聚醚醚酮復合材料 zundG3-硬質發泡台中雷射雕刻－黃俊宏焦點新聞熱搜

　　航空業一直面臨著提高飛機性能以便節省燃料，減少環境影響和降低成本的壓力。一個重要的策略是使用重量更輕但能提供必需力學性能的材料來替代金屬。聚醚醚酮(PEEK)是一種線性、芳香族的半晶態聚合物，被廣泛認為是上性能高的熱塑性塑料之一。這種聚合物除了密度比許多金屬更低，比強度更高之外，還具有與金屬一樣的力學性能和尺寸穩定性。同時，它還能夠承受高溫和苛酷的化學環境。其熔融溫度為343℃，相對熱指數為260℃。此外，它還有著優良的耐磨損、降噪和減振性能。其工藝窗很寬，可用多種成型技術制造制品，用它替代金屬可以降低制件的制造成本。這些優點使得這種聚合物成為目前和將來航空工業的理想解決方案。以下是現今上用于航空業的兩種PEEK復合材料知名品牌。
　　威格斯公司VICTREX® PEEK復合材料
　　總部位于英國的威格斯(Victrex)公司的VICTREX® PEEK聚合物是聚芳基醚酮家族中的成員，它稱此聚合物的復合材料正日益受到航空業的青睞。VICTREX® PEEK復合材料產品有：
　　配混料
　　纖維填充或增強的VICTREX® PEEK配混料有幾種品級：90、150、380、450和650。其中90品級主要針對要求高流量的成型工藝，尤其是薄壁制品。該品級可加入較多增強纖維(多達60％)，包括短切玻璃纖維(代號GL)、短切碳纖維(代號CA)和高模量碳纖維(代號HMF)。這些產品很適于在結構性支架、支座、夾具、箍環等用途中代替金屬、陶瓷和熱固性復合材料。
　　航空業的一大追求是減輕重量以節省燃料。一家公司選用VICTREX® PEEK 150GL30來制造固定線、管的夾具和支座。在波音787飛機中，這些夾具的重量至少減輕了20％。由于聚合物中加入了30％；玻璃纖維，獲得了代替鋁材所需要的強度、模量、電性能和抗蠕變性，故而大大節省了成本，同時減少了30％安裝時間。
　　PEEK聚合物在大多數溶劑中不溶解，具有優異的耐受堿、氧化劑、烴類、鹽類、蒸汽和大多數酸的性能，其耐化學性優于很多金屬。尤其對航空業有利的是，PEEK聚合物能耐受飛機噴氣式發動機的燃料、液壓流體、除冰溶液、臭氧和一些殺蟲劑。這些優點成為波音777、787夢幻和747―8等飛機選用30％玻璃纖維填充PEEK而不選用金屬來制造起落架輪轂帽的一個重要原因。PEEK獨特的耐化學性也是空客飛機決定選用VICTREX® PEEK 450CA30(含
30％碳纖維)制造新一代水平尾翼飛機油箱蓋的一個原因。其它原因還包括其低密度、尺寸穩定性、低膨脹系數和注射成型方便性。
　　PEEK復合材料還被航空業用來代替金屬制造多種葉輪葉片。用VICTREX® PEEK 450CA30或150CA30制造的葉片用在空客飛機的通風系統和直升機的送風系統和油冷卻系統。150A30品級還被新一代的空客飛機選用來制造門把手，目標也是替代鋁金屬和大幅減輕重量。
　　VICTREX® HMF是20％或40％高模量碳纖維填充的配混料。這種材料結合了優異的力學性能、更好的耐疲勞性和成型方便性。由于較高的強度和剛度，它們被用來替代鋁、鈦、不銹鋼及其它金屬，即使在高溫下也表現出色。
　　連續纖維預浸料
　　航空工業日益采用VICTREX® PEEK復合材料來制造飛機主結構部件，包括機身板、地板梁、機翼上的油箱連接板、艙門板、主梁、肋條、加筋件、箍環、托架、緊固件等。聚合物的形態有粉末、薄膜和纖維，它們用作基體材料，用來浸漬連續的增強纖維。所用纖維有玻璃纖維、碳纖維、陶瓷纖維和芳綸纖維。用增強纖維與不同形態的PEEK聚合物可制成不同形態的高級熱塑性預浸料，如單向帶、片材、多軸向織物層合板、混纖絲束和編織物。這些復合材料對減輕飛機重量有很大作用，而且不會對飛機的穩定性和功能帶來任何影響。這些復合材料具有比高級鋁或鈦合金更高的比強度和模量。
　　作為一例，威格斯公司近期與瑞士Tissa玻纖織物公司聯合研發了一種名為TIXPREF的預浸料。此預浸料是用VICTREX PEEK浸漬S-2玻璃纖維或碳纖維單向帶形成，據稱此預浸料大大減少了壓制復合材料制品所需的周期時間(可減少50％之多，薄壁制品甚至可減更多)，同時發揮了VICTREX® PEEK的卓越性能。
　　Tissa公司還使用VICTREX® PEEK聚合物研制了無屈曲織物(縫編織物)的預浸料。
　　東邦特耐克絲公司Tenax® PEEK復合材料
　　大多數航空結構歷來是用熱固性碳纖維預浸料制造，即用熱固性樹脂浸漬的碳纖維單向帶或織物。而預浸料現用的航空級環氧樹脂體系在使用前需要在低溫(-18℃)下儲存和運輸。為了降低制品成本，提高生產率和控制對環境的影響，必須尋找新的材料和制造工藝。碳纖維增強熱塑性塑料(CFRTP)就是一種能夠省去熱壓罐投資，減少制造時間并可以在室溫下儲存的解決方案。為此，總部位于日本的碳纖維制造商東邦特耐克絲公司多年來積極研發這種復合材料。
　　熱塑性塑料的一個缺點是其粘度高，這迫使用戶要使用高溫(200～400℃)和高壓(10～50巴)的設備。常用的航空級液態環氧樹脂一般在100～150℃注入，在180℃經幾小時固化。與此相比，盡管熱塑性塑料需要高溫，但碳纖維增強熱塑性塑料在5～30分鐘內就可以固結(或進行沖壓)。此外，它的另一大優點是其廢料或制品可以循環利用，熔融后重新成型為新制品。
　　東邦特耐克絲公司的碳纖維增強熱塑性塑料品牌為Tenax®。它進入短纖維增強熱塑性塑料市場已有多年。而近年來，為了應對航空業的需求，它又研制了兩種連續碳纖維增強熱塑性塑料：Tenax® TPUD和Tenax® TPCL。
　　Tenax® TPUD是單向預浸料，以聚醚醚酮(PEEK)為基體。產品一例是采用Tenax®-EHTS45 12K 800tex碳纖維制造的單向預浸料，這種預浸料的單位面積重量為145 g／m²，寬度為6.35～304.8mm，公稱厚度為0.136mm。此產品主要供航空和工業用途使用。可采用手工鋪層或自動鋪層(自動鋪帶或自動鋪纖)方法制造，不需象熱固性預浸料那樣壓實。然后把鋪層置于壓機或真空爐中固結，形成頇浸料。也可采用纖維纏繞法來制造管件。
　　Tenax® TPCL是固結片材，由幾層用PEEK粉末浸漬的機織物構成。織物由Tenax®-E HTA40 E133K 200tex碳纖維織成，組織為5枚緞紋。片材單位面積重量為285g／m²，公稱厚度為0.310mm，PEEK基體含量為41％。此產品專用于類似金屬沖壓的成型工藝。只需把固結片材加熱至其熔融溫度以上，然后在壓機的金屬模具中經幾分鐘沖壓就可成型為制品。Tenax® TPCL很適于量產形狀相同的制件。
　　在上述兩種Tenax®產品系列中，PEEK經溫濕度狀態調節后能提供良好性能，還具有良好的耐火、低煙和低毒特性。
　　熱塑性復合材料一般都可采用焊接技術來連接，如電阻焊、超聲波焊和感應焊。使用焊接技術就可限制螺栓或接頭的用量，從而減少航空結構的重量。
　　下表示出幾種Tenax®復合材料的基本性能：

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