CN115259856B - 基于立体光固化成型技术构建的定向导热超材料结构单元 - Google Patents

基于立体光固化成型技术构建的定向导热超材料结构单元 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于立体光固化成型技术构建的定向导热超材料结构单元，所述超材料结构单元以液态光敏树脂同类聚合物的碳化实现对高纯度玻璃碳材质的超材料结构加工，且超材料结构单元的中心镂空，形成空间间隔，以构成定向导热的效果。本发明通过液态光敏树脂等同类聚合物的碳化以实现对高纯度玻璃碳材质的超材料结构加工，可实现自定义的定向导热效果。

Description

基于立体光固化成型技术构建的定向导热超材料结构单元
技术领域
本发明属于导热超材料的技术领域，具体涉及一种基于立体光固化成型技术构建的定向导热超材料结构单元。
背景技术
现有的导热和散热技术主要基于传统金属材料的优越的导热性，而定向导热技术主要通过非单一材料的复杂结构(如：隔热输气管道)实现定向热传导，其特点是体积大，材料结构复杂，对材料物理性质(如：导热系数，热膨胀系数等)要求苛刻。亦有一些尖端研究对碳材料(如：玻璃碳、石墨晶体等)有定向导热技术的探讨，但尚未有定向导热的超材料结构被提出，更没有单元化、模块化的超材料结构被开发。
立体光固化成型技术是一种成熟的商用三维打印技术，区别于常见的熔融层积成型技术和层叠法成型技术，其使用原料非丝状热熔性、薄膜状、或粉状等固体塑料，而使用了液态光敏树脂材料。该技术因其优秀的精度(小于25微米的公差)、速度和成本，目前应用于高端商用三维打印领域(如：Formlabs三维打印机)，是三维打印超材料的绝佳选择。目前有技术团队实现了三维打印的光学超材料，磁性超材料等，但尚未有将立体光固化成型技术应用于定向导热超材料的实例。
现有的导热或定向导热技术受限于体积、传统生产工艺的精度限制，往往体积庞大，需要复数的材料，需要借由高隔热或高导热材料实现，成本高，无法一次成型，不能被视为超材料。且超材料结构往往受限于生产工艺而具有整体性、规律性的特点，局限了超材料的定向导热能力。立体光固化成型技术则为高精度的单元化、模块化创造了可能性。
碳材料优秀的物理性质是超材料领域一直研究的方向，但现有的以碳结构为基础的超材料具有难以塑形的技术瓶颈，以传统加工手段和设备难以制造微米级的超材料结构。因此更难以以现有的技术手段生产碳材质的定向导热超材料。。
发明内容
为解决上述问题，本发明的首要目的在于提供一种基于立体光固化成型技术构建的定向导热超材料结构单元，该超材料结构单元通过液态光敏树脂等同类聚合物的碳化以实现对高纯度玻璃碳材质的超材料结构加工，突破该领域目前的主要技术瓶颈。
本发明的另一目的在于提供一种基于立体光固化成型技术构建的定向导热超材料结构单元，该超材料结构单元通过热处理技术碳化聚合物以得到具有定向导热效果的碳材质超材料结构，增加了碳结构的可塑性，实现了碳结构超材料的可编程化。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下。
一种基于立体光固化成型技术构建的定向导热超材料结构单元，超材料结构单元以液态光敏树脂同类聚合物的碳化实现对高纯度玻璃碳材质的超材料结构加工，且超材料结构单元的中心镂空，形成空间间隔，以构成定向导热的效果。
所述超材料结构单元中心镂空，镂空的条状结构分别为0°、10°、20°、30°和45°的五种倾斜角度形式，所述超材料结构单元至少包含有上述五种的任意一种。
所述超材料结构单元可以进行拼接组合，构建单层或多层的超材料结构平面。其中：超材料结构单元的镂空条状结构构筑的导热线应指向热传导定向目标点坐标；超材料结构单元的镂空条状结构构筑的导热线应与阻热方向保持交错和垂直；超材料结构单元应尽量以近似角度与相邻结构单元拼接，通常相邻的结构单元角度不超过15°，以达最优的定向导热效率；这样，超材料结构单元可在热传导效率允许范围内向外无限延伸。
进一步包括：对液态光敏树脂同类聚合物的碳化，及对验证完成的聚合物材质超材料进行热处理碳化，碳化过程为：在高温碳化设备中，设置完全无氧的纯惰性气体环境，持续对热处理环境进行气体交换，确保碳化产生的可燃性气体不影响热处理过程；将温度逐步上升至1000至1300摄氏度，逐步释放出聚合物中的非碳成分，得到玻璃碳和少量其他碳材质；在热处理完成后，应得到碳材质的定向导热超材料结构，其坍缩大小取决于碳材质纯度，其定向导热效果完全保留自树脂结构。
更进一步，将温度逐步上升至1000至1300摄氏度，需确保热处理升温缓和，气体交换完全，以保证生产安全，且保护超材料结构得以完整保留。热处理的具体升温速率取决于整体结构的复杂性及材料本身的碳含量。所述升温缓和具体升温速率为：实验室中，高精度和高碳纯度的超材料样品在低温阶段(300摄氏度以下)可慢速升温(10-20摄氏度/小时)，在高温阶段(300摄氏度及以上)需要极慢速升温(5-10摄氏度/小时)以便于观察其结构变化；在工业化批量制备时，可升温至100摄氏度，再以约1至2摄氏度每分钟的速度缓速提升至目标温度以防止破坏结构。
高温热处理技术可在1000至3000摄氏度的高温下将聚合物材料内的非碳杂质去除，使得到的碳化后的材料保留其原结构。通过热处理技术碳化聚合物使得对难以加工的碳结构进行结构设计进而生产制造具有定向导热效果的超材料结构单元。
本发明的有益效果是：
1.通过对超材料结构单元的编程和重组，可实现自定义的定向导热效果。
2.利用立体光固化成型技术实现高精度、低成本的超材料制造生产。其生产可一次成型。
3.在精度允许范围内对超材料结构单元进行等比例缩放可实现小空间适配或大范围覆盖。
4.其原料可使用任何其他液态光敏树脂材料替代，但需要确保其可适用于所使用的立体光固化成型原理的三维打印设备。
附图说明
图1是本发明所实现的0°超材料结构单元示意图。
图2是本发明所实现的10°超材料结构单元示意图。
图3是本发明所实现的20°超材料结构单元示意图。
图4是本发明所实现的30°超材料结构单元示意图。
图5是本发明所实现的45°超材料结构单元示意图。
图6是本发明所实现的定向导热超材料结构3x3案例示意图。
图7是本发明所实现的有限元初步网格化结果案例示意图。
图8是本发明所实现的有限元热学分析模拟结果案例示意图。
图9是本发明所实现的5x5聚合物定向导热超材料成品实物示意图。
图10是本发明所实现的3x3聚合物定向导热超材料成品实物效果验证测试图。
图11是本发明所实现的3x3超材料结构导热案例的热成像结果示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明所实现的基于立体光固化成型技术构建的定向导热超材料结构单元，超材料结构单元以液态光敏树脂同类聚合物的碳化实现对高纯度玻璃碳材质的超材料结构加工，且超材料结构单元的中心镂空，形成空间间隔，以构成定向导热的效果。
所述超材料结构单元中心镂空，镂空的条状结构分别为0°、10°、20°、30°和45°的五种倾斜角度形式，所述超材料结构单元至少包含有上述五种的任意一种。
液态光敏树脂同类聚合物的碳化即对验证完成的聚合物材质超材料进行热处理碳化。具体的碳化过程为：在高温碳化设备中，设置完全无氧的纯惰性气体环境(根据聚合物材料选择气体，一般使用纯氮气)，持续对热处理环境进行气体交换，确保碳化产生的可燃性气体不影响热处理过程。将温度逐步上升至1000至1300摄氏度(依据聚合物性质参数决定具体数值)，逐步释放出聚合物中的非碳成分，得到玻璃碳和少量其他碳材质(一般会得到非石墨化碳)。需确保热处理升温缓和，气体交换完全，以保证生产安全，且保护超材料结构得以完整保留。在热处理完成后，应得到碳材质的定向导热超材料结构，其坍缩大小取决于碳材质纯度，其定向导热效果完全保留自树脂结构。
将温度逐步上升至1000至1300摄氏度的措施为：实验室中，高精度和高碳纯度的超材料样品在低温阶段(300摄氏度以下)可慢速升温(10-20摄氏度/小时)，在高温阶段(300摄氏度及以上)需要极慢速升温(5-10摄氏度/小时)以便于观察其结构变化；在工业化批量制备时，可升温至100摄氏度，再以约1至2摄氏度每分钟的速度缓速提升至目标温度以防止破坏结构。
高温热处理技术可在1000至3000摄氏度的高温下将聚合物材料内的非碳杂质去除，使得到的碳化后的材料保留其原结构。热处理技术碳化聚合物使得对难以加工的碳结构进行结构设计进而生产制造具有定向导热效果的超材料结构单元。
具体地说，本发明的具体实现如下：
构建数字化三维模型。使用Solidworks软件对超材料结构单元进行建模，构建中心镂空结构分别为0°、10°、20°、30°和45°的五种超材料结构单元的数字化模型。建模参数详见附图1-5(图1代表镂空的条状结构分别为0°的超材料结构单元，图2代表镂空的条状结构分别为10°的超材料结构单元，图3代表镂空的条状结构分别为20°的超材料结构单元，图4代表镂空的条状结构分别为30°的超材料结构单元，图5代表镂空的条状结构分别为45°的超材料结构单元)。通过对立体光固化成型打印设备的精度分析和对超材料总体结构的目的性考量，可对参数进行等比例缩放，应确保其结构的完整性。
对超材料结构单元进行拼接组合(请见附图6的3x3超材料结构拼接单层案例)，构建单层或多层的超材料结构平面。其中，超材料结构单元的镂空条状结构构筑的导热线应指向热传导定向目标点坐标；超材料结构单元的镂空条状结构构筑的导热线应与阻热方向保持交错和垂直；超材料结构单元应尽量以近似角度与相邻结构单元拼接，以达最优的定向导热效率；超材料结构单元可在热传导效率允许范围内向外无限延伸。输出超材料结构三维为验证软件可读取的兼容模式(如：.x_t等)
图6显示，拼接组合具有三层，每层具有三个超材料结构单元，第一层从左到右依次是45°超材料结构单元①、30°超材料结构单元②和20°超材料结构单元③，第二层从左到右依次是30°超材料结构单元②、20°超材料结构单元③和10°超材料结构单元④，第三层从左到右依次是20°超材料结构单元③和10°超材料结构单元④和0°超材料结构单元⑤。
对超材料结构定向导热结构进行数据化分析和验证。使用ANSYS workbench软件对初步设计完成的定向导热超材料进行有限元模拟验证。先将模拟目标模型网格化(请见附图7中的有限元初步网格化结果)，使用静态热学分析功能，设置模拟材料和限制条件，对热源温度和热传导模式进行参数设置，计算出初步热学分析结果。将初步结果的网格化设置进行收敛，通过收敛数据得到收敛参数(一般在网格化设置对结果影响变化在2％以下时视为已收敛，但需根据具体目标精度为准)。在结果收敛后查验定向导热模拟结果。
对模拟结果进行分析，请见附图8中的有限元热学分析模拟结果案例，必要时可重复进行超材料结构再组以在模拟阶段实现目标定向导热效果。
依据有限元热学分析结果，对经过验证的超材料结构通过立体光固化成型设备进行生产(请见附图9中的5x5成品案例，使用了Formlabs Form2三维打印设备和聚合物树脂材料)。
6.对超材料成品进行检验。使用实验型恒温加热台制造恒温热源。对热源具有多面或不规则形状的情况，需使用定制的铜质托架(请见附图10，该案例使用铜质Y型托架为3x3超材料结构的角落两面提供恒温导热)。通过热成像设备对超材料表面进行持续温度监测。可通过热成像记录结果对其定向导热结果做验证(请见附图11)，验证显示：热量向右侧传递，左侧出现阻热。
本发明的优点是：
1.使用立体光固化成型技术实现聚合物原料的超材料的制造生产，利用立体光固化成型技术实现高精度、低成本的超材料制造生产。其生产可一次成型。
2.打破超材料结构规律性的局限，使结构具有定向的热传导性质，且具有模块化、可编程化的特点，通过对超材料结构单元的编程和重组，可实现自定义的定向导热效果。
3.对于碳结构超材料的制造开辟了生产方案，克服了碳结构超材料难以加工的技术难点，将其设计精度提升至微米级，在精度允许范围内对超材料结构单元进行等比例缩放可实现小空间适配或大范围覆盖。
4.对于聚合物材质和碳材质的超材料结构都是突破性的技术手段，对超材料的设计生产提供了更多途径，其原料可使用任何其他液态光敏树脂材料替代，但需要确保其可适用于所使用的立体光固化成型原理的三维打印设备。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于立体光固化成型技术构建的定向导热超材料结构单元，其特征在于所述超材料结构单元以液态光敏树脂同类聚合物的碳化实现对高纯度玻璃碳材质的超材料结构加工，且超材料结构单元的中心镂空，形成空间间隔，以构成定向导热的效果；
所述超材料结构单元中心镂空，镂空的条状结构分别为0°、10°、20°、30°和45°的五种倾斜角度形式，所述超材料结构单元至少包含有上述五种的任意一种。
2.如权利要求1所述的基于立体光固化成型技术构建的定向导热超材料结构单元，其特征在于所述超材料结构单元可以进行拼接组合，构建单层或多层的超材料结构平面；其中：超材料结构单元的镂空条状结构构筑的导热线应指向热传导定向目标点坐标；超材料结构单元的镂空条状结构构筑的导热线应与阻热方向保持交错和垂直；超材料结构单元应尽量以近似角度与相邻结构单元拼接，通常相邻的结构单元角度不超过15°，以达最优的定向导热效率；这样，超材料结构单元可在热传导效率允许范围内向外无限延伸。
3.如权利要求1所述的基于立体光固化成型技术构建的定向导热超材料结构单元，其特征在于对液态光敏树脂同类聚合物的碳化，即对验证完成的聚合物材质超材料进行热处理碳化，碳化过程为：在高温碳化设备中，设置完全无氧的纯惰性气体环境，持续对热处理环境进行气体交换，确保碳化产生的可燃性气体不影响热处理过程；将温度逐步上升至1000至1300摄氏度，逐步释放出聚合物中的非碳成分，得到玻璃碳和少量其他碳材质；在热处理完成后，得到碳材质的定向导热超材料结构。
4.如权利要求3所述的基于立体光固化成型技术构建的定向导热超材料结构单元，其特征在于将温度逐步上升至1000至1300摄氏度，需确保热处理升温缓和，气体交换完全；所述升温缓和的具体升温速率为：实验室中，高精度和高碳纯度的超材料样品在300摄氏度以下，以10-20摄氏度/小时的速度升温；
在300摄氏度及以上，以5-10摄氏度/小时的速度升温；在工业化批量制备时，升温至100摄氏度，再以1至2摄氏度每分钟的速度缓速提升至目标温度以防止破坏结构。
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