本發(fā)明涉及航天材料領(lǐng)域，尤其涉及一種中溫頻率選擇表面材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

雷達(dá)天線罩是保證雷達(dá)天線系統(tǒng)正常工作的基本設(shè)施，既是導(dǎo)彈彈體的組成部分，又是雷達(dá)制導(dǎo)系統(tǒng)的組成部分。纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料因具有輕質(zhì)、比強(qiáng)/剛度高、耐氣動加熱、加工精度高、多功能一體化和成本可控等優(yōu)點，已經(jīng)成為天線罩的主要材料。常用的透波樹脂基體為環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、不飽和聚酯樹脂以及有機(jī)硅樹脂等。環(huán)氧樹脂是最常用的基體樹脂之一，但其使用溫度太低；酚醛樹脂具有較好的耐熱性能、力學(xué)性能和耐環(huán)境性，但固化反應(yīng)中會產(chǎn)生低分子揮發(fā)物，成型壓力高，而且介質(zhì)損耗較大；有機(jī)硅樹脂雖然具有耐熱性和優(yōu)良的介電性能，但其機(jī)械強(qiáng)度較低，因此上述樹脂都難以用作耐高溫透波基體樹脂。而增強(qiáng)材料主要有D玻璃纖維、石英玻璃纖維和高硅氧玻璃纖維，其中，石英玻璃纖維的介電性能最好，可以實現(xiàn)天線罩的寬頻透波性。頻率選擇表面是由大量的無源諧振單元組成的單屏或多屏周期性陣列結(jié)構(gòu)，在單元諧振頻率附近呈現(xiàn)全反射(貼片型)或全傳輸特性(孔徑型)又分別稱為帶阻或帶通型頻率選擇表面。將由金屬屏上周期性排列的孔徑單元組成的頻率選擇表面應(yīng)用于雷達(dá)天線罩，可以降低天線系統(tǒng)工作頻段外的雷達(dá)散射截面，因此采用頻率選擇表面材料實現(xiàn)了雷達(dá)天線罩的隱身功能。然而隨著新一代飛行器飛行速度的增加，其在飛行時將處于高速氣動加熱、加載以及雨滴沖擊等嚴(yán)峻環(huán)境中，要求頻率選擇表面材料可以耐受更高的溫度(大于400℃)，而目前常用的頻率選擇表面材料主要應(yīng)用于常溫，缺乏兼容雷達(dá)隱身與工作頻段透波功能一體化的耐400℃～600℃中溫頻率選擇表面材料及其制備方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、輕質(zhì)中溫頻率選擇表面材料及其制備方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為：

一種中溫頻率選擇表面材料，為層狀結(jié)構(gòu)，由下至上依次包括基底層、中間介質(zhì)層和金屬型頻率選擇表面層；其中，所述基底層是由石英纖維增強(qiáng)聚酰亞胺樹脂基復(fù)合材料構(gòu)成；所述中間介質(zhì)層為耐高溫聚酰亞胺薄膜。

上述的中溫頻率選擇表面材料，優(yōu)選的，所述金屬型頻率選擇表面層為具有一定圖案的金屬鍍層；所述金屬鍍層的材料選自鎳、銅、鉻、銀、金中的一種或者多種合金。

上述的中溫頻率選擇表面材料，優(yōu)選的，所述基底層的厚度為2.0～3.5mm，所述中間介質(zhì)層的厚度為0.025～0.15mm，所述金屬型頻率選擇表面層的厚度為0.5～8.0μm。

作為一個總的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種上述的中溫頻率選擇表面材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)選取滿足性能要求的石英纖維布，將聚酰亞胺溶液涂覆到石英纖維布上，制成預(yù)浸料，再采用熱模壓成型工藝將所述預(yù)浸料制成基底層；

(2)在耐高溫聚酰亞胺薄膜的表面制備一層金屬鍍層，再采用印刷電路板刻蝕工藝或電路板雕刻工藝在所述金屬鍍層上刻蝕出符合設(shè)計和參數(shù)要求的頻率選擇表面，得到中間介質(zhì)層/金屬型頻率選擇表面層；

(3)先采用耐高溫聚酰亞胺粘結(jié)劑涂覆于基底層表面，干燥，再采用熱模壓法將基底層與所述中間介質(zhì)層/金屬型頻率選擇表面層粘合成一個整體，即得到所述中溫頻率選擇表面材料。

上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟(2)中，聚酰亞胺薄膜是指將質(zhì)量濃度為30wt％～45wt％的聚酰亞胺溶液平鋪在潔凈的玻璃板上，然后放入馬弗爐中進(jìn)行高溫亞胺化處理，待玻璃板冷卻后取出，在恒溫水浴鍋中分離出薄膜，最后經(jīng)干燥獲得。

上述的制備方法，優(yōu)選的，所述亞胺化處理工藝參數(shù)為：先將溫度升至80℃～120℃，保溫4～7h；再將溫度升至220℃～260℃，保溫1～4h；最后將溫度升至350℃～380℃保溫1～4h，最后自然降溫，其中升溫速率為1～5℃/min；所述恒溫水浴鍋的溫度控制在40～80℃；所述干燥溫度為100℃～140℃，干燥的時間為1～3h。

上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟(1)中，聚酰亞胺溶液與石英纖維布的質(zhì)量比為(0.5～0.8)：1；熱模壓工藝成型的參數(shù)為：先將溫度升至200℃～240℃，并保溫2～5h，再將溫度直接升至350℃～380℃保溫2～5h，最后自然降溫；其中，升溫速率為3～5℃/min，當(dāng)溫度升至310℃～350℃時開始施加5～10MPa的壓力，并一直保持該壓力直至溫度降至200℃以下。

上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟(3)中，基底層在涂覆耐高溫聚酰亞胺粘結(jié)劑之前還需經(jīng)過噴砂粗化處理，所述噴砂粗化處理優(yōu)選的工藝參數(shù)為：氣壓0.2MPa～0.6MPa，噴砂距離40mm～60mm，噴槍與基底材料的角度為45°～60°，沙子粒徑為50μm～100μm，噴砂時間為1min～3min，干燥溫度為100℃～140℃。

上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟(2)中，金屬鍍層是采用磁控濺射工藝制備的，所述磁控濺射方法的工藝參數(shù)主要有：保護(hù)氣氛為Ar氣，氣氛壓強(qiáng)控制為0.5Pa～2Pa，濺射溫度為200℃～400℃，濺射時間為5min～50min，金屬靶材的純度為99.99％。

上述的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟(3)中，干燥的具體過程為：先將溫度升至70～90℃，并保溫6～10h，再將溫度升至200～220℃，保溫2～4h，其中升溫速率為3～5℃/min；

所述步驟(3)中的熱模壓工藝參數(shù)為：先將溫度升至200～250℃，保溫2～4h，再將溫度升至350～380℃保溫2～4h，最后自然降溫；其中升溫速率為3～5℃/min，在溫度升至290～320℃時開始施加2～4MPa的壓力并保持該壓力直至溫度降至200℃以下。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：

(1)本發(fā)明的中溫頻率選擇表面材料耐溫等級顯著提高，可以短期耐受400℃～600℃，具有較好的耐溫性能。

(2)本發(fā)明的中溫頻率選擇表面材料具備兼容雷達(dá)隱身與工作頻段透波功能一體化；本發(fā)明通過基底材料厚度、頻率選擇表面形狀及其結(jié)構(gòu)尺寸等參數(shù)設(shè)計，可以調(diào)控入射電磁波的頻帶寬度和透過率，實現(xiàn)雷達(dá)波帶內(nèi)高透過率、帶外雷達(dá)隱身效果。

(3)本發(fā)明的中溫頻率選擇表面材料采用的柔性金屬型頻率選擇表面，可以應(yīng)用于不同形狀基底材料表面，在不改變原來天線罩的外形及其機(jī)械強(qiáng)度的情況下取得明顯的隱身效果。

(4)本發(fā)明的制備方法中采用印刷電路板刻蝕工藝制備頻率選擇圖案，工藝操作簡單，且尺寸精度優(yōu)于20μm，具有較好的尺寸精度。

(5)本發(fā)明最外層采用粘結(jié)柔性金屬型頻率選擇表面層，在實現(xiàn)選擇性透波性能的同時，可以減少對中溫頻率選擇表面材料層間剪切結(jié)合強(qiáng)度的影響。

(6)本發(fā)明的制備方法工藝簡單，工藝成本也相對較低，有利于工業(yè)化生產(chǎn)和推廣。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的中溫頻率選擇表面材料結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明實施例1制備的聚酰亞胺薄膜照片。

圖3為本發(fā)明實施例1制備的頻率選擇層表面顯微照片。

圖4為本發(fā)明實施例1制備的中溫頻率選擇表面材料的平板照片。

圖5為本發(fā)明實施例1制備的中溫頻率選擇表面材料透波性能圖。

圖6為本發(fā)明實施例2制備的中溫頻率選擇表面平板樣。

圖7為本發(fā)明實施例2制備的中溫頻率選擇表面材料透波性能圖。

具體實施方式

為了便于理解本發(fā)明，下文將結(jié)合說明書附圖和較佳的實施例對本發(fā)明作更全面、細(xì)致地描述，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于以下具體的實施例。

除非另有定義，下文中所使用的所有專業(yè)術(shù)語與本領(lǐng)域技術(shù)人員通常理解的含義相同。本文中所使用的專業(yè)術(shù)語只是為了描述具體實施例的目的，并不是旨在限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

除有特別說明，本發(fā)明中用到的各種試劑、原料均為可以從市場上購買的商品或者可以通過公知的方法制得的產(chǎn)品。

實施例1：

一種本發(fā)明的中溫頻率選擇表面材料，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，由下至上依次包括基底層、中間介質(zhì)層與金屬型頻率選擇表面層，其中基底層采用的是石英纖維增強(qiáng)聚酰亞胺樹脂基復(fù)合材料，中間介質(zhì)層采用耐高溫絕緣聚酰亞胺薄膜，頻率選擇表面層是具有一定選擇表面圖案的金屬鎳層；基底層厚度為2.82mm，中間介質(zhì)層厚度為0.075mm，鎳層厚度為3.05μm，該中溫頻率選擇表面材料平板樣總厚度為3.00mm。

本實施例的中溫頻率選擇表面材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)選取菲力華B級平紋石英纖維布，按照聚酰亞胺樹脂溶液與石英纖維布質(zhì)量比為0.7:1的量將濃度為40wt％的聚酰亞胺樹脂溶液涂覆到石英纖維布上，表面晾干后制成預(yù)浸料。

(2)按照模具規(guī)格對預(yù)浸料進(jìn)行裁剪，并根據(jù)基板厚度，將步驟(1)制備的預(yù)浸料鋪放在模具中，并置于硫化機(jī)中，先將硫化機(jī)的溫度以4℃/min的升溫速率升至230℃，并保溫2h；再將溫度以4℃/min的升溫速率升至370℃保溫2h后自然降溫；當(dāng)溫度升至340℃時開始施加8MPa的壓力并保持該壓力直至溫度降至200℃以下，卸壓卸模，制成基底層。

(3)對基底層進(jìn)行噴砂粗化處理后備用，其中噴砂粗化工藝參數(shù)為：氣壓為0.4MPa，噴砂距離50mm，沙子粒徑在50μm～100μm之間，噴槍與基板角度為60°，噴砂時間為2min，烘箱干燥溫度為120℃。

(4)將質(zhì)量濃度為40wt％的聚酰亞胺溶液經(jīng)濾網(wǎng)過濾后，平鋪在潔凈的玻璃板上，然后放入馬弗爐中進(jìn)行高溫亞胺化處理，先將馬弗爐的溫度以1.5℃/min的升溫速率升至100℃，并保溫5h；再將溫度以3℃/min的升溫速率升至240℃，并保溫2h；最后將溫度以5℃/min的升溫速率升至380℃，并保溫2h；待玻璃板冷卻后取出，在50℃恒溫水浴鍋中分離得到聚酰亞胺薄膜，在120℃烘箱中干燥2h，得到干燥的聚酰亞胺薄膜，照片如圖2所述。

(5)采用磁控濺射工藝在步驟(4)制備的聚酰亞胺薄膜表面制備鎳層，其中磁控濺射工藝參數(shù)為：保護(hù)氣氛為Ar氣，工作氣壓為0.9Pa，濺射溫度為200℃，濺射時間為20min，Ni靶純度為99.99％，最終得到鎳層的厚度為3.05μm。

(6)采用印刷電路板刻蝕工藝在步驟(5)制備的鎳層上刻蝕出如圖3所示的頻率選擇表面圖案，從而得到柔性金屬型頻率選擇表面層。

(7)將耐高溫聚酰亞胺粘結(jié)劑涂覆在步驟(3)粗化處理的基底層表面，置于烘箱中，將烘箱溫度升至80℃保溫6h，再將溫度升至200℃保溫2h后自然降溫；再依次將基底材料層和步驟(6)得到的柔性金屬型頻率選擇表面層放于模具中，采用熱模壓法粘合成整體，從而得到中溫頻率選擇表面材料(照片如圖4所示)，其中熱模壓工藝參數(shù)為：先將溫度升至240℃保溫2h，再將溫度升至370℃保溫2h后自然降溫；其中升溫速率為4℃/min，當(dāng)溫度升至310℃時開始施加2MPa的壓力并保持該壓力直至溫度降至200℃以下。

本實施例制備的中溫頻率選擇表面材料性能如圖5所示，從圖中可以看出，本實施例制備的中溫頻率選擇表面材料在5.7～13.5GHz頻率范圍內(nèi)可以實現(xiàn)95％以上的高透過率，而在帶外實現(xiàn)其隱身功能。

實施例2：

一種本發(fā)明的中溫頻率選擇表面材料，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，由下至上依次包括基底層、中間介質(zhì)層與金屬型頻率選擇表面層，其中基底層采用的是石英纖維增強(qiáng)聚酰亞胺樹脂基復(fù)合材料，中間介質(zhì)層采用耐高溫絕緣聚酰亞胺薄膜，頻率選擇表面層是具有一定選擇表面圖案的金屬銀層；基底層厚度為2.68mm，中間介質(zhì)層厚度為0.075mm，銀層厚度為2.42μm，該中溫頻率選擇表面材料平板樣總厚度為2.76mm。

本實施例的中溫頻率選擇表面材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)選取菲力華B級平紋石英纖維布，按照聚酰亞胺樹脂溶液與石英纖維布質(zhì)量比為0.6:1的量將濃度為30wt％的聚酰亞胺樹脂溶液涂覆到石英纖維布上，表面晾干后制成預(yù)浸料。

(2)按照模具規(guī)格對預(yù)浸料進(jìn)行裁剪，并根據(jù)基板厚度，將步驟(1)制備的預(yù)浸料鋪放在模具中，并置于硫化機(jī)中，先將硫化機(jī)的溫度以4℃/min的升溫速率升至230℃，并保溫2h；再將溫度以4℃/min的升溫速率升至370℃保溫2h后自然降溫；當(dāng)溫度升至350℃時開始施加8MPa的壓力并保持該壓力直至溫度降至200℃以下，卸壓卸模，制成基底層。

(3)對基底層進(jìn)行噴砂粗化處理后備用，其中噴砂粗化工藝參數(shù)為：氣壓為0.4MPa，噴砂距離50mm，沙子粒徑在50μm～100μm之間，噴槍與基板角度為45°，噴砂時間為2min，烘箱干燥溫度為120℃。

(4)將質(zhì)量濃度為40wt％的聚酰亞胺溶液經(jīng)濾網(wǎng)過濾后，平鋪在潔凈的玻璃板上，然后放入馬弗爐中進(jìn)行高溫亞胺化處理，先將馬弗爐的溫度以2℃/min的升溫速率升至80℃，并保溫5h；再將溫度以3℃/min的升溫速率升至240℃，并保溫2h；最后將溫度以5℃/min的升溫速率升至370℃，并保溫2h；待玻璃板冷卻后取出，在70℃恒溫水浴鍋中分離得到聚酰亞胺薄膜，在120℃烘箱中干燥2h，得到干燥的聚酰亞胺薄膜。

(5)采用磁控濺射工藝在步驟(4)制備的聚酰亞胺薄膜表面制備銀層，其中磁控濺射工藝參數(shù)為：保護(hù)氣氛為Ar氣，工作氣壓為0.5Pa，濺射溫度為200℃，濺射時間為15min，Ni靶純度為99.99％，最終得到銀層的厚度為2.42μm。

(6)采用印刷電路板刻蝕工藝在步驟(5)制備的鎳層上刻蝕出一定的頻率選擇表面圖案，從而得到柔性金屬型頻率選擇表面層。

(7)將耐高溫聚酰亞胺粘結(jié)劑涂覆在步驟(3)粗化處理的基底層表面，置于烘箱中，將烘箱溫度升至80℃保溫6h，再將溫度升至200℃保溫2h后自然降溫；再依次將基底材料層和步驟(6)得到的柔性金屬型頻率選擇表面層放于模具中，采用熱模壓法粘合成整體，從而得到中溫頻率選擇表面材料(照片如圖6所示)，其中熱模壓工藝參數(shù)為：先將溫度升至240℃保溫2h，再將溫度升至370℃保溫2h后自然降溫；其中升溫速率為4℃/min，當(dāng)溫度升至330℃時開始施加2MPa的壓力并保持該壓力直至溫度降至200℃以下。

本實施例制備的中溫頻率選擇表面材料性能如圖7所示，從圖中可以看出，本實施例制備的中溫頻率選擇表面材料在9.5～14.2GHz頻率范圍內(nèi)具有95％以上的高透過率，實現(xiàn)了帶外隱身的目的。