复合贴片型曲面频率选择表面阵列的制作方法与流程

本发明涉及FSS天线罩制作技术领域，特别涉及一种复合贴片型曲面频率选择表面阵列的制作方法。

背景技术：

频率选择表面(Frequency Selective Surfaces，简称FSS)是由周期排列的金属图形单元构成的新型人工电磁材料，它具有空间滤波的功能，最重要的应用领域是FSS天线罩。FSS天线罩能够对己方雷达工作频段透明，而对敌方探测雷达频段屏蔽，是武器装备雷达导引头舱对雷达隐身的首选技术途径。以美国为首的各军事强国已将该项技术应用于隐身战机、导弹和舰船上，但对核心技术均严格保密。而国内目前的应用则寥寥无几，复杂曲面FSS衬罩加工难是制约其工程应用的主要瓶颈，曲面FSS阵列制作尤为困难。

曲面FSS阵列壳体是FSS天线罩的重要组成部分，与介质基底罩随形复合在一起，其图形单元及排布的精度对FSS天线罩谐振频率、带宽等关键指标影响很大。对于简单直锥外形天线罩，采用柔性膜转移法即可获得曲面FSS阵列，即采用平面工艺在柔性薄膜上制作FSS阵列，再将其贴覆在曲面介质上。然而对于大多数不可展开成平面的天线罩外形如球形、椭球形及其它异形结构而言，这种方法则意味着更多的分片和褶皱，进而导致电性能劣化。研究者们还尝试了柔性膜热塑成型反贴法、机器人数字化加工法等，但效果均不理想，存在精度低、效率低及可靠性差等问题。

CN103395205B中公开了一种立体打印技术制作曲面频率选择表面的方法。该方法将曲面FSS模型输入到立体打印机，以非金属材料为打印材料进行快速成型，然后将表面进行金属化得到曲面FSS阵列壳体。该方法在形成曲面FSS图形阵列时具有直接、快捷的优势，但只能够制作简单的开孔单元阵列，无法制作复合贴片型FSS曲面单元阵列。

技术实现要素：

本发明旨在克服现有技术的缺陷，提供一种新的曲面频率选择表面阵列的制作方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明提供一种复合贴片型曲面频率选择表面阵列的制作方法，所述制作方法包括步骤：

S1、通过三维建模软件对第一掩膜壳体和第二掩膜壳体分别进行三维建模，，设置第一掩膜壳体和第二掩膜壳体与基底介质壳体之间的对位靶标，得到第一掩膜壳体模型和第二掩膜壳体模型；

S2、将所述第一掩膜壳体模型和第二掩膜壳体模型分别输入3D打印设备中成型，得到第一掩膜壳体和第二掩膜壳体；

S3、将所述第一掩膜壳体附于基底介质壳体外表面，通过调整使两层壳体紧密贴合，在未被第一掩膜壳体遮挡的基底介质壳体表面制备金属膜层；

S4、将所述第一掩膜壳体取下，在基底介质壳体外表面涂覆正性光刻胶；

S5、将所述第二掩膜壳体附于基底介质壳体外表面，通过调整使两层壳体紧密贴合，通过曝光设备进行曝光处理；

S6、将所述第二掩膜壳体取下，对基底介质壳体进行显影处理；

S7、将显影处理后的基底介质壳体进行刻蚀，用去胶液去除剩余的光刻胶，清洗、干燥，形成复合贴片型曲面频率选择表面阵列。

优选的，所述基底介质壳体的厚度为0.5mm～40mm。

优选的，所述第一掩膜壳体的厚度为0.2mm～10mm；所述第二掩膜壳体的厚度为0.2mm～10mm。

优选的，所述步骤S2还包括：对所述第一掩膜壳体和所述第二掩膜壳体分别进行后续加工处理，所述后续加工处理包括对所述第一掩膜壳体和所述第二掩膜壳体的内表面进行打磨。

优选的，将所述第一掩膜壳体模型和第二掩膜壳体模型分别输入3D打印设备中成型的方法包括熔融堆积成型、紫外光固化成型、喷射成型、激光选区熔融或激光选区烧结。

优选的，所述第一掩膜壳体和所述第二掩膜壳体的材料均选自环氧类光敏树脂、环氧类光敏树脂改性材料、丙烯酸类光敏树脂、丙烯酸类光敏树脂改性材料、尼龙、尼龙改性材料、聚醚醚酮或聚醚醚酮改性材料、ABS树脂、聚碳酸酯、橡胶类材料或金属中的至少一种。

优选的，所述第二掩膜壳体的材料为透紫外光型材料时，在步骤S5之前，所述第二掩膜壳体进行不透紫外光处理；所述不透紫外光处理的方法包括在所述第二掩膜壳体外表面镀金属膜、喷涂对紫外光不透明的涂料或刷涂对紫外光不透明的涂料。

优选的，所述步骤S3中制备金属膜层采用的金属选自Cu、Al、Au、Ag、Ni或Pt中的至少一种；制备金属膜层的方法包括真空镀膜、喷涂或刷涂金属浆料。

优选的，所述步骤S7中将显影处理后的基底介质壳体进行刻蚀包括将显影处理后的基底介质壳体放入蚀刻液中，去除基底介质壳体上暴露的金属膜层。

优选的，所述复合贴片型曲面频率选择表面阵列为Y形、十字形、圆形、方形或六边形中的同种或不同种两两复合贴片型。

本发明的有益效果在于：本发明的复合贴片型曲面FSS阵列制作方法与现有技术中，通过柔性膜转移、激光刻蚀等方法制作曲面FSS阵列相比，曲面FSS阵列加工不再受限于外形的复杂程度，可以制作任意复杂外形的曲面FSS阵列；与直接3D打印制作FSS阵列的方法相比，FSS图形单元的选择也不再受限于开孔单元，可以制作开孔贴片复合贴片型的曲面FSS单元阵列。

附图说明

图1为复合型贴片单元FSS壳体示意图。

图2为复合型贴片单元FSS壳体加工流程图。

1—基底介质壳体；4—真空溅射镀膜；5—铜膜；

6—圆贴片十字孔复合型贴片单元；6A—圆贴片；

6B—十字孔；7—圆孔掩膜壳体；8—十字孔掩膜壳体；

9—基底介质壳体上的对位靶标；10—圆孔掩膜壳体上的对位靶标；

11—十字孔掩膜壳体上的对位靶标；

12—不透光处理后的十字孔掩膜壳体；

13—正性光刻胶；14—曝光后的正性光刻胶。

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，以下结合附图及具体实施例，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用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

本发明提供一种基于3D打印技术制作复合贴片型曲面FSS阵列的方法，即采用3D打印工艺方法成型与曲面基底介质壳体外表面共形的三维掩膜壳体，具体包括第一掩膜壳体和第二掩膜壳体，然后采用镀膜、喷涂或蚀刻等工艺在曲面基底介质壳体上形成周期排布的复合贴片型FSS图形阵列。具体步骤如下：

(1)以UG、AutoCAD、Solidworks等软件对第一掩膜壳体和第二掩膜壳体分别进行三维建模，第一掩膜壳体和第二掩膜壳体上均按周期排布着镂空图形阵列，这些图形可以是Y孔、十字孔、圆孔、方孔、六边形孔等，第一掩膜壳体和第二掩膜壳体上周期排布的镂空图形阵列可以相同也可以不同，根据第一掩膜壳体和第二掩膜壳体图形选择的不同，最后可以制得Y形、十字形、圆形、方形、六边形任意相同或不同的两种形状复合而成的复合贴片型曲面FSS阵列。

在建模过程中，设置两个掩膜壳体与基底介质壳体之间的对位靶标，用以保障外围单元和中心单元间相对位置的准确性，两个掩膜壳体均与基底介质壳体的外表面覆形，基底介质壳体的厚度为0.5mm～40mm，两个掩膜壳体的厚度均为0.2mm～10mm。

(2)将所建立的第一掩膜壳体和第二掩膜壳体的模型文件分别输入3D打印设备进行成型，得到第一掩膜壳体和第二掩膜壳体。具体的打印材料有多种选择，如各种环氧类和丙烯酸类光敏树脂、尼龙、聚醚醚酮(PEEK)及其改性材料、ABS树脂、PC、橡胶类材料以及金属粉末等材料。采用的3D打印工艺可以是熔融堆积成型(FDM)、紫外光固化成型(SLA、DLP)、喷射成型(Polyjet)、激光选区熔融(SLM)、激光选区烧结(SLS)等等，当然也可以选择其他材料。

(3)优选的实施方式中，对第一掩膜壳体和第二掩膜壳体分别进行后续加工处理，包括但不限于对第一掩膜壳体和第二掩膜壳体的内表面进行打磨以降低粗糙度，有利于掩膜壳体和基底介质壳体之间的覆形。

(4)将第一掩膜壳体附于基底介质壳体外表面，进行调整使两层壳体紧密贴合，然后采用真空镀膜、喷涂等工艺在未被掩膜遮挡的基底介质壳体表面制备金属膜层，可选用的金属材料有Cu、Al、Au、Ag、Ni、Pt等。优选的实施方式中，金属膜层的厚度为2um～18um。

(5)将第一掩膜壳体取下，优选的实施方式中，对基底介质壳体进行清洗烘干等后续处理步骤，基底介质壳体1上形成某种形状(如Y形、十字形、圆形、方形、六边形等)贴片单元组成的阵列。

(6)向步骤(5)中已形成某种形状贴片单元组成的阵列的基底介质壳体上涂覆正性光刻胶，优选的，涂覆正性光刻胶的厚度为1um～20um，涂覆方式可采用喷涂、旋涂、刷涂等方式，需保证涂覆厚度适中且各处均匀，之后烘干处理后待用。

(7)优选的实施方式中，如果第二掩膜壳体3D打印选择的材料为透紫外光型材料时，则对第二掩膜壳体进行不透紫外光处理，具体在第二掩膜壳体的外表面镀金属膜、喷涂对紫外光不透明的涂料或刷涂对紫外光不透明的涂料，得到经过不透紫外光处理后的第二掩膜壳体，使第二掩膜壳体非镂空部分对紫外光不透明。

(8)将不透光处理后的第二掩膜壳体对准附于步骤(6)已形成某种形状贴片单元组成的阵列的基底介质壳体上，通过调整使两层壳体紧密贴合，然后采用曝光设备进行曝光处理。

(9)曝光后，将不透光处理后的第二掩膜壳体取下，对步骤(8)处理后的基底介质壳体进行显影处理，基底介质壳体表面经紫外光照射的部分被显影液去除。

(10)将步骤(9)经过显影处理的基底介质壳体放入蚀刻液中进行刻蚀，将基底介质壳体外表面暴露的金属膜层去除；具体的，所用蚀刻液为氯化铜溶液或氯化铁溶液等等。

(11)针对步骤(10)后的基底介质壳体进行去胶处理，具体用去胶液将剩余的正性光刻胶去除，清洗烘干后形成复合型贴片型曲面FSS阵列，具体的去胶液可为浓度为2％的氢氧化钠溶液。

本发明的复合贴片型曲面FSS阵列制作方法，解决了现有技术通过立体打印技术只能制作开孔型曲面FSS阵列的技术问题，能够方便快捷地制作出开孔加贴片的复合贴片型曲面FSS阵列，而且能够制作出各种形状的复合贴片型曲面FSS阵列。

下面结合具体实施例予以详细描述。

本实施例为在基底介质壳体上形成圆贴片十字孔复合型贴片FSS单元阵列，如附1所示，主要工艺流程如图2所示，主要步骤是先采用镀膜工艺形成圆贴片阵列，再采用光刻工艺形成贴片中心的十字孔阵列。本实施例的制作方法中包括制作两个三维掩膜壳体，其中一个掩膜壳体是镀膜用的圆孔掩膜壳体7(即第一掩膜壳体)，另一个是光刻用的十字孔掩膜壳体8(即第二掩膜壳体)。

具体制作方法如下：

(1)用Solidworks软件对圆孔掩膜壳体7和十字孔掩膜壳体8分别进行建模，圆孔掩膜壳体7上分布着镂空圆孔，该圆孔尺寸与最终形成的圆贴片6A尺寸一致。十字孔掩膜壳体8上分布着镂空十字孔，该十字孔的十字尺寸与最终形成的十字孔6B尺寸一致。

另外，在建模过程中设置两个掩膜壳体与基底介质壳体之间的对位靶标，即基底介质壳体1上的对位靶标9、圆孔掩膜壳体7上的对位靶标10和十字孔掩膜壳体8上的对位靶标11，用以保障圆孔和十字贴片单元之间相对位置的准确性，两个掩膜壳体均与基底介质壳体1的外表面覆形，两个掩膜壳体的厚度均为0.5mm；

(2)以光敏树脂为原材料，采用紫外立体光固化(SLA)工艺打印成型圆孔掩膜壳体7和十字孔掩膜壳体8。将模型文件输入SLA打印设备，设置适当的摆放角度和支撑结构，进行模型的逐层切片、逐层成型；去除支撑材料并清洗烘干；对模型进行内外表面打磨等后续处理得到圆孔掩膜壳体7和十字孔掩膜壳体8；

(3)进一步地，对十字孔掩膜壳体8进行不透光处理，具体在十字孔掩膜壳体8的外表面镀镍金属膜得到经过不透光处理后的十字孔掩膜壳体12，使壳体非镂空部分对紫外光不透明；

(4)将圆孔掩膜壳体7附于基底介质壳体1外表面，通过调整使两层壳体紧密贴合并固定；

(5)将上述步骤中的组合壳体放置于真空镀膜设备中，采用真空溅射镀膜4工艺在组合壳体表面镀制铜膜5，膜层厚度控制在6um左右；

(6)将圆孔掩膜壳体7取下，基底介质壳体1上已形成圆贴片单元组成的阵列；

(7)向步骤(6)中已形成圆贴片单元组成的阵列的基底介质壳体1上喷涂正性光刻胶13，正性光刻胶13的膜层厚度约为10um，烘干处理后待用；

(8)将不透光处理后的十字孔掩膜壳体12对准附于步骤(6)已形成圆贴片单元组成的阵列的基底介质壳体1上，通过调整使两层壳体紧密贴合，然后采用曝光设备对壳体各处进行曝光处理；

(9)曝光后，将不透光处理后的十字孔掩膜壳体12取下，对步骤(8)处理后的基底介质壳体1进行显影处理，基底介质壳体1表面经紫外光照射的部分被显影液去除；

(10)将步骤(9)经过显影处理的基底介质壳体1放入蚀刻液中进行刻蚀，将基底介质壳体1外表面暴露的铜膜5去除，从而形成十字孔单元部分；

(11)针对步骤(10)后的基底介质壳体1进行去胶处理，具体用去胶液将剩余的正性光刻胶13去除，清洗烘干后形成圆贴片十字孔复合贴片型曲面FSS阵列。

以上实施例只是一个代表，本发明的制作方法还可以制备如：圆贴片六边形孔复合贴片型曲面FSS阵列、圆贴片圆孔复合贴片型曲面FSS阵列、圆贴片方孔复合贴片型曲面FSS阵列、圆贴片六边形孔复合贴片型曲面FSS阵列、方贴片圆孔复合贴片型曲面FSS阵列、Y贴片Y孔复合贴片型曲面FSS阵列等等。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。