大面积银铜核壳复合金属网栅电磁屏蔽玻璃增材制造

|3DScienceValley· 2023/11/17

谷专栏

随着电磁污染的增加，电磁干扰（EMI）屏蔽材料引起了广泛关注，在可视化窗口、航空航天设备和可穿戴设备领域中广泛应用。但在保持出色透光率的同时实现高性能 EMI 屏蔽仍然是一个挑战。此外，在极冷环境下，良好的电加热性能也成为了视窗器件正常工作的保障。所以，亟需开发兼具光电性能、电磁屏蔽以及电加热性能的新型材料。

近日，青岛理工大学兰红波教授团队提出一种大面积银铜核壳复合金属网栅电磁屏蔽玻璃增材制造工艺，相关论文以“Additive Manufacturing of Large-scale Metal Mesh with Core-shell Composite Structure for Transparent Electromagnetic Shielding/glass Heater”为题，发表在《Chinese Journal of Mechanical Engineering: Additive Manufacturing Frontiers》。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772665723000284

论文亮点

①金属网栅结构的周期、线宽等参数可以相对独立调节，可更好地权衡器件透光率和导电性。

②电场驱动复合微纳3D打印工艺可实现高分辨率金属银网栅制造，避免了光刻、蚀刻以及压印技术工艺复杂等问题。

③结合电镀工艺制备银铜复合网格，可在提高导电性、电加热性能和屏蔽效能的同时避免多层打印，提高了生产效率。

试验方法

阐述了基于电场驱动喷射（EFD）微3D打印和电镀工艺的银铜复合金属网栅透明电磁屏蔽玻璃制造工艺流程以及原理，通过实验揭示了打印工艺参数（电压、气压，打印速度）对银网栅形貌与质量的影响规律，优化得到高分辨率银网栅制备工艺窗口；通过电镀实验揭示了电镀参数（电流密度、电镀时间）对制备的银铜复合金属网栅形貌与质量的影响规律，优化出高光电性能银铜复合金属网栅制备工艺窗口。

图1 银铜核壳复合金属网栅电磁屏蔽玻璃制造工艺

图2 EFD微纳3D打印工艺研究：（a）打印原理图;（b）六层银网栅的扫描电子显微镜图像;（c）纳米涂层疏水效果和不同电压（200 V，1000 V，2000 V，4000 V）下相应的银线形貌;（d）打印气压对线宽的影响;（e）打印高度对线宽的影响;（f）打印速度对线宽的影响;（g）大尺寸无拼接金属网栅透明电磁屏蔽玻璃（40cm×40cm）;（h-i）金属银网栅的扫描电子显微镜图像。

结果

基于电场驱动喷射微3D打印和电镀工艺的银铜复合金属网栅透明电磁屏蔽玻璃的新方法，实现了高透光、高屏蔽效能以及高电加热性能的复合金属网栅制造。制备了周期250μm、线宽10μm、方阻0.21Ω/sq、可见光550nm处透光率为90.1%的典型样件。制造的银铜复合金属网栅透明电磁屏蔽玻璃拥有良好的机械性能和环境稳定性：150次附着力测试后电阻变化率小于3%、72小时酸（PH=2.6）碱（PH=12.86）性腐蚀性测试电阻变化率分别为6%和0.6%，验证了制造的透明电磁屏蔽玻璃的稳定性。同时，银铜复合金属网栅透明电磁屏蔽玻璃也拥有高效的除冰除雾性能（3V直流电压可达到189 °C稳态温度）和高效的电磁屏蔽效能，其在X波段下（8-12GHz）的平均屏蔽效能大于23dB，能够满足大部分民用领域的电磁屏蔽要求。

图3 银铜复合金属的电加热性能：（a）不同电压（1 V、1.5 V、2 V、2.5 V、3V）下的热响应曲线图;（b）金属银网栅和银铜复合金属网在相同线宽下的电加热效果图（电压3V）;(c）不同环境温度（5°C、20°C、40°C）下的电加热效果图;（d）50次热循环疲劳试验结果;（e）不同电压（1 V、1.5 V、2 V、2.5 V、3V）下的稳态温度分布图像;（f）不同时长的除冰效果图。

图4 银铜复合金属网的电磁屏蔽效果：（a）银铜复合金属网的截面扫描电子显微图像;（b) 银元素分布图像;（c）铜元素分布图像;（d）X波段屏蔽效果;（e）周期性核壳结构示意图;（f）电磁屏蔽效果的模拟验证;（g） X射线能谱分析图。

结论

提出一种电场驱动喷射微3D打印和电镀工艺结合制造透明电磁屏蔽玻璃的新方法，实现了媲美大高宽比金属网格的优良光电性能、电磁屏蔽效能以及电加热性能。研究高精度银网的打印规律（打印电压、气压、速度、高度）和高性能银铜复合金属网的成型规律（电流密度、电镀时间），获得最优性能。本研究提出的制造方法具有优异的成本效益和效率优势，为低成本、大规模生产电磁屏蔽透明电加热玻璃提供了一条可行的路径。

前景与应用

银铜复合金属网栅透明电磁屏蔽具备超高的可见光透光性，同时也具备高效的电加热以及电磁屏蔽效能。该研究成果可应用在航空航天、军事国防、医疗建筑以及通讯领域的屏蔽显示窗。

来源 l机械工程学报

论文引用信息：

Yuping Tai, Junyi Zhou, Xiaoyang Zhu, Houchao Zhang, Hongke Li, Zhenghao Li, Rui Wang, Fan Zhang, Guangming Zhang, Chaohong Liu, Hongbo Lan. Additive Manufacturing of Large-scale Metal Mesh with Core-shell Composite Structure for Transparent Electromagnetic Shielding/glass Heater. Chinese Journal of Mechanical Engineering: Additive Manufacturing Frontiers, 2023, 2(3): 100089.

https://doi.org/10.1016/j.cjmeam.2023.100089.