聚醚醚酮复合材料
航空业一直面临着提高飞机性能以便节省燃料,减少环境影响和降低成本的压力。一个重要的策略是使用重量更轻但能提供必需力学性能的材料来替代金属。聚醚醚酮(PEEK)是一种线性、芳香族的半晶态聚合物,被广泛认为是上性能高的热塑性塑料之一。这种聚合物除了密度比许多金属更低,比强度更高之外,还具有与金属一样的力学性能和尺寸稳定性。同时,它还能够承受高温和苛酷的化学环境。其熔融温度为343℃,相对热指数为260℃。此外,它还有着优良的耐磨损、降噪和减振性能。其工艺窗很宽,可用多种成型技术制造制品,用它替代金属可以降低制件的制造成本。这些优点使得这种聚合物成为目前和将来航空工业的理想解决方案。以下是现今上用于航空业的两种PEEK复合材料知名品牌。
威格斯公司VICTREX® PEEK复合材料
总部位于英国的威格斯(Victrex)公司的VICTREX® PEEK聚合物是聚芳基醚酮家族中的成员,它称此聚合物的复合材料正日益受到航空业的青睐。VICTREX® PEEK复合材料产品有:
配混料
纤维填充或增强的VICTREX® PEEK配混料有几种品级:90、150、380、450和650。其中90品级主要针对要求高流量的成型工艺,尤其是薄壁制品。该品级可加入较多增强纤维(多达60%),包括短切玻璃纤维(代号GL)、短切碳纤维(代号CA)和高模量碳纤维(代号HMF)。这些产品很适于在结构性支架、支座、夹具、箍环等用途中代替金属、陶瓷和热固性复合材料。
航空业的一大追求是减轻重量以节省燃料。一家公司选用VICTREX® PEEK 150GL30来制造固定线、管的夹具和支座。在波音787飞机中,这些夹具的重量至少减轻了20%。由于聚合物中加入了30%;玻璃纤维,获得了代替铝材所需要的强度、模量、电性能和抗蠕变性,故而大大节省了成本,同时减少了30%安装时间。
PEEK聚合物在大多数溶剂中不溶解,具有优异的耐受碱、氧化剂、烃类、盐类、蒸汽和大多数酸的性能,其耐化学性优于很多金属。尤其对航空业有利的是,PEEK聚合物能耐受飞机喷气式发动机的燃料、液压流体、除冰溶液、臭氧和一些杀虫剂。这些优点成为波音777、787梦幻和747―8等飞机选用30%玻璃纤维填充PEEK而不选用金属来制造起落架轮毂帽的一个重要原因。PEEK独特的耐化学性也是空客飞机决定选用VICTREX® PEEK 450CA30(含
30%碳纤维)制造新一代水平尾翼飞机油箱盖的一个原因。其它原因还包括其低密度、尺寸稳定性、低膨胀系数和注射成型方便性。
PEEK复合材料还被航空业用来代替金属制造多种叶轮叶片。用VICTREX® PEEK 450CA30或150CA30制造的叶片用在空客飞机的通风系统和直升机的送风系统和油冷却系统。150A30品级还被新一代的空客飞机选用来制造门把手,目标也是替代铝金属和大幅减轻重量。
VICTREX® HMF是20%或40%高模量碳纤维填充的配混料。这种材料结合了优异的力学性能、更好的耐疲劳性和成型方便性。由于较高的强度和刚度,它们被用来替代铝、钛、不锈钢及其它金属,即使在高温下也表现出色。
连续纤维预浸料
航空工业日益采用VICTREX® PEEK复合材料来制造飞机主结构部件,包括机身板、地板梁、机翼上的油箱连接板、舱门板、主梁、肋条、加筋件、箍环、托架、紧固件等。聚合物的形态有粉末、薄膜和纤维,它们用作基体材料,用来浸渍连续的增强纤维。所用纤维有玻璃纤维、碳纤维、陶瓷纤维和芳纶纤维。用增强纤维与不同形态的PEEK聚合物可制成不同形态的高级热塑性预浸料,如单向带、片材、多轴向织物层合板、混纤丝束和编织物。这些复合材料对减轻飞机重量有很大作用,而且不会对飞机的稳定性和功能带来任何影响。这些复合材料具有比高级铝或钛合金更高的比强度和模量。
作为一例,威格斯公司近期与瑞士Tissa玻纤织物公司联合研发了一种名为TIXPREF的预浸料。此预浸料是用VICTREX PEEK浸渍S-2玻璃纤维或碳纤维单向带形成,据称此预浸料大大减少了压制复合材料制品所需的周期时间(可减少50%之多,薄壁制品甚至可减更多),同时发挥了VICTREX® PEEK的卓越性能。
Tissa公司还使用VICTREX® PEEK聚合物研制了无屈曲织物(缝编织物)的预浸料。
东邦特耐克丝公司Tenax® PEEK复合材料
大多数航空结构历来是用热固性碳纤维预浸料制造,即用热固性树脂浸渍的碳纤维单向带或织物。而预浸料现用的航空级环氧树脂体系在使用前需要在低温(-18℃)下储存和运输。为了降低制品成本,提高生产率和控制对环境的影响,必须寻找新的材料和制造工艺。碳纤维增强热塑性塑料(CFRTP)就是一种能够省去热压罐投资,减少制造时间并可以在室温下储存的解决方案。为此,总部位于日本的碳纤维制造商东邦特耐克丝公司多年来积极研发这种复合材料。
热塑性塑料的一个缺点是其粘度高,这迫使用户要使用高温(200~400℃)和高压(10~50巴)的设备。常用的航空级液态环氧树脂一般在100~150℃注入,在180℃经几小时固化。与此相比,尽管热塑性塑料需要高温,但碳纤维增强热塑性塑料在5~30分钟内就可以固结(或进行冲压)。此外,它的另一大优点是其废料或制品可以循环利用,熔融后重新成型为新制品。
东邦特耐克丝公司的碳纤维增强热塑性塑料品牌为Tenax®。它进入短纤维增强热塑性塑料市场已有多年。而近年来,为了应对航空业的需求,它又研制了两种连续碳纤维增强热塑性塑料:Tenax® TPUD和Tenax® TPCL。
Tenax® TPUD是单向预浸料,以聚醚醚酮(PEEK)为基体。产品一例是采用Tenax®-EHTS45 12K 800tex碳纤维制造的单向预浸料,这种预浸料的单位面积重量为145 g/m2,宽度为6.35~304.8mm,公称厚度为0.136mm。此产品主要供航空和工业用途使用。可采用手工铺层或自动铺层(自动铺带或自动铺纤)方法制造,不需象热固性预浸料那样压实。然后把铺层置于压机或真空炉中固结,形成顸浸料。也可采用纤维缠绕法来制造管件。
Tenax® TPCL是固结片材,由几层用PEEK粉末浸渍的机织物构成。织物由Tenax®-E HTA40 E133K 200tex碳纤维织成,组织为5枚缎纹。片材单位面积重量为285g/m2,公称厚度为0.310mm,PEEK基体含量为41%。此产品专用于类似金属冲压的成型工艺。只需把固结片材加热至其熔融温度以上,然后在压机的金属模具中经几分钟冲压就可成型为制品。Tenax® TPCL很适于量产形状相同的制件。
在上述两种Tenax®产品系列中,PEEK经温湿度状态调节后能提供良好性能,还具有良好的耐火、低烟和低毒特性。
热塑性复合材料一般都可采用焊接技术来连接,如电阻焊、超声波焊和感应焊。使用焊接技术就可限制螺栓或接头的用量,从而减少航空结构的重量。
下表示出几种Tenax®复合材料的基本性能:









































