多層PMI 泡沫微波吸收材料的設(shè)計(jì)及性能檢測(cè)

史有強(qiáng) ，尹雅楠 ，何 山 ，魏霖濤 ，劉偉峰

（1.中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2.首都航天機(jī)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(xué)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(qiáng)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(fù)合材料的高溫固化工藝條件，可實(shí)現(xiàn)泡沫夾芯與預(yù)浸料的一次共固化，廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)件的制造。上述性能特點(diǎn)使PMI 泡沫在航天[1-4]、航空[5-13]、艦船、高速列車、汽車[14]、風(fēng)力發(fā)電等技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)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(qiáng)、純度高和致密性好等特點(diǎn)[15]，且利用靶材進(jìn)行濺射沉積，其靶材大部分都可以預(yù)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(qiáng)度與吸波材料的隱身性能有機(jī)結(jié)合起來(lái)，形成了質(zhì)量輕、力學(xué)強(qiáng)度高、吸波性能好的新型材料。

本研究采用磁控濺射法來(lái)制備PMI 泡沫鍍膜材料，以實(shí)現(xiàn)對(duì)微波的吸收，并且通過(guò)多層PMI 泡沫鍍膜材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(guò)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(chǔ)上開展多層PMI 泡沫鍍膜材料電性能優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(jìn)行粘接并固化，制備得到多層PMI 泡沫微波吸收材料。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)材料見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)所用原料Table 1 Materials and reagents

1.2 分析測(cè)試儀器

實(shí)驗(yàn)所用儀器見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)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(shè)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(guò)10～20 min 預(yù)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(guò)調(diào)節(jié)濺射時(shí)間來(lái)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(jìn)行調(diào)節(jié)，并按相應(yīng)時(shí)間要求進(jìn)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(qiáng)力電動(dòng)攪拌機(jī)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(shè)計(jì)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(jī)上進(jìn)行壓制，并放置相應(yīng)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(cè)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(cè)試材料反射率。用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在2～18 GHz 頻率范圍內(nèi)測(cè)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(duì)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(guò)選擇不同的磁控濺射靶材進(jìn)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(duì)PMI 泡沫鍍膜材料的隱身性能影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)及性能評(píng)價(jià)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(jìn)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(shí)間對(duì)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(diǎn)研究Ti、Ni、Co 靶材（吸收劑）鍍膜時(shí)間（厚度）對(duì)反射率的影響。

Ti、Ni、Co 靶材不同鍍膜時(shí)間的反射率曲線如圖3 所示。采用Ti 靶材進(jìn)行磁控濺射鍍膜制備的PMI 泡沫鍍膜材料，隨著鍍膜時(shí)間的增加，反射率先變小再變大，鍍膜時(shí)間為10 min 時(shí)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(jìn)行磁控濺射鍍膜制備的PMI 泡沫鍍膜材料，隨著鍍膜時(shí)間的增加，其反射率逐漸變大，鍍膜時(shí)間為5 min 時(shí)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(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制好鍍膜時(shí)間。

2.3 多層PMI 泡沫鍍膜材料的電性能設(shè)計(jì)與優(yōu)化

要達(dá)到好的吸波效果，一般是通過(guò)合理設(shè)計(jì)，同時(shí)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(jìn)行材料電性能設(shè)計(jì)，并進(jìn)行優(yōu)化，為下一步材料成型奠定工作基礎(chǔ)。

本研究對(duì)采用Co 靶材在不同鍍膜時(shí)間制備的PMI 泡沫鍍膜材料進(jìn)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(duì)這6種優(yōu)化匹配方案進(jìn)行搭配測(cè)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(shí)現(xiàn)反射率為?15 dB 的性能。因此，將重點(diǎn)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(jìn)行粘接，以提高鍍膜材料與PMI 泡沫材料之間的力學(xué)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(shè)計(jì)反射率曲線如圖5所示。

圖3 不同靶材、不同鍍膜時(shí)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(shí)現(xiàn)?15 dB。另外，該多層PMI 泡沫微波吸收材料實(shí)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?yàn)椴捎媚z粘劑對(duì)多層PMI 泡沫鍍膜材料進(jìn)行粘接時(shí)，使得多層PMI 泡沫微波吸收材料整體厚度略增加，帶來(lái)了吸收峰往低頻移動(dòng)。但是進(jìn)一步分析可知，該多層PMI 泡沫微波吸收材料實(shí)際反射率曲線整體趨勢(shì)與多層PMI 泡沫鍍膜材料優(yōu)化設(shè)計(jì)反射率曲線趨勢(shì)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(shè)計(jì)，提供了新的設(shè)計(jì)指導(dǎo)方法，并可根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，快速得到接近實(shí)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(shè)計(jì)與實(shí)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(guò)程中，靶材對(duì)反射率影響較大，需開展靶材優(yōu)化對(duì)比工作。

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

3）對(duì)采用Co 靶材在不同鍍膜時(shí)間制備的PMI 泡沫鍍膜材料進(jìn)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(shí)際反射率曲線有一定程度的整體前移，但整體趨勢(shì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)反射率曲線趨勢(shì)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(shè)計(jì)，提供了新的設(shè)計(jì)指導(dǎo)方法。