泡沫材料是一类理想的轻质结构材料，在航空航天领域扮演着越来越重要的角色。随着航空航天等特殊领域对泡沫材料性能要求的不断提高，传统的聚氨酯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等泡沫材料已不能满足这些领域对材料强度、刚度及耐热性的特殊要求。目前国外已将高性能泡沫塑料作为承载的结构材料应用在航空、航天、交通运输等领域，如卫星太阳能电池的骨架、火箭前端的整流罩、无人飞机的垂直尾翼和巡航导弹的弹体弹翼、舰艇的大型雷达罩等^{[1, 2, 3]}。

双马来酰亚胺树脂结构泡沫耐高温性能突出，水蒸气渗透性低，在耐高温结构功能泡沫材料领域具有广泛的应用前景；但由于双马树脂的高脆性、高熔点和苛刻的成型工艺性能，使得双马树脂的发泡相对困难，很难同时满足低密度和高耐热性的要求。谢小琴等^[4]用烯丙基双酚A改性双马来酰亚胺发泡，得到孔径均匀且介电性能较高的泡沫材料，泡沫密度为460～780kg/m³。黄志雄等^[5]用羧基丁腈橡胶(CTBN)增韧改性双马来酰亚胺发泡，泡沫密度为60～200kg/m³,但CTBN的加入不可避免地降低了材料的力学性能和耐热性能。

发泡剂用量是影响泡沫性能的重要因素之一^{[6, 7, 8, 9, 10]}。本工作采用化学发泡法将发泡剂分散于双马来酰亚胺树脂体系中，通过预聚、发泡的两步法制备得到双马来酰亚胺结构泡沫，其泡孔均匀细密且为闭孔结构^{[11, 12]}。在此基础上，通过发泡剂用量改变双马来酰亚胺泡沫材料的性能，研究发泡剂用量对泡孔结构与泡沫性能的影响。

1 实验 1.1 主要原材料

发泡剂偶氮二甲酰胺(AC)，北京乐泰化工；环氧改性双马来酰亚胺树脂，自制。

1.2 泡沫材料制备

采用两步法制备泡沫材料：第一步预聚，将自制的双马来酰亚胺树脂升温熔融，在140℃下预聚一定时间，得到预聚体；第二步发泡，将第一步得到的预聚体降温加入发泡剂AC，发泡剂用量分别为1%(质量分数，下同)，3%，5%，7%和9%，采用机械搅拌桨以300r/min的速率搅拌20min，使发泡剂混合分散均匀，倒出获得待发泡体，之后用压机模压发泡。

1.3 测试与表征

用Image-pro plus图片处理软件对泡沫塑料的SEM照片进行分析，测算出泡沫的孔径，然后计算其平均值，计算公式为：

(1)

式中：d_n为数均泡孔直径；n_i为当量直径为d_i的泡孔数。

泡孔壁厚的计算公式如下：

(2)

式中：δ为泡沫壁厚，mm；d为泡孔直径，mm；ρ为树脂基体密度，kg/m³；ρ_p为泡沫密度，kg/m³。

泡沫样品的压缩强度和模量按照标准ASTM D1621－a进行，利用AG-1型万能试验机进行测试。样品尺寸为50mm×50mm×26mm。压头运行速率3mm/min，压缩方向垂直于泡沫增长方向，每组测试5个样品，求其平均值。

尺寸稳定性温度采用AG-1型万能试验机，按照标准DIN 53424进行测试。测试结果用来评价泡沫的耐热性能，样品为矩形，尺寸150mm×20mm×20mm。测试过程如下：样品一端用夹具夹持，夹持的长度为30mm，另一端放置(10±0.1)g的砝码。在升温过程中，加砝码的自由端变形达到(10±1)mm的温度为尺寸稳定性温度。升温速率为1℃/min。

2 实验结果与讨论 2.1 发泡剂用量对泡孔结构的影响

图 1为发泡剂用量对泡沫泡孔形态的影响，由图 1可知，双马来酰亚胺泡沫均为闭孔结构泡沫，即发泡剂用量没有改变泡沫的闭孔结构形态。不同发泡剂用量制备的泡沫泡孔均匀细密，即发泡剂用量对泡孔直径及其均匀性的影响较小。

图 2为发泡剂含量对泡沫密度和泡孔壁厚的影响，可知当发泡剂AC含量为1%时，泡沫密度为280kg/m³，当AC含量增至7%时泡沫密度降至低点，为60kg/m³；因此，可通过发泡剂用量使泡沫密度在60～280kg/m³较宽范围内调整。随着发泡剂含量提高，泡沫密度和壁厚线性下降，这是因为体系中产生的气体含量与发泡剂用量直接相关，增加AC含量，气泡数目增加，泡沫增长动力提高，更多的树脂被气泡填充，故而泡沫密度和壁厚线性下降；但当发泡剂用量超过7%时泡沫密度和壁厚反而增加，这是因为过量的发泡剂产生更多的气泡，气泡间相互合并，导致泡孔破裂，气体逸出，反而使密度增加。

图 3为发泡剂含量对泡孔直径的影响，可知随发泡剂含量的提高，泡沫孔径略有增大。这是因为:一方面，发泡剂含量增加，气泡数目增加，泡沫增长动力提高，故而泡孔直径增大；另一方面，泡孔尺寸主要受基体黏度控制，黏度增大，泡沫成型增长的阻力增加，孔径减小，而AC含量的变化并不会影响基体的黏度或者影响较小，即泡沫增长的环境基本一致，所以孔径略有增加，但总体变化较小。

2.2 发泡剂用量对耐热性能的影响

发泡剂用量对泡沫尺寸稳定性温度的影响如图 4所示，可以看出，当发泡剂用量为1%时，泡沫尺寸稳定性温度为220℃，随着发泡剂用量的增加，尺寸稳定性温度下降，当发泡剂用量为7%时，下降至170℃。这是因为发泡剂用量增加，体系中产生的气体分子较多，气体的溶入相当于增塑剂，改变了分子链之间的缠结状态，使分子更易活动，故而尺寸稳定性温度降低。但总体来讲，双马来酰亚胺泡沫的尺寸稳定性温度较高，具有较好的耐热性能，可以满足耐温泡沫的需求。

2.3 发泡剂用量对压缩性能的影响

发泡剂用量对泡沫压缩性能的影响如图 5所示，可知发泡剂用量为1%时，泡沫密度为280kg/m³，压缩强度和模量分别为4.8MPa和200MPa，满足结构泡沫力学性能要求。随着发泡剂用量的增加，压缩强度与压缩模量均减小，这是因为随着AC含量的增加，泡沫材料的密度逐渐降低，随着密度的减小，体系中基体树脂体积分数减小，泡孔壁厚逐渐变薄，受力截面上基体树脂所占面积减小，从而使泡沫材料抵抗变形和破坏的能力减弱，故而压缩强度和模量降低。

双马来酰亚胺结构泡沫的压缩应力-应变曲线如图 6所示，整个变形过程可划分为弹性变形区与屈服平台区^{[13, 14, 15]}。随泡沫密度增加，屈服强度线性增加，但屈服点的应变基本不变，约为0.05，说明双马来酰亚胺泡沫具有较好的韧性。弹性区主要反映了泡沫的弹性性能和胞体的强度特性，该阶段的线弹性主要是由泡壁的弯曲或延伸和泡棱的弯曲、拉伸或者收缩引起，除去应力，应变可恢复，不留下任何永久变形。越过弹性区后，大部分胞体失稳，材料进入屈服区，屈服区主要反映了胞体被压碎的过程。随着材料密度的增大，其模量及强度大幅度上升，这是因为材料密度增大后，基体的体积分数增大，胞体壁厚增加，因而材料抵抗变形和破坏的能力也相应增强^{[16, 17]}。随发泡剂用量的增加，泡沫的应力-应变曲线中，平台区变长，屈服点更加不明显，即泡沫显示为脆性断裂。这是因为密度降低，更多的树脂被气泡填充，孔壁减薄，显示为脆性断裂。

泡沫材料的压缩强度和模量与密度的关系，与式(3),(4)所示的幂定律具有较好的吻合关系。

(3)

(4)

式中：E为压缩模量；δ_c为压缩强度；ρ为泡沫密度；A,B是与树脂物理性能相关的常数；n和p分别是泡孔结构和变形机理相关的密度指数。

将上述实验数据代入公式，计算出双马来酰亚胺泡沫的模量和强度相关的指数值，n=2，p=2.2，得出A=83.5,B=3261。由此拟合出不同密度泡沫材料的压缩强度和模量，如图 7所示。

3 结论

(1)随发泡剂AC用量的增加，泡孔尺寸略有增大，泡沫密度和泡沫壁厚线性减小；但AC用量超过7%时，密度和泡沫壁厚反而增大。可通过发泡剂用量使泡沫密度在60～280kg/m³较宽范围内调整。

(2)双马来酰亚胺泡沫的尺寸稳定性温度较高，具有较好的耐热性能，可以满足耐温泡沫的需求。尺寸稳定性温度受泡沫密度影响较大，泡沫密度为280kg/m³时，尺寸稳定性温度可达220℃，泡沫密度减小至60kg/m³时，尺寸稳定性温度降至170℃。

(3)泡沫密度为280kg/m³时，压缩强度和模量分别为4.8MPa和200MPa，随泡沫密度下降，压缩强度和模量线性下降。压缩应力-应变曲线有明显的峰值应力和屈服平台区，说明该泡沫材料具有较好的韧性。压缩强度、模量分别与公式δ_c=83.5ρ²和E=3261ρ^2.2有较好的匹配性。