一种基于连续纤维3D打印的可控传热超材料的制备工艺

一种基于连续纤维3d打印的可控传热超材料的制备工艺
技术领域
1.本发明属于超材料技术领域，具体涉及一种基于连续纤维3d打印的传热可控超材料的制备工艺。


背景技术：

2.近年来，随着制造技术的飞速发展，超材料在很多领域都取得了卓越的发展，通过精细制造而成的超材料可以表现出卓越的电磁、力学、热学及声学特性。其中，传热调控是热学超材料的主要功能之一，然而，在热学超材料领域，基于坐标变换得到的各向异性超材料大多需要不同导热系数的材料拼接(例如铜和pdms)而成，导致目前的热学超材料的制造相对比较粗糙，且往往局限于二维验证，且可设计区域往往局限于圆形、椭圆形等规则形状，对于复杂二维甚至三维形状的热传导控制却存在很大的制造难题(【1】shen,x.；li,y.；jiang,c.；ni,y.；huang,j.,thermal cloak-concentrator.applied physics letters 2016,109(3)；【2】yang,t.；wu,q.；xu,w.；liu,d.；huang,l.；chen,f.,a thermal ground cloak.physics letters a 2016,380(7-8),965-969；【3】sun,t.；wang,x.；yang,x.；meng,t.；he,r.；wang,y.,design of thermal cloak and concentrator with interconnected structure.international journal of heat and mass transfer 2022,187.)。目前常见的热传导超材料的制备工艺主要为机加工结合手动填充的方法，导致制造误差严重，难以自动化控制，给复杂区域热隐身超材料的推广带来很大难题。
3.热流调控无论是在航空航天还是军事侦察领域都有着重要的研究价值，例如，通过合理控制热流传输，可以实现对重要仪器或人员的热隐身；基于热学超材料的定向热传导，可以将物体各处的热流汇聚到指定位置，从而实现对脆弱部件的热保护。因此，实现复杂三维构型的一体化、自动化快速制造是热学超材料领域亟待解决的关键问题，而连续纤维复合材料3d打印技术给这一问题带来了新的解决思路，例如，碳纤维材料在轴向和径向的传热各向异性特征给热学超材料的制备提供了完美解决方案，将具有传热各向异性的纤维与低导热系数的基底材料合理搭配，可以实现复杂热学超材料的一体化低成本快速制造。


技术实现要素：

4.为了克服上述现技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种基于连续纤维3d打印的传热可控超材料的制备工艺，一方面可以实现基于坐标变换的热学超材料的快速制造，另一方面也可以突破三维热学超材料的难点，推动热学超材料从理论探索走向工程应用。
5.为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
6.一种基于连续纤维3d打印的传热可控超材料的制备工艺，包括以下步骤：
7.1)根据热学超材料的应用场景、目标功能和热流调控区域的形状，采用坐标变换确定热学超材料的导热系数分布图；
8.2)根据组成热学超材料的连续纤维1和基底材料2属性，结合3d打印机的成形精
度，对热学超材料的连续化导热系数分布图做离散处理，分别得到连续纤维1轨迹走向以及连续纤维1和基底材料2配比，即热学超材料的三维模型；
9.3)将步骤2)热学超材料的三维模型导入3d打印机中，采用连续纤维增强的复合材料3d打印工艺，实现对热学超材料3的一体化制造。
10.所述的步骤1)中坐标变换具体为：
11.首先建立变换前虚拟空间球坐标(r,θ,φ)与变换后物理空间球坐标(r
′
,θ
′
,φ
′
)的关系:
[0012][0013]
其中，r和r'分别为某一点在变换前虚拟空间和变换后物理空间到原点的距离，θ和θ'分别为该点在变换前虚拟空间和变换后物理空间到原点的连线与z轴之间的天顶角，和分别为该点在变换前虚拟空间和变换后物理空间到原点的连线，在xy平面的投影线，与x轴之间的方位角；
[0014]
根据雅克比矩阵λ，建立虚拟空间和物理空间导热系数的变换矩阵，最终得到物理空间的导热系数矩阵κ
′
：
[0015][0016][0017]
构建好物理空间的导热参数后，将其输入到comsol multiphysics软件中，确定热学超材料未离散前的连续化导热系数分布图。
[0018]
所述的步骤2)离散处理具体为：离散的方法为采用共形圆近似的方法，将不同的区域用扇形小块来表征；具体是首先将变换区沿中心区域按角度分成40个扇形区域，每个扇形区域的扇形角为9度；然后对每个扇形区域沿着轴向分割成20个子区域，每个子区域代表一个离散单元；最后将步骤1)中连续化的导热系数离散赋值到每一个离散单元，从而得出连续纤维1轨迹走向及连续纤维1和基底材料2配比。
[0019]
所述的连续纤维1具有高导热系数，包括碳纤维、金属丝等；基底材料2具有低导热系数，包括abs、尼龙、pdms、pla、peek或pps等，具体根据实际应用需求分别选定连续纤维1和基底材料2。
[0020]
通过控制3d打印的连续纤维路径，实现了具有指定导热系数分布图的热学超材料的一体化、轻量化快速成型。
[0021]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0022]
(1)本发明利用导热的连续纤维的各向异性特征，将连续纤维3d打印用于热学超材料的制备中，可以在实验中实现复杂区域热隐身超材料构型，具有一体化、自动化、低成
本快速制造的优点。
[0023]
(2)本发明将热学超材料与3d打印相结合，纤维材料可以从碳纤维、金属丝等高导热系数材料中选择，基底材料可以从abs，尼龙，pdms，pla等低导热材料材料中选择，具有广阔的材料选择空间。
[0024]
(3)本发明采用连续纤维增强的复合材料3d打印工艺对热学超材料进行制造，提高了热学超材料的设计自由度，不仅可以实现热隐身、热流汇聚、热流定向传输等多样化的传热功能，还可以实现任意形状区域的热传导控制。以热隐身为例，自动化的制造途径使得隐身区域的设计突破了传统的圆形、椭圆形等规则图形的局限，可以自由设计任意形状的隐身区域，而不必考虑制造难题。
附图说明
[0025]
图1为本发明实施例热隐身超材料导热系数k
rr
分量的分布图。
[0026]
图2为本发明实施例热隐身超材料导热系数k
rφ
分量的分布图。
[0027]
图3为本发明实施例热隐身超材料导热系数k
φφ
分量的分布图。
[0028]
图4为本发明实施例热隐身超材料离散图。
具体实施方式
[0029]
下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。
[0030]
一种基于连续纤维3d打印的传热可控超材料的制备工艺，包括以下步骤：
[0031]
1)根据热学超材料的应用场景、目标功能和热流调控区域的形状，采用坐标变换确定热学超材料的导热系数分布图；
[0032]
以球坐标下的坐标变换为例，首先建立变换前虚拟空间坐标(r,θ,φ)与变换后物理空间坐标(r
′
,θ
′
,φ
′
)的关系:
[0033][0034]
其中，r和r'分别为某一点在变换前虚拟空间和变换后物理空间到原点的距离，θ和θ'分别为该点在变换前虚拟空间和变换后物理空间到原点的连线与z轴之间的天顶角，和分别为该点在变换前虚拟空间和变换后物理空间到原点的连线，在xy平面的投影线，与x轴之间的方位角；
[0035]
根据雅克比矩阵λ，建立虚拟空间和物理空间导热系数的变换矩阵，最终得到物理空间的导热系数矩阵κ
′
：
[0036]
[0037][0038]
构建好物理空间的导热参数后，将其输入到comsol multiphysics软件中，确定热学超材料未离散前的连续化导热系数分布图，本实施例热隐身超材料导热系数k
rr
、k
rφ
、k
φφ
如图1-图3所示，分别展示了导热系数在球坐标系中的三个系数分量k
rr
、k
rφ
、k
φφ
的分布情况，可以看出这三个分量在空间的分布并不均匀，这给后续的离散处理带来了一定难度；
[0039]
2)根据组成热学超材料的连续纤维1和基底材料2属性，结合3d打印机的成形精度，对热学超材料的连续化导热系数分布图做离散处理，分别得到连续纤维1轨迹走向和连续纤维1和基底材料2配比，即热学超材料的三维模型；
[0040]
离散的方法为采用共形圆近似的方法，将不同的区域用扇形小块来表征；具体是首先将变换区沿中心区域按角度分成40个扇形区域，如图4所示，每个扇形区域的扇形角为9度；然后对每个扇形区域沿着轴向分割成20个子区域，每个子区域代表一个离散单元；最后将步骤1)中连续化的导热系数离散赋值到每一个离散单元，从而得出连续纤维1轨迹走向及连续纤维1和基底材料2配比；
[0041]
3)将步骤2)热学超材料的三维模型导入3d打印机中，采用连续纤维增强的复合材料3d打印工艺，实现对热学超材料3的一体化制造。
[0042]
所述的连续纤维1具有较高导热系数，包括碳纤维、金属丝等；基底材料2具有较低导热系数，包括abs、尼龙、pdms、pla、peek或pps等，具体根据实际应用需求分别选定连续纤维1和基底材料2。
[0043]
本发明通过控制3d打印的连续纤维路径，实现了具有指定导热系数分布图的热学超材料的一体化、轻量化快速成型，满足工业中热流调控的特殊化、定制化需求，在航空航天、太空探索、军事侦察等领域都有着潜在的应用价值。

技术特征：
1.一种基于连续纤维3d打印的传热可控超材料的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：1)根据热学超材料的应用场景、目标功能和热流调控区域的形状，采用坐标变换确定热学超材料的导热系数分布图；2)根据组成热学超材料的连续纤维(1)和基底材料(2)属性，结合3d打印机的成形精度，对热学超材料的连续化导热系数分布图做离散处理，分别得到连续纤维(1)轨迹走向以及连续纤维(1)和基底材料(2)配比，即热学超材料的三维模型；3)将步骤2)热学超材料的三维模型导入3d打印机中，采用连续纤维增强的复合材料3d打印工艺，实现对热学超材料(3)的一体化制造。2.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，所述的步骤1)中坐标变换具体为：首先建立变换前虚拟空间坐标(r,θ,φ)与变换后物理空间坐标(r
′
,θ
′
,φ
′
)的关系:其中，r和r'分别为某一点在变换前虚拟空间和变换后物理空间到原点的距离，θ和θ'分别为该点在变换前虚拟空间和变换后物理空间到原点的连线与z轴之间的天顶角，和分别为该点在变换前虚拟空间和变换后物理空间到原点的连线，在xy平面的投影线，与x轴之间的方位角；根据雅克比矩阵λ，建立虚拟空间和物理空间导热系数的变换矩阵，最终得到物理空间的导热系数矩阵κ
′
：：构建好物理空间的导热参数后，将其输入到comsol multiphysics软件中，确定热学超材料未离散前的连续化导热系数分布图。3.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，所述的步骤2)离散处理具体为：离散的方法为采用共形圆近似的方法，将不同的区域用扇形小块来表征；具体是首先将变换区沿中心区域按角度分成40个扇形区域，每个扇形区域的扇形角为9度；然后对每个扇形区域沿着轴向分割成20个子区域，每个子区域代表一个离散单元；最后将步骤1)中连续化的导热系数离散赋值到每一个离散单元，从而得出连续纤维(1)轨迹走向及连续纤维(1)和基底材料(2)配比。4.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于：所述的连续纤维(1)具有高导热系数，包括碳纤维、金属丝；基底材料(2)具有低导热系数，包括abs、尼龙、pdms、pla、peek或pps，
具体根据实际应用需求分别选定连续纤维(1)和基底材料(2)。5.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，通过控制3d打印的连续纤维路径，实现了具有指定导热系数分布图的热学超材料的一体化、轻量化快速成型。

技术总结
一种基于连续纤维3D打印的传热可控超材料的制备工艺，先根据热学超材料的应用场景、目标功能和热流调控区域的形状，采用坐标变换确定热学超材料的导热系数分布图；再根据组成热学超材料的连续纤维和基底材料属性，结合3D打印机的成形精度，对热学超材料的连续化导热系数分布图做离散处理，分别得到连续纤维轨迹走向和连续纤维和基底材料配比，即热学超材料的三维模型；最后将热学超材料的三维模型导入3D打印机中，采用连续纤维增强的复合材料3D打印工艺，实现对热学超材料的一体化制造；本发明一方面可以实现基于坐标变换的热学超材料的快速制造，另一方面也可以突破三维热学超材料的难点，推动热学超材料从理论探索走向工程应用。应用。应用。


技术研发人员：田小永 吴玲玲 邢校菖 刘腾飞 李涤尘
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2022.06.23
技术公布日：2022/11/1