王曉冬 田永紅 徐帆 苗昕揚(yáng) 趙昆

摘 要： 近年來(lái)，太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)作為一種新型的光譜分析手段成為研究的熱點(diǎn)。太赫茲波在塑料材料檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)，可以作為塑料材料鑒別的新方法。本文研究了太赫茲波通過(guò)不同形狀3D打印ABS材料的光譜特性，討論了太赫茲波通過(guò)不同形狀樣品的時(shí)間和厚度隨測(cè)量點(diǎn)變化趨勢(shì)，結(jié)果表明太赫茲波通過(guò)不同形狀A(yù)BS材料的時(shí)間和厚度正相關(guān)；同時(shí)，得到了3D打印ABS材料的折射率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)于研究不同形狀A(yù)BS材料與太赫茲波的作用以及其他的3D打印材料的研究提供了一定幫助。

關(guān)鍵詞： 太赫茲時(shí)域光譜；3D打印；ABS材料

中國(guó)分類(lèi)圖號(hào)：TB322

0 引言

3D打印技術(shù)是一種通過(guò)材料的逐漸堆積來(lái)實(shí)現(xiàn)制造的技術(shù)。它通過(guò)將計(jì)算機(jī)將成形零件的3D模型切成一系列一定厚度的“薄片”，使用3D打印設(shè)備自下而上加工出三維的實(shí)體零件。[1]隨著工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，3D打印技術(shù)得到迅速發(fā)展并得到媒體的廣泛關(guān)注。目前3D打印已經(jīng)被用于航空航天、生物醫(yī)療、新材料、新能源等眾多領(lǐng)域和行業(yè)。[2]

ABS是Acrylonitrile-Butadine-Styrene（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）的縮寫(xiě)。ABS塑料是目前FDM桌面3D打印機(jī)應(yīng)用最早，產(chǎn)量最大的打印耗材。ABS塑料具有耐熱性、抗沖擊性、耐化學(xué)腐蝕及制品尺寸穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械、電子電器、儀表儀器等不同行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。[3]近年來(lái)，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)，ABS樹(shù)脂的生產(chǎn)和消費(fèi)也呈現(xiàn)出了飛速的發(fā)展。但我國(guó)ABS樹(shù)脂的生產(chǎn)能力還不能滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)生產(chǎn)實(shí)際的需求，每年都得大量進(jìn)口，開(kāi)發(fā)利用前景廣闊。2015-2016年的世界塑料工業(yè)進(jìn)展的相關(guān)資料表明，工程塑料的需求增長(zhǎng)率普遍高于通用塑料，苯乙烯類(lèi)共聚物ABS等的需求增長(zhǎng)率高達(dá)4.1%。[4]

太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)在塑料材料的檢測(cè)方面有著很大優(yōu)勢(shì)。2010年，王鶴、趙國(guó)忠利用太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)研究了5種不同塑料的透射譜，得到了5種塑料的吸收譜和折射率的色散特性。[5]2014年，S F Busch等人對(duì)ABS、PLA、Nylon、Bendlay、Polystyrene、HDPE、PP等7種不同的3D打印的材料進(jìn)行了研究，獲得了7種材料的折射率譜，吸收譜。[6]此外，3D打印的太赫茲光學(xué)器件也進(jìn)行了相關(guān)方面的研究。[7]。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，3D打印技術(shù)和太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)在塑料研究中的應(yīng)用會(huì)對(duì)現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品的檢測(cè)帶來(lái)新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

1實(shí)驗(yàn)

1.1樣品設(shè)計(jì)及制備

本實(shí)驗(yàn)采用FDM成型工藝的3D打印技術(shù)制作樣品，所用的樣品首先通過(guò)ProE5.0軟件繪制3D物理模型，并轉(zhuǎn)化輸出為stl格式文件。然后將相應(yīng)的stl文件格式導(dǎo)入3D打印機(jī)，設(shè)置好打印機(jī)的相關(guān)參數(shù)如打印品質(zhì)-優(yōu)良、內(nèi)部填充密度-堅(jiān)硬（90%）、外殼-一般殼層、打印厚度-0.2、打印速度-標(biāo)準(zhǔn)等基本參數(shù)化后，使用3D打印機(jī)獨(dú)立工作將所需樣品打印出來(lái)。設(shè)計(jì)和打印出來(lái)的樣品如1（a）、1（b）所示。

1.2實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置

透射式THz-TDS檢測(cè)實(shí)驗(yàn)使用的系統(tǒng)裝置由大恒光電公司制造的THz系統(tǒng)組成，其飛秒激光器的重復(fù)頻率為80MHz，脈沖寬度小于100fs，中心波長(zhǎng)為800nm，輸出功率為960mW。利用該系統(tǒng)可以測(cè)試。實(shí)驗(yàn)在室溫約為21？C（約294K）下進(jìn)行。

實(shí)驗(yàn)中將樣品置于實(shí)驗(yàn)位移平臺(tái)上，調(diào)整樣品與太赫茲波垂直角度，固定樣品。開(kāi)啟THz-TDS測(cè)量程序后，設(shè)置好相關(guān)參數(shù)，開(kāi)始掃描，每一次掃描完成后，計(jì)算機(jī)采集并保存測(cè)量區(qū)域中每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的時(shí)域譜信息。每次測(cè)量結(jié)束后，朝同方向使位移平臺(tái)移動(dòng)1mm，使太赫茲波通過(guò)樣品的不同位置，為確保樣品全部被測(cè)量，測(cè)量從位于樣品一側(cè)的空氣當(dāng)中的開(kāi)始測(cè)量，到樣品另一側(cè)的空氣中結(jié)束為止。

2結(jié)果與討論

圖2（a）（b）（c）分別為不同形狀A(yù)BS材料的S1、S2、S3樣品的太赫茲時(shí)域譜，時(shí)域譜中包含豐富的振幅和相位信息。從圖中可以看出，太赫茲波在空氣中出現(xiàn)峰值的時(shí)間為1.9333ps，對(duì)應(yīng)的空氣中幅值0.0107；太赫茲波通過(guò)厚度為6mm樣品的時(shí)間為14.3333ps，通過(guò)厚度為1mm的樣品時(shí)間為3.8667ps。由于太赫茲波在樣品中的折射率大于在空氣中的折射率，且不同填充度下相同厚度的樣品的折射率有所不同，因此太赫茲波通過(guò)樣品振幅會(huì)有明顯的下降，且不同厚度的樣品振幅下降各不相同，說(shuō)明太赫茲波在不同厚度樣品中的損耗各不相同，樣品各波形在時(shí)間上均有延遲，同時(shí)，樣品的色散也造成時(shí)域波形的展寬。此外，太赫茲波通過(guò)不同樣品不同位置的時(shí)間和幅值變化呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。對(duì)樣品S1、S2，太赫茲波通過(guò)樣品時(shí)間先減小，后增大；對(duì)樣品S3，太赫茲波通過(guò)樣品時(shí)間先增大，后減?。徽w表現(xiàn)出與樣品的厚度變化一致的趨勢(shì)。

為了更加清楚的研究厚度對(duì)太赫茲波通過(guò)時(shí)間的影響，我們提取了太赫茲波通過(guò)不同形狀樣品的時(shí)間，并通過(guò)不同樣品的曲線(xiàn)方程得到相應(yīng)厚度，結(jié)果如圖2（d）（e）（f）所示。

圖2（d）（e）（f）分別為太赫茲波通過(guò)樣品S1、S2、S3的延遲時(shí)間、厚度隨測(cè)量點(diǎn)位置變化的規(guī)律，從圖中可以看出，太赫茲波通過(guò)相同厚度的時(shí)間相同，同時(shí)，延遲時(shí)間和厚度隨測(cè)量點(diǎn)位置的變化趨勢(shì)一致，兩者表現(xiàn)出正相關(guān)性，即厚度減小，延遲時(shí)間減??；厚度增大，延遲時(shí)間增大。

此外，通過(guò)對(duì)時(shí)域譜數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換，得到了3D打印ABS材料的折射率譜，結(jié)果如圖3所示。

圖3為太赫茲波透過(guò)樣品S3厚度為1mm處0.4-1.6THz的折射率。 從圖中可以看出，在0.4-1.6THz范圍內(nèi)，3D打印ABS材料的折射率隨著頻率增加略有減小的趨勢(shì)，樣品的平均為1.56。

3 結(jié)論

本文采用透射式THz-TDS研究了3種不同形狀的3D打印ABS材料的光譜特性，結(jié)果表明，太赫茲波通過(guò)不同形狀的ABS材料的時(shí)間與厚度正相關(guān)。此外，我們還獲得了3D打印ABS材料在0.4-1.6THz的折射率譜。結(jié)果對(duì)于研究不同形狀A(yù)BS材料與太赫茲波的作用以及其他的3D打印材料的研究提供了一定依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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[7]楊晶，龔誠(chéng)等.利用3D打印技術(shù)制備太赫茲器件[J].中國(guó)光學(xué)，2017，1（10）：77-85.