高隐身性能是新一代武器装备的标志性特征，已成为世界各国新研装备的最重要指标，在各种探测技术中，雷达探测技术是最主要最普遍的探测手段。随着雷达探测技术的快速发展，现代雷达系统可对探测目标实现宽频覆盖，极大地削弱了在役武器装备的生存、突防能力，武器装备对宽频吸波材料的需求越来越迫切。

对于传统吸波材料，拓宽吸收频带的方法通常为提高吸收剂含量或增加材料厚度，但相应也会带来质量增加、力学性能降低等缺点，难以满足实际需求。针对传统拓展吸波频带方法的弊端，研究人员开展了多种利用新型吸波原理制备宽频吸波材料的研究^[1-4]，其中通过在介质材料内引入金属周期结构，构成具有“超材料”特征的吸波复合材料是这方面研究的一个热点。“超材料”是一种新颖的材料设计思想，其性质主要取决于其人工结构设计，可以方便地通过改变材料关键物理尺度上的参数来实现某些特殊的电磁性质，从而拓宽材料的吸收频带^[5-15]。

本工作介绍了一种通过在多层吸波介质层间引入多层金属周期结构单元的“超材料”结构吸波复合材料。对金属周期结构单元的制备技术、吸波复合材料的成型工艺控制以及“超材料”结构吸波复合材料的力学性能和吸波性能等进行了研究，多层金属周期结构单元的引入，复合材料的力学性能保持不变，但宽频吸波性能得到明显提高。

1 实验材料与方法 1.1 原材料的选择

在本实验中，树脂基体原材料采用由中航复合材料有限责任公司生产的5429双马树脂；增强纤维采用中蓝晨光化工研究设计院有限公司生产的芳纶Ⅲ纤维；吸收剂采用北京航空材料研究院生产的羰基铁粉和导电炭黑复合吸收剂；有机载体薄膜由PEEK-C自制而成。

1.2 测试方法

制备的吸波材料按ASTMD3039-2000测试拉伸强度和拉伸模量；按ASTMD6641-2001测试压缩强度和压缩模量；按ASTMD790-2003测试弯曲强度和弯曲模量；按ASTMD2344-2000测试层间剪切强度；按GJB 2038-94测试电磁波反射率。

2 结果与分析 2.1 “超材料”结构吸波复合材料

“超材料”结构吸波复合材料是由金属周期结构单元层和吸波介质层相互迭加构成，其结构如图 1所示。金属周期结构单元层由方片形金属周期结构单元组成，在吸波复合材料中金属周期结构单元的尺寸从上至下依次线性增大。金属周期结构单元的最大尺寸为15mm×15mm，最小尺寸为0.5mm×0.5mm，金属周期结构单元的密度约为3000个/m²。为保证多层金属周期结构单元在层内和层间位置的准确性，采用厚度为10~15μm的PEEK-C薄膜镀铜后刻蚀的方法制备整体金属周期结构单元层。吸波介质层采用芳纶纤维增强5429双马吸波树脂预浸料制备，预浸料的固化压厚为0.3mm，吸收剂含量为50%~70%(质量分数)。然后将金属周期结构单元层与纤维增强的吸波介质层复合交替铺层，吸波介质层为16层，金属周期结构单元层为15层，最后在一定的预处理后，通过(190±5)℃，0.5MPa压力下固化4h，获得含多层金属周期结构单元的“超材料”结构吸波复合材料。

2.2 PEEK-C/Cu周期结构层制备技术

为了保证吸波复合材料的力学性能，选择在吸波复合材料制备过程可溶于双马树脂基体的PEEK-C作为有机载体膜。金属周期结构单元层的加工过程主要涉及镀金属膜和金属周期结构单元蚀刻。由于在这两个工序中需要经历化学溶剂腐蚀和溶剂清洗过程，必须要对PEEK-C有机载体膜的耐溶剂性能进行考核。根据加工过程中可能遇到的各种溶剂有针对性的设计了多项耐溶剂实验，相关实验结果见表 1。结果表明，PEEK-C有机载体膜在丙酮和NaOH溶液中有轻微腐蚀，在乙醇、盐酸、CuCl₂溶液中未出现破损，基本可以满足耐加工过程溶剂侵蚀的要求。但当PEEK-C有机载体膜在加工前自身存在破损和孔洞缺陷时，侵蚀现象较为严重。因此，要提高金属周期结构单元的加工质量，保证图形完整性，需要尽可能减少有机载体膜自身的破损和表面孔洞。

采用卷绕式磁控溅射的方法进行PEEK-C有机载体膜表面镀覆铜膜，所镀覆的金属铜薄膜的厚度为(150±5)nm。由于在镀金属膜工序之后还要经历金属单元蚀刻、转移、复合材料成型等多步工序，需要有机载体膜与金属膜之间具有较强的附着力。为了提高有机载体膜与金属膜附着力，开展了有机载体膜表面红外热处理和等离子体处理对金属膜附着力的影响研究，表 2和表 3分别为红外热处理温度和等离子体处理功率对金属膜附着力影响的实验结果。

从表 2和表 3可以发现，在相同镀膜功率下，适当的红外加热温度和等离子体处理功率均可以有效提高金属膜的附着力。当镀膜功率为9kW，红外热处理温度为150℃时，可以有效去除基材吸附的水汽杂质，防止镀膜过程中杂质气体与金属原子反应；当等离子体处理功率为1.2kW时，可以活化高分子表面惰性基团，引入活性基团，并有效去除表面杂质小分子，促进有机载体膜与金属有效结合。但进一步提高红外热处理温度和增加等离子体处理功率，将会造成PEEK-C有机载体膜表面过热变形和高分子链段热分解，会引起金属膜在PEEK-C有机载体膜上部分剥落。

在完成镀金属铜膜的基础上，经过湿法蚀刻方法，制备了边长为0.5~15mm的不同尺寸正方形金属周期结构单元的周期结构层(图 2)。

2.3 “超材料”结构吸波复合材料吸收剂迁移的控制

在“超材料”结构吸波复合材料的制备中，不仅要保证金属周期结构单元的尺寸和位置精度，还要保持各层吸波介质的电磁特性。由于在吸波复合材料制备过程中树脂流动会引起吸波介质层间吸收剂的迁移和金属周期结构单元的偏移，进而影响吸波介质层的电性能，因此需要控制树脂的流动性，以减小由树脂流动带来的电性能偏差。

表 4为当预处理温度为125℃时由于树脂流动带来的吸收剂迁移情况。从表 4可以发现，随着预处理时间的延长，吸收剂在表面的迁移量逐渐减少，当预处理时间为2.5h时，吸收剂向表面的迁移已基本消失，再继续延长预处理时间，吸收剂的迁移状况与2.5h接近。

图 3为经过125℃预处理2.5h后进一步固化获得的“超材料”结构吸波复合材料。从图中可以看到，复合材料表面无吸收剂迁移，金属周期结构单元清晰可见。

2.4 “超材料”结构吸波复合材料力学和吸波性能

表 5为“超材料”结构吸波复合材料的力学性能测试结果，从表中可以看出，对于含多层金属周期结构单元的“超材料”结构吸波复合材料和不含金属周期结构单元吸波复合材料的拉伸、压缩、弯曲和层间剪切性能基本相同，且“超材料”结构吸波复合材料力学性能批次间稳定性良好，其原因是由于金属周期结构单元的有机载体层在吸波复合材料固化过程中溶于双马树脂基体，具有增韧和改善复合材料层间性能的效果^{[16, 17]}，而金属周期结构单元采用磁控溅射制备，厚度仅150nm，并有一定的表面粗糙度和微孔结构，对吸波复合材料的层间性能影响较小，二者共同作用的结果使多层金属周期结构单元的引入对吸波复合材料的力学性能基本没有影响。

图 4为含多层金属周期结构单元吸波复合材料电性能测试结果。从图中可以发现由于多层金属周期结构单元的引入，“超材料”结构吸波复合材料相比不含金属周期结构单元吸波复合材料，-5dB以下的低频吸波频带从3GHz拓展到接近1GHz，5~18GHz频带的平均吸波效果由7dB以下提高到优于12dB以上。5mm厚度含多层金属周期结构单元的吸波复合材料吸波性能达到：1.6~2GHz，反射率≤-3dB；2~4GHz，反射率≤-5dB；4~8GHz，反射率≤-7dB；8~15GHz，反射率≤-11dB，15~18GHz，反射率≤-16dB，具有宽频高吸收的特性。

3 结论

(1) PEEK-C有机载体膜可满足金属周期结构单元加工过程耐溶剂的需求，通过对PEEK-C有机载体膜进行红外加热和等离子体处理均可以有效提高金属镀膜和有机载体膜的附着力。

(2) 通过125℃，2.5h预处理，可有效防止吸波复合材料成型过程中吸收剂的迁移，保证吸波介质层的电性能，实现“超材料”结构吸波复合材料的高质量制备。

(3) 多层金属周期结构单元的引入对吸波复合材料的力学性能基本没有影响。5mm厚度“超材料”结构吸波复合材料的吸波性能达到：在1.6~2GHz，反射率≤-3dB；2~4GHz，反射率≤-5dB；4~8GHz，反射率≤-7dB；8~15GHz，反射率≤-11dB，15~18GHz，反射率≤-16dB。和未引入金属周期结构单元的吸波复合材料相比，-5dB以下的低频吸波频带从3GHz拓展到接近1GHz，2~18GHz频带的平均吸收效率从7dB以下提高到12dB以上。