发明内容

本发明提供了一种微波吸收增强骨料结构及其制备方法和应用，用以解决目前现有沥青混凝土路面骨料吸波能力不强、采用微波加热技术修补时效果不佳、效率低下的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种微波吸收增强骨料结构，包括核心结构和外层结构；所述外层结构呈壳状包裹在核心结构外；所述核心结构中设置有至少一个孔洞。

上述技术方案的设计思路在于，核心结构中孔洞的存在使得骨料结构内部形成材料分界，由于微波在不同介质界面处会产生散射与反射，导致其在骨料中的传播路径变长，从而加大了微波在核心结构中损耗的比例，使得更多微波能量被转变为热能，可以提高本发明的微波吸收增强骨料结构的微波吸收效率和能量转化效率。

作为上述技术方案的进一步优选，所述孔洞呈贯通式或封闭式，所述孔洞的形状为正六边形、圆形、矩形和三角形中的一种或几种的组合。孔洞可以是贯通于整个骨料结构的核心和外层结构的开放式结构，也可以是仅存在于核心结构或核心结构及外层结构中的封闭式结构；发明人发现孔洞的形状和尺寸会影响结构的等效介电常数，从而影响结构的吸波效果，另外，不同形状的孔洞在骨料受力时孔洞边缘上的材料应力也不相同。因此综合考虑力学性能及吸波效果，将孔洞的形状限定为正六边形、圆形、矩形和三角形中的一种或几种的组合。

作为上述技术方案的进一步优选，所述外层结构的磁导率和介电常数低于所述核心结构的磁导率和介电常数。根据阻抗匹配原理，调节外层结构材料的介电常数与磁导率，从而使外层结构与周围空间具有较好的阻抗匹配；同时，核心结构中存在的孔洞会与外层结构共同调节骨料结构的等效电磁参数，以满足阻抗匹配要求，增大吸波骨料结构界面处入射微波比例，从而显著增加骨料结构的整体吸波能力和能量转换效率。

作为上述技术方案的进一步优选，所述外层结构的导热系数高于所述核心结构的导热系数。本技术方案中外层结构的材料相较于核心结构的材料具有更高的导热系数，该设计可使骨料结构由内至外具有梯度的导热系数，可将核心结构产生的热量快速传递给周围空间，从而提高骨料结构对沥青混凝土的加热效率。

作为上述技术方案的进一步优选，所述核心结构和外层结构分别由种类及比例不同的吸波材料组成。核心结构吸波材料种类及比例的选取原则为复合得到的核心结构在具有较大介电常数与磁导率基础上，其电导损耗、介电损耗与磁损耗之和达到最大；外层结构吸波材料种类及比例的选取原则为复合得到的外层结构在具有较核心结构高的导热系数基础上，其相对介电常数、相对磁导率尽可能接近满足阻抗匹配条件的理论数值。

作为上述技术方案的进一步优选，所述核心结构和外层结构采用吸波材料制成，所述吸波材料包括电导损耗材料、介电损耗材料和磁损耗材料中的至少两种。吸波材料的电磁参数会随着微波频率的改变而改变，而目前工业应用的微波加热频率有915MHz、2.45GHz、5.8GHz几种，因此选择两种及以上不同的吸波材料组合可以使吸波骨料在不同频率微波下都具有一定的微波加热效果。同时，良好的阻抗匹配性能要求材料的相对介电常数与相对磁导率间具有一定的数量关系，单一损耗机制的吸波材料难以满足上述要求，因此需要采用两种及以上不同损耗机制的吸波材料以改善骨料的阻抗匹配，从而增强骨料的吸波性能。

作为上述技术方案的进一步优选，所述电导损耗材料为石墨、炭黑、碳纳米管、石墨烯和碳纤维中的一种或几种的组合；所述介电损耗材料为碳化硅、氮化硅、二氧化钛、二氧化锆、氧化锌、氧化铝、氧化锰、氧化镁中的一种或几种的组合；所述磁损耗材料为铁氧体、金属粉末、氮化铁、羰基铁粉、羟基铁粉中的一种或几种的组合。

作为上述技术方案的进一步优选，所述骨料结构呈球形或多面体形，所述骨料结构的粒径为5～30mm，所述核心结构的粒径为4～25mm，所述外层结构的厚度为1～5mm。由于规范对沥青混凝土的级配有要求，为了尽量多的用吸波骨料代替天然骨料，根据常用的骨料粒径确定上述结构尺寸，在实际使用时吸波骨料总体粒径可以根据沥青混凝土级配要求灵活设计。此外，核心结构和外层结构的尺寸会影响结构的等效电磁参数进而影响吸波性能，因此外层结构与核心结构尺寸也可以利用仿真软件进行优化，进一步提高吸波骨料的微波加热性能。

作为上述技术方案的进一步优选，所述外层结构和核心结构通过3D打印技术打印成型。

基于同一技术构思，本发明还提供一种上述技术方案中的微波吸收增强骨料结构的制备方法，包括以下步骤：

(1)设计所述微波吸收增强骨料结构中各结构的尺寸和各结构的材料参数，生成模型数据；

(2)将吸波材料粉末、粘结剂粉末按照不同的组成均匀混合分别制得用于打印所述核心结构的粉体A和用于打印外层结构的粉体B；

(3)将步骤(1)所得到的模型数据输入3D打印机，设置打印程序，将所述粉体A和粉体B分别装入料箱中，在保护气氛环境下逐层烧结，制得骨料毛坯；

(4)对所述骨料毛坯进行后处理，即得所述微波吸收增强骨料结构。

上述技术方案的设计思路在于，本发明将以功能需求为设计导向的吸波结构与新兴的3D打印技术相结合，凭借3D打印技术具有的复杂结构一体化快速成型的优势，设计人员可以根据功能需求充分挖掘结构的潜力，而不用受制于传统制造方式存在的设计限制，而且当针对特定的使用环境对骨料的结构进行优化改进后，传统制造方式还存在数控机床编程、模具设计制造等中间环节，而利用3D打印技术可以直接在设计好的结构模型基础上快速批量化生产吸波骨料，在提高生产效率的同时也极大地降低了成本。同时，运用3D打印技术，可以实现在微观尺度上精准调控材料的组成，逐层打印叠加的制造方式则保证了吸波骨料各部分材质的均匀性，设计人员通过调控打印材料的组成便能使吸波骨料的电磁参数接近设计目标值，最终制造出在结构和材料上都较好符合设计方案的吸波骨料。

作为上述技术方案的进一步优选，所述吸波材料、粘结剂重量比为(0.5～0.85)：(0.15～0.5)。

作为上述技术方案的进一步优选，所述吸波材料粉体粒径为10～100μm，粘结剂粉体粒径为10～150μm。粒径的大小会直接影响用于3D打印的复合粉体的流动性，同时也会影响3D打印时的工艺参数，例如单层层厚主要由粒径大小决定，太厚会影响层与层之间的粘结，太小会导致粘粉现象等。为了达到较好的3D打印效果，必须综合考虑粒径和工艺参数，太大或太小都会影响3D打印成型的效果，因此限定了粒径的范围。另外，粒径越小，则堆积密度越高，越有利于提高最终骨料的相对密度及强度，但粒径越小也意味着成本越高，本优选方案对粒径的限制既可满足最终骨料强度要求，又可尽量降低成本，保证3D打印的效果。

作为上述技术方案的进一步优选，所述吸波材料为电导损耗材料、介电损耗材料和磁损耗材料中的两种或两种以上的组合；所述电导损耗材料为石墨、炭黑、碳纳米管、石墨烯和碳纤维中的一种或几种的组合；所述介电损耗材料为碳化硅、氮化硅、二氧化钛、二氧化锆、氧化锌、氧化铝、氧化锰、氧化镁中的一种或几种的组合；所述磁损耗材料为铁氧体、金属粉末、氮化铁、羰基铁粉、羟基铁粉中的一种或几种的组合；所述粘结剂为PLA、ABS、TPU、Nylon、CPE、PC、PP、PPSF、PETG、PVA、树脂和石蜡中的一种。

作为上述技术方案的进一步优选，步骤(3)中，采用选择性激光烧结(SLS)的方式对粉体进行烧结。选择性激光烧结技术相比别的3D打印技术类型，其精度较高，更适合于制造本发明中尺寸相对较小的骨料，且其采用激光烧结的方式得到的骨料密度较高、强度较好，更易于满足骨料在力学性能方面的要求。

作为上述技术方案的进一步优选，所述烧结过程中，激光器的工作参数如下所示：激光功率为5～400W，扫描速度为300～4000mm/s，扫描间距为0.05～0.5mm，单层层厚为0.05mm～0.5mm，激光能量密度为0.01～0.2J/mm²。如前所述，成形坯体的质量与工艺参数和粉体粒径密切相关，不同的3D打印设备其性能也各不相同，故应根据具体使用的3D打印设备及粉体情况，确定合适的工艺参数，本优选方案所公开的工艺参数可显著提高所制得的骨料坯体质量。

作为上述技术方案的进一步优选，步骤(4)中所述后处理操作为无压烧结、热压烧结、热等静压烧结、反应烧结、微波照射中的一种或几种的组合。

基于同一技术构思，本发明还提供一种上述技术方案的微波吸收增强骨料结构或上述技术方案所述的制备方法所制得的微波吸收增强骨料结构的应用，上述微波吸收增强骨料结构作为骨料应用于沥青混凝土中。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明的吸波骨料结构可以根据功能要求及条件进行设计；核心结构具有一个或多个孔洞，使入射微波在核心结构中产生多重反射与散射，从而加大了微波在核心结构中损耗的比例，更多微波能量被转变为热能；孔洞主要影响已入射到骨料中的微波，为了减少微波在骨料表面的反射，设置了外层结构，根据阻抗匹配原理，调节外层结构材料的介电常数与磁导率，从而使外层结构与周围空间具有较好的阻抗匹配，增大吸波骨料界面处入射微波比例；此外，外层结构材料具有高导热系数，兼具将核心结构产生的热量快速传递给周围空间的功能；另外吸波骨料总体粒径可以根据沥青混凝土级配要求灵活设计，而外层结构与核心结构尺寸也可以利用仿真软件进行优化，进一步提高吸波骨料的微波加热性能；上述设计使得最终得到的骨料结构具有微波加热性能好、导热能力强的特点，结构设计灵活，对不同使用环境具有较好适应性，根据功能设计的结构极大地节省了材料。

(2)本发明的制备方法工艺简单，安全可靠，操作方便，利用3D打印技术可以直接在设计好的结构模型基础上快速批量化生产吸波骨料，在提高生产效率的同时也极大地降低了成本；同时，运用3D打印技术，可以实现在微观尺度上精准调控材料的组成，逐层打印叠加的制造方式则保证了吸波骨料各部分材质的均匀性，设计人员通过调控打印材料的组成便能使吸波骨料的电磁参数接近设计目标值，最终制造出在结构和材料上都较好符合设计方案的吸波骨料。