的过程中在压力的调节作用下可以从针头流动挤出，又可以在挤出之后，能够保持浆料的静止状态而不流动坍塌，是无模直写3D打印技术的研究重点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于3D打印光子晶体的制备方法，工艺简单，制备所得的光子晶体精度高，可实现不同频段太赫兹波的隐身和调制，应用的波段可在10GHz～10THz范围。
本发明还要解决的技术问题在于，提供一种基于3D打印光子晶体的制备方法，包括以下步骤：
S1、制备浆料，所述浆料的弹性模量大于粘性模量，且具有粘弹逆变性，所述浆料由聚二甲基硅氧烷和陶瓷材料制成，其中，所述浆料分为浆料A和浆料B，浆料A的介电常数不等于浆料B的介电常数；
S2、采用无膜直写3D打印设备将浆料A形成第一晶体层，将浆料B形成第二晶体层，其中，所述第一晶体层和第二晶体层堆叠形成木堆结构，得到光子晶体半成品；
S3、将光子晶体半成品进行固化，得到光子晶体。
作为上述方案的改进，所述第一晶体层由多根第一介质棒组成，所述第二晶体层由多根第二介质棒组成，所述第一介质棒的直径为100～500μm，相邻第一介质棒的间距为300～700μm，所述第二介质棒的直径为100～500μm，相邻第二介质棒的间距为300～700μm。
作为上述方案的改进，步骤S2中，将浆料装入无膜直写3D打印设备的料筒中，将无膜直写3D打印设备的工作输入气压设为480～580Kpa，工作气体输出设为10～100psi。
作为上述方案的改进，所述无膜直写3D打印设备的工作输入气压为500～560Kpa，工作气体输出设为30～80psi。
作为上述方案的改进，所述陶瓷材料为钛酸钡和/或氧化锆；
若浆料A中陶瓷材料的种类与浆料B中陶瓷材料的种类相同，则浆料A中陶瓷材料的含量大于或小于浆料B中陶瓷材料的含量，以获得介电常数不同的浆料A和浆料B；或者，
若浆料A中陶瓷材料的种类与浆料B中陶瓷材料的种类不相同，则浆料A中陶瓷材料的含量等于浆料B中陶瓷材料的含量，以获得介电常数不同的浆料A和浆料B。
作为上述方案的改进，浆料A中的陶瓷材料和浆料B中的陶瓷材料均为钛酸钡，其中，浆料A中钛酸钡的含量大于或小于浆料B中钛酸钡的含量，以获得介电常数不同的浆料A和浆料B。
作为上述方案的改进，浆料A中钛酸钡的质量分数为20％～50％，浆料B中钛酸钡的质量分数为30％～60％。
作为上述方案的改进，所述钛酸钡的平均粒径＜100nm，密度为6.08g/cm3。
作为上述方案的改进，所述第一晶体层和第二晶体层的总层数为4～12层，其中，第一晶体层和第二晶体层的堆叠方式为ABAB或AABB。
相应地，本发明还提供了一种光子晶体，包括第一晶体层和第二晶体层，所述第一晶体层和第二晶体层堆叠形成木堆结构；其中，所述第一晶体层由多根第一介质棒组成，所述第二晶体层由多根的第二介质棒组成，所述第一介质棒由浆料A制成，所述第二介质层由浆料B制成，所述浆料A和浆料B的弹性模量大于粘性模量，且具有粘弹逆变性，所述浆料A和浆料B均由聚二甲基硅氧烷和陶瓷材料制成，其中，浆料A的介电常数不等于浆料B的介电常数。
实施本发明，具有如下有益效果：
本发明弹性模量大于粘性模量，且具有粘弹逆变性的浆料才可以采用无模直写3D打印技术直写成型，且挤出之后保持细丝状不变，同时固化之后三维结构具有良好的柔性和延展性。
发明采用无模直写成型技术来制备光子晶体，不仅可以制备高精度的光子晶体，而且还能使组成光子晶体的介质棒达到微米级，这样可以提高光子晶体的应用波段范围。
本发明的光子晶体采用不同介电常数的浆料来制备，以实现对特定频段太赫波的隐身和调制；此外，本发明的光子晶体采用不同介电常数的浆料来制备，可以实现特定频段太赫波的散射，以实现对不同频段太赫波的隐身和调制。
附图说明
图1是本发明基于3D打印光子晶体的制备流程图；
图2是本发明基于3D打印光子晶体的立体图；
图3是本发明第一晶体层和第二晶体层的第一种堆叠方法；
图4是本发明第一晶体层和第二晶体层的第二种堆叠方法。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。仅此声明，本发明在文中出现或即将出现的上、下、左、右、前、后、内、外等方位用词，仅以本发明的附图为基准，其并不是对本发明的具体限定。
参见图1，本发明提供的一种基于3D打印光子晶体的制备方法，包括以下步骤：
S1、制备浆料，所述浆料的弹性模量大于粘性模量，且具有粘弹逆变性，所述浆料由聚二甲基硅氧烷和陶瓷材料制成，其中，所述浆料分为浆料A和浆料B，浆料A的介电常数不等于浆料B的介电常数；
本发明的光子晶体采用不同介电常数的浆料来制备，以实现对特定频段太赫波的隐身和调制；此外，本发明的光子晶体采用不同介电常数的浆料来制备，可以实现特定频段太赫波的散射，以实现对不同频段太赫波的隐身和调制。
需要说明的是，为了保证浆料可以进行无膜直写，以及浆料挤出后可以保持线条的形状而没有坍塌，浆料的弹性模量要大于粘性模量。若浆料的弹性模量要小于粘性模量，则浆料一直处于流动状态，无法保持木堆结构。此外，随着料筒里面压力的增加，当超过一定的压力值的时候，浆料可以从针头挤出，当浆料从针头挤出之后，受到的剪切压力就消失，浆料具有粘弹逆变性，弹性模量才可以回到了平台段(弹性模量要大于粘性模量)，浆料才可以保持挤出之后的细丝状不变。
由于聚二甲基硅氧烷具有剪切应力致粘弹逆变特性，因此本发明以聚二甲基硅氧烷作为浆料的基础材料，这样可以使浆料采用无模直写3D打印技术直写成型，同时固化之后三维结构具有良好的柔性和延展性。
但是聚二甲基硅氧烷在THz波段的介电常数较低，只有2左右，因此本发明选择介电常数较高的陶瓷材料均匀分散于聚二甲基硅氧烷中，制成浆料。本发明的光子晶体，由聚二甲基硅氧烷提供柔性变形能力，由陶瓷材料提供介电能力，以使本发明的光子晶体对THz波产生更好响应。
需要说明的是，聚二甲基硅氧烷的种类对浆料的性能起着重要的影响，具体的，聚二甲基硅氧烷的种类会影响浆料的弹性模量和粘性模量，从而影响浆料在打印之后是否可以保持线条的形状而没有坍塌。
优选的，聚二甲基硅氧烷的粘度为10000～50000，相对密度为0.971～0.978，介电常数为2.80～2.85。
此外，聚二甲基硅氧烷的种类也会影响陶瓷材料的分散效果，若聚二甲基硅氧烷的粘度大于50000，则陶瓷材料难以均匀分散其中；若聚二甲基硅氧烷的粘度小于10000，在浆料在打印之后是难以保持线条的形状而没有坍塌。
优选的，所述陶瓷材料为钛酸钡和/或氧化锆。为了进一步提高介质棒的质量，提高光子晶体的强布拉格散射，以及对特定波段的吸收，优选的，钛酸钡的平均粒径＜100nm，密度为6.08g/cm3。
其中，本发明可以通过调整陶瓷材料的含量和种类来制备介电常数不同的浆料A和浆料B。
例如，若本发明浆料A中陶瓷材料的种类与浆料B中陶瓷材料的种类相同，则可以通过调整浆料A中陶瓷材料的含量和B中陶瓷材料的含量来制备介电常数不同的浆料A和浆料B。或者，若浆料A中陶瓷材料的含量等于浆料B中陶瓷材料的含量，则浆料A中的陶瓷材料和浆料B中的陶瓷材料可以选择不同的种类来制备介电常数不同的浆料A和浆料B。
其中，若浆料A中的陶瓷材料为钛酸钡，浆料B中的陶瓷材料为钛酸钡，则浆料A中陶瓷材料的种类与浆料B中陶瓷材料的种类相同；或者，若浆料A中的陶瓷材料为氧化锆，浆料B中的陶瓷材料为氧化锆，则浆料A中陶瓷材料的种类与浆料B中陶瓷材料的种类相同；或者，若浆料A中的陶瓷材料为钛酸钡和氧化锆，浆料B中的陶瓷材料为钛酸钡和氧化锆，则浆料A中陶瓷材料的种类与浆料B中陶瓷材料的种类相同。
其中，若浆料A中的陶瓷材料为钛酸钡，浆料B中的陶瓷材料为氧化锆，则浆料A中陶瓷材料的种类与浆料B中陶瓷材料的种类不相同；或者，若浆料A中的陶瓷材料为氧化锆，浆料B中的陶瓷材料为钛酸钡和氧化锆，则浆料A中陶瓷材料的种类与浆料B中陶瓷材料的种类不相同；或者，若浆料A中的陶瓷材料为钛酸钡和氧化锆，浆料B中的陶瓷材料为钛酸钡，则浆料A中陶瓷材料的种类与浆料B中陶瓷材料的种类不相同。
具体的，浆料A中的陶瓷材料和浆料B中的陶瓷材料均为钛酸钡，则浆料A中的钛酸钡的含量大于或小于浆料B中的钛酸钡的含量，即可制得介电常数不同的浆料A和浆料B。
或者，浆料A中的陶瓷材料为钛酸钡，浆料B中的陶瓷材料为氧化锆，则浆料A中的钛酸钡等于浆料B中氧化锆的含量，也可制得介电常数不同的浆料A和浆料B。
需要说明的是，陶瓷材料的含量会影响浆料的粘度和模量，在浆料挤出针头时，为了保证相同的挤出速率，则需要更大的挤出压力，这样会影响介质棒的均匀性。优选的，浆料A和浆料B中，陶瓷材料的含量小于90％。
其中，本发明通过调整浆料A和浆料B中陶瓷材料的含量，可以进一步提高光子晶体的布拉格散射。优选的，浆料A中陶瓷材料的质量分数为20％～50％，浆料B中陶瓷材料的质量分数为30％～60％。
更优的，浆料A和浆料B中的陶瓷材料均为钛酸钡，浆料A中钛酸钡的质量分数为20％～50％，浆料B中钛酸钡的质量分数为30％～60％。
S2、采用无膜直写3D打印设备将浆料A形成第一晶体层，将浆料B形成第二晶体层，其中，所述第一晶体层和第二晶体层堆叠形成木堆结构，得到光子晶体半成品；
具体的，参见图2，采用无膜直写3D打印设备将浆料A形成第一晶体层11，将浆料B形成第二晶体层12，所述第一晶体层11和第二晶体层12堆叠形成木堆结构，得到光子晶体半成品。其中，所述第一晶体层11由多根第一介质棒组成，所述第二晶体层12由多根第二介质棒组成。
现有凝胶注模方法形成的介质棒精度低，且无法达到微米以，因此现有方法制备所得的光子晶体应用的波段只能在1GHz以下，难以达到1THz。本发明采用无模直写成型技术来制备光子晶体，不仅可以制备高精度的光子晶体，而且还能使组成光子晶体的介质棒达到微米级，这样可以提高光子晶体的应用波段范围。
本发明除了通过采用不同介电常数的浆料(浆料A和浆料B)来提升光子晶体的性能外，还通过改进光子晶体的结构来提升光子晶体的性能。
光子晶体的结构参数包括介质棒的间距d、介质棒的直径D、以及介质棒在层层叠加方向的周期高度h，这些参数会对光子晶体的带隙位置产生一定的影响。其中，电磁波波长为λ，介质棒的间距为d，光子带隙对应的频率fn＝d/λ，真实频率f＝c/λ，c为光速，即，真实频率f＝300fn/d，d的单位是μm，f单位是THz。从上述公式可知，介质棒的间距d对光子晶体的带隙具有影响。
此外，光子带隙只有在周期高度h一定范围内才能出现，在固定介质棒直径的时候，介质棒间距的扩大，将扩大出现光子带隙的周期高度范围。
优选的，所述第一介质棒的直径为100～500μm，间距为300～700μm；所述第二介质棒的直径为100～500μm，间距为300～700μm。
其中，所述第一晶体层和第二晶体层的总层数对光子晶体的布拉格散射，对特定波段的吸收，以及对不同频段太赫兹电磁波的隐身起着一定的影响。
优选的，所述第一晶体层和第二晶体层的总层数为4～12层，其中，第一晶体层和第二晶体层的堆叠方式为ABAB或AABB。若所述第一晶体层和第二晶体层的总层数少于4层，则起不到效果；若所述第一晶体层和第二晶体层的总层数大于12，效果提升有限，但成本增加。因此结合滤波效果和经济性，所述第一晶体层和第二晶体层的总层数为4～12层。
需要说明的是，对于理想的木堆结构，每层的高度w和介质棒直径D是一致的，但是在实际打印过程中，由于挤出之后要承受浆料的自重，一般将每层的高度设置的稍微小于介质棒的直径D，以保证挤出之后结构打印的完整性。
需要说明的是，无膜直写3D打印设备的工作输入气压和工作气体输出这两个参数对第一介质棒和第二介质棒的形成起着重要的作用，这两个参数直接决定了浆料A和浆料B是否可以从料筒中挤出，以及挤出速度是否恒定。其中，这两个参数与浆料A和浆料B的材料特性有关。
具体的，步骤S2中，将浆料A和浆料B分别装入无膜直写3D打印设备的两个料筒中，将无膜直写3D打印设备的工作输入气压设为480～580Kpa，工作气体输出设为10～100psi。
优选的，无膜直写3D打印设备的工作输入气压为500～560Kpa，工作气体输出设为30～80psi，这样浆料A和浆料B不会挤出太快，在顺畅地挤出第一介质棒和第二介质棒的同时，保证了第一介质棒和第二介质棒的形状。
优选的，无膜直写3D打印设备的针头内径为100～200μm。其中，针头内径的大小决定了光子介质棒的粗细。
需要说明的是，所述浆料A和浆料B是在常温下挤出成型的。若温度过高，则影响第一介质棒和第二介质棒的晶格相，从而影响光子晶体的布拉格散射，以及对特定波段的吸收，进一步影响光子晶体对不同频段太赫兹电磁波的隐身。
本申请采用无膜直写3D打印设备，不仅可以形成直径为100～500的介质棒，还可以将相邻介质棒的间距控制在300～700μm。其中，组成晶体层的介质棒的直径大小以及间距对于光子晶体对特定波段的吸收效果，以及对不同频段太赫兹电磁波的隐身效果起着重要的作用。若光子介质棒的直径和间距小于上述范围，则应用的波段无法达到10GHz～10THz。
具体的，所述第一晶体层由多根第一介质棒组成，所述第二晶体层由多根第二介质棒组成。优选的，所述第一介质棒之间相互平行，所述第二介质棒之间也相互平行。进一步优选的，参见图3，相邻两层的第一晶体层的第一介质棒111之间相互垂直堆叠，相邻两层的第二晶体层的第二介质棒112之间相互垂直堆叠；参见图4，相邻两层的第一晶体层和第二晶体层的第一介质棒111和第二介质棒112之间相互垂直堆叠。
S3、将光子晶体半成品进行固化，得到光子晶体。
优选的，固化温度为75～85℃，固化时间为1.5～2.5小时。
相应地，本发明还提供了一种光子晶体，包括第一晶体层和第二晶体层，所述第一晶体层和第二晶体层堆叠形成木堆结构；其中，所述第一晶体层由多根第一介质棒组成，所述第二晶体层由多根的第二介质棒组成，所述第一介质棒由浆料A制成，所述第二介质层由浆料B制成，所述浆料A和浆料B的弹性模量大于粘性模量，且具有粘弹逆变性，所述浆料A和浆料B均由聚二甲基硅氧烷和陶瓷材料制成，其中，浆料A的介电常数不等于浆料B的介电常数。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。