史有強 ，尹雅楠 ，何 山 ，魏霖濤 ，劉偉峰

（1.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2.首都航天機械有限公司，北京 100076）

0 引言

聚甲基丙烯酰亞胺（PMI）泡沫是一種交聯(lián)型硬質(zhì)結(jié)構(gòu)型泡沫材料，密度為30～220 kg/m3，具有100%的閉孔結(jié)構(gòu)，其均勻交聯(lián)的孔壁結(jié)構(gòu)可賦予其突出的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和優(yōu)異的力學性能。同密度的情況下，PMI 泡沫具有比其他聚合物泡沫材料更高的抗壓縮強度和剛度、更優(yōu)異的耐高溫和耐濕熱性能，以及更好的抗高溫蠕變性能和尺寸穩(wěn)定性。突出的耐熱性能和高溫下優(yōu)異的抗蠕變性能，使其能承受碳纖維/環(huán)氧、碳纖維/雙馬等樹脂復合材料的高溫固化工藝條件，可實現(xiàn)泡沫夾芯與預浸料的一次共固化，廣泛應用于復合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)件的制造。上述性能特點使PMI 泡沫在航天[1-4]、航空[5-13]、艦船、高速列車、汽車[14]、風力發(fā)電等技術(shù)領域具有廣泛的應用前景。

磁控濺射法作為一種快速、低溫的鍍膜方法，制得的膜層具有均勻性好、附著力強、純度高和致密性好等特點[15]，且利用靶材進行濺射沉積，其靶材大部分都可以預先制備獲得，這有利于薄膜產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

PMI 泡沫吸波材料是典型的多功能材料，它將泡沫塑料的低密度、高強度與吸波材料的隱身性能有機結(jié)合起來，形成了質(zhì)量輕、力學強度高、吸波性能好的新型材料。

本研究采用磁控濺射法來制備PMI 泡沫鍍膜材料，以實現(xiàn)對微波的吸收，并且通過多層PMI 泡沫鍍膜材料的結(jié)構(gòu)設計，使得材料的吸波性能明顯優(yōu)于單層PMI 泡沫鍍膜材料。先通過磁控濺射將金屬靶材均勻鍍制在PMI 泡沫表面，制備成PMI 泡沫鍍膜材料，在此基礎上開展多層PMI 泡沫鍍膜材料電性能優(yōu)化設計，探索多層PMI 泡沫鍍膜材料電性能規(guī)律，最終采用膠粘劑將多層PMI 泡沫鍍膜材料進行粘接并固化，制備得到多層PMI 泡沫微波吸收材料。

1 實驗材料及方法

1.1 材料

實驗材料見表1。

表1 實驗所用原料Table 1 Materials and reagents

1.2 分析測試儀器

實驗所用儀器見表2。

表2 實驗主要儀器列表Table 2 Main instruments and equipment of experiments

1.3 PMI 泡沫處理

將4 mm 厚PMI 泡沫塑料裁成(200±2) mm×(200±2) mm 的方塊，在100 ℃烘箱中放置4～6 h以除去水汽，然后采用吹塵槍除塵備用。

1.4 磁控濺射制備PMI 泡沫鍍膜材料

將金屬靶材和PMI 泡沫材料分別裝入磁控濺射儀，在PMI 泡沫材料和金屬靶材之間設置擋板。磁控濺射儀的真空度為2.2×10?3Pa，工作氣體為氬氣，抽真空使得真空室工作壓力在0.35～0.45 Pa；調(diào)節(jié)真空室的工作電壓及電流，使得其濺射功率為1.5 kW（5.2 A，298 V）；靶材經(jīng)過10～20 min 預濺射清洗，然后移開擋板，開始濺射制備PMI 泡沫鍍膜材料，通過調(diào)節(jié)濺射時間來控制薄膜厚度。

單面鍍膜完成后，將PMI 泡沫材料未鍍膜面面向靶材放置，按照上述的工藝參數(shù)進行調(diào)節(jié)，并按相應時間要求進行二次鍍膜，制備得到PMI 泡沫鍍膜材料。

1.5 多層PMI 泡沫微波吸收材料的成型

多層PMI 泡沫微波吸收材料的成型采用壓力成型工藝制備，膠粘劑采用SG-H603A/B 體系，工藝如下：

1）刷膠：采用強力電動攪拌機將SG-H603A/B膠粘劑充分混合，用毛刷將配制好的膠粘劑均勻涂刷在PMI 泡沫鍍膜材料表面，并將PMI 泡沫鍍膜材料按設計順序排列好。

2）壓制成型：將多層PMI 泡沫鍍膜材料置于中間，兩邊依次放置微孔透氣膜、吸膠棉、脫膜布、支撐板，將此組合放在壓力成型機上進行壓制，并放置相應厚度墊片，壓制條件為25 ℃/24 h/0.5 MPa（圖1）。

3）裁型：將多層PMI 泡沫微波吸收材料裁剪成180 mm×180 mm 的方塊。

1.6 測試與表征

圖1 多層PMI 泡沫微波吸收材料的成型示意圖Fig.1 Schematic diagram of multilayer PMI foam microwave absorbing materials

采用弓形法（參照GJB 2038A—2011）測試材料反射率。用矢量網(wǎng)絡分析儀在2～18 GHz 頻率范圍內(nèi)測試平板（180 mm×180 mm）反射率。

2 結(jié)果與討論

2.1 磁控濺射靶材對多層PMI 泡沫鍍膜材料吸波性能的影響

吸收劑種類決定了微波吸收材料的吸波性能。本研究采用磁控濺射工藝在PMI 泡沫板材表面鍍膜，通過選擇不同的磁控濺射靶材進行鍍膜工藝研究，制備出不同金屬膜層、不同膜厚度的PMI 泡沫鍍膜材料，最終制備出不同吸波性能的PMI 泡沫微波吸收材料。并探索靶材種類及膜層厚度等對PMI 泡沫鍍膜材料的隱身性能影響規(guī)律。在此基礎上，進行優(yōu)化設計及性能評價等研究。

本研究選擇磁性金屬Co、Ni 及非磁性金屬Ti、Al 磁控濺射靶材，開展PMI 泡沫鍍膜泡沫吸波性能研究，在同樣的條件下鍍膜5 min，得到的反射率曲線如圖2 所示。

圖2 不同磁控濺射靶材制備的PMI 泡沫鍍膜材料的反射率曲線Fig.2 Reflectivity curves of PMI foam coating materials prepared by different magnetron sputtering targets

由圖2 可知，即使其他條件相同，不同磁控濺射靶材制備的PMI 泡沫鍍膜材料的反射率各不相同。材料反射率由大到小的靶材依次為：Al、Ti、Ni、Co，并且Al 靶材制備的PMI 泡沫鍍膜材料反射率接近零，Co 靶材制備的PMI 泡沫鍍膜材料反射率較小。另外，進一步分析發(fā)現(xiàn)，磁性金屬靶材Co、Ni（磁損耗材料）制備的PMI 泡沫鍍膜材料性能優(yōu)于非磁性金屬靶材Al、Ti（電損耗材料）。

2.2 磁控濺射鍍膜時間對PMI 泡沫鍍膜材料吸波性能的影響

由于Al 靶材制備的PMI 泡沫鍍膜材料反射率較大，重點研究Ti、Ni、Co 靶材（吸收劑）鍍膜時間（厚度）對反射率的影響。

Ti、Ni、Co 靶材不同鍍膜時間的反射率曲線如圖3 所示。采用Ti 靶材進行磁控濺射鍍膜制備的PMI 泡沫鍍膜材料，隨著鍍膜時間的增加，反射率先變小再變大，鍍膜時間為10 min 時PMI 泡沫鍍膜材料的反射率最優(yōu)，即反射率不是線性的變化，而是存在最優(yōu)值（圖3a）。采用Ni、Co 靶材進行磁控濺射鍍膜制備的PMI 泡沫鍍膜材料，隨著鍍膜時間的增加，其反射率逐漸變大，鍍膜時間為5 min 時的反射率曲線最優(yōu)（圖4、圖5）。綜上所述，為得到性能較好的PMI 泡沫鍍膜材料，采用磁控濺射工藝鍍膜時應嚴格控制好鍍膜時間。

2.3 多層PMI 泡沫鍍膜材料的電性能設計與優(yōu)化

要達到好的吸波效果，一般是通過合理設計，同時采用2種或多種材料、多層或夾層結(jié)構(gòu)，充分利用材料的性能，即采用阻抗匹配層、吸收層、反射層的方案進行材料電性能設計，并進行優(yōu)化，為下一步材料成型奠定工作基礎。

本研究對采用Co 靶材在不同鍍膜時間制備的PMI 泡沫鍍膜材料進行優(yōu)化組合搭配，得到6種優(yōu)化匹配方案，其中，1～3#厚度為20 mm，4～6#厚度為24 mm。對這6種優(yōu)化匹配方案進行搭配測試，得到的微波吸收材料反射率優(yōu)化結(jié)果如圖4 所示。

由圖4 可知，優(yōu)化的6種多層PMI 泡沫鍍膜材料中，6#多層PMI 泡沫鍍膜材料吸波性能最佳，在5～18 GHz 可實現(xiàn)反射率為?15 dB 的性能。因此，將重點研究該6#多層PMI 泡沫鍍膜材料。

2.4 多層PMI 泡沫微波吸收材料的制備

采用膠黏劑將多層PMI 泡沫鍍膜材料進行粘接，以提高鍍膜材料與PMI 泡沫材料之間的力學性能，并考察其微波吸收性能。將上述6#多層PMI 泡沫鍍膜材料制備多層PMI 泡沫微波吸收材料，其反射率曲線與優(yōu)化設計反射率曲線如圖5所示。

圖3 不同靶材、不同鍍膜時間的反射率曲線Fig.3 Reflectivity curve of different targets with different coating time

由圖5 可知，該多層PMI 泡沫微波吸收材料在5～18 GHz 頻率范圍內(nèi)，反射率可實現(xiàn)?15 dB。另外，該多層PMI 泡沫微波吸收材料實際反射率曲線較多層PMI 泡沫鍍膜材料有一定程度的整體前移，這主要是因為采用膠粘劑對多層PMI 泡沫鍍膜材料進行粘接時，使得多層PMI 泡沫微波吸收材料整體厚度略增加，帶來了吸收峰往低頻移動。但是進一步分析可知，該多層PMI 泡沫微波吸收材料實際反射率曲線整體趨勢與多層PMI 泡沫鍍膜材料優(yōu)化設計反射率曲線趨勢相同。綜上所述，該方法雖然有一定偏差，但為多層結(jié)構(gòu)吸波材料，尤其是非均質(zhì)材料的多層結(jié)構(gòu)吸波設計，提供了新的設計指導方法，并可根據(jù)設計結(jié)構(gòu)，快速得到接近實際反射率的結(jié)果。

圖4 多層PMI 泡沫鍍膜材料的反射率優(yōu)化結(jié)果Fig.4 Reflectivity optimization of multilayer PMI foam coating materials

圖5 多層PMI 泡沫微波吸收材料優(yōu)化設計與實際反射率曲線Fig.5 Optimum design and actual reflectivity curves of multilayer PMI foam microwave absorbing materials

3 結(jié)論

1）在PMI 泡沫鍍膜材料的制備過程中，靶材對反射率影響較大，需開展靶材優(yōu)化對比工作。

2）在PMI 泡沫鍍膜材料的制備過程中，鍍膜時間對反射率影響較大，需優(yōu)化鍍膜時間。

3）對采用Co 靶材在不同鍍膜時間制備的PMI 泡沫鍍膜材料進行優(yōu)化組合搭配，得到了6種優(yōu)化匹配方案，最終優(yōu)化出一種多層PMI 泡沫鍍膜材料微波吸收性能最佳。

4）利用模壓方法制備了多層PMI 泡沫微波吸收材料，該材料實際反射率曲線有一定程度的整體前移，但整體趨勢與優(yōu)化設計反射率曲線趨勢相同。該方法為多層結(jié)構(gòu)吸波材料，尤其是非均質(zhì)材料的多層結(jié)構(gòu)吸波設計，提供了新的設計指導方法。