一种制备发泡龙勃透镜的方法

技术领域

本发明涉及一种制备发泡龙勃透镜的方法，属于发泡技术领域。

背景技术

透镜天线是一种能够通过电磁波，将点源或线源的球面波或柱面波转换为平面波从而获得笔形、扇形或其他形状波束的天线。透镜天线由透镜和电磁辐射器构成。其中，电磁辐射器发出的电磁波具有波粒二象性，在其传输的过程中，经过不平行的不同介质时，会发生折射现象。透镜则是一组由均匀透镜和非均匀透镜组成的光学器件，在辐射器前安装透镜，可使辐射能量集中，波束压窄，最终以平面波的形式实现电磁波能量的聚焦。

龙伯透镜属于非均匀透镜，其从内到外的介电常数符合特定规律逐渐变化不断，可通过改变电磁波束的传播方向来实现天线的增益。而龙伯透镜天线则可使任意一点入射到透镜内部的电磁波在对应方向的出射口径面都被汇聚成等相位的平面波。由于具有独特的完美光学聚焦性能，龙伯透镜天线在航空航天等领域极具应用前景。然而，现有的制备发泡龙勃透镜的方法存在一些问题，这些问题严重阻碍了龙勃透镜天线的广泛使用。

例如，公开号为CN110911846A的专利申请文本公开了一种可不使用粘合剂的龙伯透镜生产方法，此方法使用多层模芯模拟龙伯透镜介电常数的变化，但是，此方法具有生产工艺复杂，以及，产品质量较大，需要采用吊装生产，生产效率较低的缺陷；公开号为CN109994837A的专利申请文本公开了一种龙伯透镜的生产方法，此方法通过多层包裹后一次性发泡使龙伯透镜的介电常数梯度变化，但是，此方法需要包裹层数足够多，也具有生产工艺复杂和生产效率较低的缺陷，若包裹层数少，虽可简化生产工艺、提高生产效率，但会导致介电常数逐渐变化不明显，不能达到龙伯透镜的要求；公开号为CN109687158A的专利申请文本公开了一种适于3D打印的全介质多波束扫描龙伯透镜结构及打印方法，此方法通过3D打印两个半球形透镜后拼接的方法制备龙伯透镜，但是，3D打印具有成本过高，产业化能力弱，以及，制备时间过长，生产效率较低的缺陷；公开号为CN110401039A的专利申请文本公开了一种龙伯透镜的生产方法，此方法使用粘合剂对多层颗粒材料进行粘合以形成球状龙伯透镜，但是，此方法需要使用大量的粘合剂，污染环境，并且，此方法不能保证粘合厚度一致，对性能影响较大，另外，此方法的操作步骤也十分繁琐；公开号为CN110311227A的专利申请文本公开了一种拼叠式龙伯透镜的生产方法，此方法先将颗粒材料制作成多层的半球体，再将其拼接成为球体，此方法虽不使用粘合剂，但不能保证拼接的稳定性，并且，拼接处颗粒分布也相对不均匀，影响性能；公开号为CN112736485A的专利申请文本公开了一种发泡龙勃透镜及其制备工艺，此方法先将不同介电常数的介质层逐层3D打印后形成多层介电常数不同的待发泡球体，再对待发泡球体进行发泡以制备龙勃透镜，但是，此方法仍以3D打印为基础，生产成本较高，产业化能力较弱，并且，制备时间过长，生产效率较低；公开号为CN113105665A的专利申请文本公开了一种介电材料及其制造方法，此方法通过将待发泡球体进行两次保压发泡后再进行快速泄压发泡以制备龙勃透镜，但是，此方法需要两次控温过程、两次控压过程、一次静置过程和两次保压发泡过程，步骤较为繁琐，并且，工艺参数众多，生产调控较难，另外，此方法还具有耗时较长，生产效率较低的问题。

因此，亟需找到一种生产工艺简单，生产效率高，成本低，并且，制得的龙勃透镜性能好的制备龙勃透镜的方法。

发明内容

为解决上述缺陷，本发明提供了一种发泡模具，所述发泡模具包括内模具以及外模具；所述内模具包括若干内模具组件；所述内模具组件能够组合成一内设有内模腔的球形体；所述内模腔用于容纳待发泡球体和发泡剂气体；所述外模具上开设有若干和所述内模具组件对应的缺口；所述外模具和所述内模具组件能够组合成一内设有球形外模腔的球形体；所述外模腔用于待发泡球体发泡。

在本发明的一种实施方式中，所述内模具由两个纵向内模具组件和两个横向内模具组件组成；两个纵向内模具组件之间和两个横向内模具组件之间均对称设置。

在本发明的一种实施方式中，两个纵向内模具组件边缘处设有密封圈。

在本发明的一种实施方式中，所述内模具上插设有若干通气管。

在本发明的一种实施方式中，所述通气管的通闭由阀门控制。

在本发明的一种实施方式中，所述通气管的直径为10～100mm。

在本发明的一种实施方式中，所述通气管的直径为32mm。

在本发明的一种实施方式中，所述通气管的数量为两个；两个通气管分别插设于两个纵向内模具组件上。

在本发明的一种实施方式中，所述外模具上开设有若干通气孔。

在本发明的一种实施方式中，所述通气孔均匀分布在所述外模具上。

在本发明的一种实施方式中，所述外模具为可开合设置。

在本发明的一种实施方式中，所述通气孔的直径为0.1～10mm；相邻两个通气孔之间的间距为0.5～30mm。

在本发明的一种实施方式中，所述通气孔的直径为1mm；相邻两个通气孔之间的间距为5mm。

在本发明的一种实施方式中，所述发泡模具还包括驱动组件；所述驱动组件的输出端与内模具组件相连，使得内模具组件在组合和分离两个状态下切换。

在本发明的一种实施方式中，所述驱动组件的两个纵向输出端分别与两个纵向模具组件相连，使得两个纵向模具组件能够向外模具的中心移动或向外模具的缺口移动；所述驱动组件的两个横向输出端分别与两个横向内模具组件相连，使得两个横向内模具组件能够向外模具的中心移动或向外模具的缺口移动。

在本发明的一种实施方式中，当纵向模具组件和横向内模具组件均向外模具的中心移动时，所述内模具组件组合成一内设有内模腔的球形体；当纵向模具组件和横向内模具组件均向外模具的缺口移动时，所述外模具和所述内模具组件组合成一内设有球形外模腔的球形体。

在本发明的一种实施方式中，所述驱动组件为液压驱动组件；所述驱动组件的纵向输出端为纵向设置的液压杆；所述驱动组件的横向输出端为横向设置的液压杆。

在本发明的一种实施方式中，所述发泡模具还包括温控系统；所述温控系统用于控制内模腔的温度。

本发明还提供了一种制备发泡龙勃透镜的方法，所述方法使用上述发泡模具，包括如下步骤：

步骤一：将待发泡球体放入内模腔，并将内模腔的温度控制为饱和温度T

步骤二：步骤一结束后，将发泡剂气体注入内模腔，直至内模腔内的压力达到饱和压力P

步骤三：步骤二结束后，将待发泡球体持续放置于温度为饱和温度T

步骤四：步骤三结束后，将内模腔的温度控制为发泡温度T

步骤五：步骤四结束后，将待发泡球体持续放置于温度为发泡温度T

步骤六：步骤五结束后，将内模具组件移动至外模具的缺口，使得待发泡球体在球形外模腔中发泡，得到发泡龙勃透镜。

所述步骤一中，将待发泡球体放入内模腔为：先将内模具组件移动至外模具的缺口，然后将待发泡球体放入下方的纵向内模具组件中，再通过纵向设置的液压杆将两个纵向内模具组件向外模具的中心推动，直至其与待发泡球体接触，最后通过横向设置的液压杆将两个横向内模具组件向外模具的中心推动，直至其与待发泡球体接触。

在本发明的一种实施方式中，所述外模具内径的计算公式如下：

式中，d

在本发明的一种实施方式中，所述内模腔内切圆的直径等于待发泡球体的直径。

在本发明的一种实施方式中，所述待发泡球体的材料为无定型聚合物或半结晶聚合物。

在本发明的一种实施方式中，所述无定型聚合物为聚苯醚(PPO)、聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PC)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中的一种或一种以上。

在本发明的一种实施方式中，所述半结晶聚合物为聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚丁烯(PB)、聚乳酸(PLA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、液晶聚酯(TLCP)、尼龙6(PA6)和尼龙66(PA66)中的一种或一种以上。

在本发明的一种实施方式中，当待发泡球体为无定型聚合物时，所述饱和温度T

当待发泡球体为半结晶聚合物时，所述饱和温度T

在本发明的一种实施方式中，所述饱和压力P

在本发明的一种实施方式中，所述饱和时间t

式中，饱和时间t

在本发明的一种实施方式中，当待发泡球体为无定型聚合物时，所述发泡温度T

当待发泡球体为半结晶聚合物时，所述发泡温度T

在本发明的一种实施方式中，所述升温时间t

式中，升温时间t

在本发明的一种实施方式中，所述待发泡球体的直径为5～1000mm。

在本发明的一种实施方式中，所述发泡龙勃透镜的直径为9.46～1354mm。

本发明还提供了一种发泡龙勃透镜，所述发泡龙勃透镜由上述方法制得。

在本发明的一种实施方式中，所述发泡龙勃透镜外侧设有保护层。

在本发明的一种实施方式中，所述保护层为聚丙烯覆膜、聚乙烯覆膜和聚对苯二甲酸乙二醇酯覆膜中的一种或一种以上。

在本发明的一种实施方式中，所述发泡龙勃透镜在半径方向上的相对介电常数从2至1逐渐变化，其变化规律符合如下公式：

式中，r为发泡龙勃透镜(即介电材料本体)的半径方向上的某一点到发泡龙勃透镜的中心的距离，单位为mm，ε

在本发明的一种实施方式中，所述发泡龙勃透镜的介电常数逐渐变化是通过密度的逐渐变化实现的。例如，当最外侧材料密度为30kg/m

本发明还提供了上述方法在制备发泡龙勃透镜中的应用。

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明提供了一种制备发泡龙勃透镜的方法，所述方法使用由内外模具组成的发泡模具，先将待发泡球体持续放置于温度为饱和温度T

进一步地，所述方法使用的发泡模具的两个纵向内模具组件在边缘处设有密封圈。密封圈的设置能够有效防止发泡剂气体在饱和过程中泄露。

进一步地，当待发泡球体为无定型聚合物时，所述饱和温度T

进一步地，所述饱和压力P

进一步地，所述饱和时间t

进一步地，当待发泡球体为无定型聚合物时，所述发泡温度T

进一步地，所述升温时间t

附图说明

图1：发泡模具的结构示意图。

图2：发泡龙勃透镜的制备流程示意图。

图3：实施例和对比例所得发泡龙勃透镜的相对介电常数随半径变化图。

图4：实施例2所得发泡龙勃透镜的内部结构。

图1中，内模具1、外模具2、驱动组件3、纵向内模具组件4、横向内模具组件5、内模腔6、缺口7、球形外模腔8、通气管9、通气孔10和液压杆11。

具体实施方式

提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。

下述实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。

下述实施例和对比例中涉及的均聚聚丙烯实心待发泡球体采用市售聚丙烯颗粒通过注塑机采用常规工艺注塑得到，聚苯醚实心待发泡球体采用市售聚苯醚颗粒通过注塑机采用常规工艺注塑得到。

下述实施例和对比例中所得的发泡龙勃透镜(即介电材料本体)的介电常数是通过密度换算得到的，换算公式如下：

式中，ε为发泡龙勃透镜(即介电材料本体)的半径方向上的某一点处的介电常数，ε

其中，所述发泡龙勃透镜(即介电材料本体)的半径方向上的某一点处的密度采用排水法测量，所述测量方法为：沿第一球面和第二球面对所述发泡龙勃透镜进行切割，得到含有该点的待测部分，第一球面和第二球面均为完整的球面，所述第一球面和第二球面的球心均与发泡龙勃透镜的球心重合，所述待测部分的厚度(即第一球面和第二球面的半径之差)为1mm，该点位于所述待测部分的厚度方向上的中心，通过排水法测量该待测部分的密度，即为所述发泡龙勃透镜的半径方向上的该点处的密度。

下述实施例和对比例中所得的发泡龙勃透镜(即介电材料本体)的相对介电常数为该处介电常数与最外侧介电常数的比值。

实施例1：一种发泡模具

如图1所示，本实施例提供了一种发泡模具，所述发泡模具由内模具(材料为不锈钢)、外模具(材料为不锈钢)、驱动组件以及温控系统组成；所述内模具由两个纵向内模具组件和两个横向内模具组件组成；两个纵向内模具组件之间和两个横向内模具组件之间均对称设置，并且，两个纵向内模具组件和两个横向内模具组件能够组合成一内设有内模腔的球形体；所述内模腔用于容纳待发泡球体和发泡剂气体；所述外模具为可开合设置(外模具由对称设置的两瓣外模具组件组成，两瓣外模具组件之间通过合页开合)，并且，所述外模具上开设有两个和所述纵向内模具组件对应的缺口以及两个和所述横向内模具组件对应的缺口；所述外模具、所述纵向内模具组件和所述横向内模具组件能够组合成一内设有球形外模腔的球形体；所述外模腔用于待发泡球体发泡；所述两个纵向内模具组件边缘处设有密封圈；所述内模具上插设有两个通气管；两个通气管分别插设于两个纵向内模具组件上；所述通气管的通闭由阀门控制；所述通气管的直径为32mm；所述外模具上开设有若干通气孔；所述通气孔均匀分布在所述外模具上；所述通气孔的直径为1mm；相邻两个通气孔之间的间距为5mm；所述驱动组件的两个纵向设置的液压杆分别与两个纵向模具组件相连，使得两个纵向模具组件能够向外模具的中心移动或向外模具的缺口移动；所述驱动组件的两个横向设置的液压杆分别与两个横向内模具组件相连，使得两个横向内模具组件能够向外模具的中心移动或向外模具的缺口移动(当纵向模具组件和横向内模具组件均向外模具的中心移动时，所述内模具组件组合成一内设有内模腔的球形体；当纵向模具组件和横向内模具组件均向外模具的缺口移动时，所述外模具和所述内模具组件组合成一内设有球形外模腔的球形体)；两个纵向内模具组件和两个横向内模具组件内均设有用于容纳导热油的空腔；所述温控系统为模温机；所述模温机对导热油进行加热，并通过管道将加热后的导热油导入两个纵向内模具组件和两个横向内模具组件的空腔中，进入空腔的加热油通过热传递将热量传递给整个内模具，通过模温机控制导热油的流量以及温度，从而控制内模腔的温度。

实施例2：一种制备发泡龙勃透镜的方法

本实施例提供了一种制备发泡龙勃透镜的方法，所述方法使用实施例1发泡模具(均聚聚丙烯实心待发泡球体的直径为109mm，选用外模具内径为150mm以及内模腔内切圆直径为109mm的发泡模具，发泡模具处于初始状态时，上下两个纵向内模具组件和左右两个横向内模具组件位于外模具的缺口)；

所述方法包括如下步骤(如图2所示)：

步骤一：通过温控系统将内模腔的温度控制为125℃(饱和温度T

步骤二：步骤一结束后，通过通气孔将发泡剂气体CO

步骤三：步骤二结束后，将均聚聚丙烯实心待发泡球体持续放置于温度为125℃、压力为15MPa的内模腔中饱和84.85小时(饱和时间t

步骤四：步骤三结束后，通过温控系统将内模具的温度控制为145℃(发泡温度T

步骤五：步骤四结束后，将均聚聚丙烯实心待发泡球体持续放置于温度为145℃、压力为15MPa的内模腔中加热54.5min(升温时间t

步骤六：步骤五结束后，通过液压杆将上下两个纵向内模具组件和左右两个横向内模具组件移动至外模具的缺口，使得均聚聚丙烯实心待发泡球体在球形外模腔中发泡，得到直径为150mm的相对介电常数连续变化的发泡龙勃透镜。

实施例3：一种制备发泡龙勃透镜的方法

本实施例提供了一种制备发泡龙勃透镜的方法，所述方法使用实施例1-1发泡模具(均聚聚丙烯实心待发泡球体的直径为220mm，选用外模具内径为300mm以及内模腔内切圆直径为220mm的发泡模具，发泡模具处于初始状态时，上下两个纵向内模具组件和左右两个横向内模具组件位于外模具的缺口)；

所述方法包括如下步骤(如图2所示)：

步骤一：通过温控系统将内模腔的温度控制为130℃(饱和温度T

步骤二：步骤一结束后，通过通气孔将发泡剂气体CO

步骤三：步骤二结束后，将均聚聚丙烯实心待发泡球体持续放置于温度为130℃、压力为15MPa的内模腔中饱和290小时(饱和时间t

步骤四：步骤三结束后，通过温控系统将内模具的温度控制为145℃(发泡温度T

步骤五：步骤四结束后，将均聚聚丙烯实心待发泡球体持续放置于温度为145℃、压力为15MPa的内模腔中加热110min(升温时间t

步骤六：步骤五结束后，通过液压杆将上下两个纵向内模具组件和左右两个横向内模具组件移动至外模具的缺口，使得均聚聚丙烯实心待发泡球体在球形外模腔中发泡，得到直径为300mm的相对介电常数连续变化的发泡龙勃透镜。

实施例4：一种制备发泡龙勃透镜的方法

本实施例提供了一种制备发泡龙勃透镜的方法，所述方法使用实施例1-1发泡模具(聚苯醚实心待发泡球体的直径为109mm，选用外模具内径为150mm以及内模腔内切圆直径为109mm的发泡模具，发泡模具处于初始状态时，上下两个纵向内模具组件和左右两个横向内模具组件位于外模具的缺口)；

所述方法包括如下步骤：

步骤一：通过温控系统将内模腔的温度控制为140℃(饱和温度T

步骤二：步骤一结束后，通过通气孔将发泡剂气体CO

步骤三：步骤二结束后，将聚苯醚实心待发泡球体持续放置于温度为140℃、压力为15MPa的内模腔中饱和84.85小时(饱和时间t

步骤四：步骤三结束后，通过温控系统将内模具的温度控制为165℃(发泡温度T

步骤五：步骤四结束后，将聚苯醚实心待发泡球体持续放置于温度为165℃、压力为15MPa的内模腔中加热54.5min(升温时间t

步骤六：步骤五结束后，通过液压杆将上下两个纵向内模具组件和左右两个横向内模具组件移动至外模具的缺口，使得聚苯醚实心待发泡球体在球形外模腔中发泡，得到直径为150mm的相对介电常数连续变化的发泡龙勃透镜。

实施例5：一种制备发泡龙勃透镜的方法

本实施例提供了一种制备发泡龙勃透镜的方法，所述方法在实施例2的基础上，将饱和温度T

实施例6：一种制备发泡龙勃透镜的方法

本实施例提供了一种制备发泡龙勃透镜的方法，所述方法在实施例2的基础上，将饱和温度T

对比例1：一种制备发泡龙勃透镜的方法

本对比例提供了一种制备发泡龙勃透镜的方法，所述方法在实施例2的基础上，将饱和温度T

对比例2：一种制备发泡龙勃透镜的方法

本对比例提供了一种制备发泡龙勃透镜的方法，所述方法在实施例2的基础上，将发泡温度T

对比例3：一种制备发泡龙勃透镜的方法

本对比例提供了一种制备发泡龙勃透镜的方法，所述方法在实施例2的基础上，将发泡温度T

对比例4：一种制备发泡龙勃透镜的方法

本对比例提供了一种制备发泡龙勃透镜的方法，所述方法在实施例2的基础上，将发泡模具替换为无内模具的发泡模具；所述发泡模具由内径为150mm的球形模具(材料为不锈钢)和温控系统组成；所述球形模具内设有用于待发泡球体发泡的球形模腔；所述球形模具为可开合设置，并且，所述球形模具上插设有两个通气管；所述通气管的通闭由阀门控制；所述通气管的直径为32mm；所述球形模具的壳体内均设有容纳有加热油的空腔；所述温控系统为模温机；所述模温机的加热棒从球形模具的壳体外部插入加热油，以给加热油加热，加热油所得热量通过热传递给整个球形模具，以控制球形模腔的温度。

实验例1：发泡龙勃透镜的性能实验

检测实施例2～6和对比例1～4制得的发泡龙勃透镜在不同半径处的相对介电常数，检测结果见图3。使用电子显微镜观察实施例2制得的发泡龙勃透镜的内部结构，观察结果见图4。

由图3～4可知，采用实施例2～6的方法制得的发泡龙勃透镜在相对介电常数上可以随规律变化。对比例1饱和温度过高，导致待发泡球体无法维持球形，在饱和过程中聚合物完全与下侧纵向内模具接触，发泡后与下侧纵向内模具接触的聚合物过度发泡，因此在下半部分介电常数较低，而上半部分介电常数较高，导致严重偏心，导致其在纵向上的相对介电常数在归一化半径0.3附近出现“断崖式”下降，而横向上的相对介电常数整体偏低，不超过1.3。对比例2的发泡温度过低，导致外侧密度偏高，从而导致外部介电常数偏高，而相对介电常数偏低。对比例3的发泡温度过高，由于最外部熔体强度较低，无法支撑泡孔，因此密度较高，介电常数偏高，而近外侧由于发泡温度偏高，因此密度较低，导致介电常数偏低，最终导致相对介电常数整体偏低，且在近外侧位置相对介电常数低于1。对比例4由于未使用实施例1中的模具，因此在形成温度梯度时，仅与外模具接触的下半部分具有良好的密度分布，而与发泡剂气体接触的上半部分传热不足，导致整体密度偏高，介电常数偏高，而相对介电常数均接近1。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。