聚醚醚酮熱塑性塑料替代金屬 zund G3 M-2500-功能性織品台中雷射雕刻－周雅雯焦點新聞熱搜

摘　要：航空航天工業正處于提高飛機性能的持續壓力下，不管是商業飛機還是軍用飛機，都要使它們具有更大的燃料效率并降低成本。一個關鍵的策略是只要可能就用更輕的材料替代金屬，這些材料仍然提供必要的力學性能。降低飛機的重量會提高燃料效率，減少對環境的影響并降低操作成本。
　　對于航空航天工業，減重挑戰的一個重要方面是確認還能提供必要等級的可靠性和安全性的新材料，這是絕對要優先考慮的。航空航天工業正逐漸承認并采納了VICTREX^®聚醚醚酮(PEEK)聚合物作為這樣一種材料以及作為一種金屬的理想替代物。

1　一種聚合物的解決方案

　　威格斯聚合物解決方案公司(VPS)提供的VICTREX PEEK聚合物是聚芳醚酮(PAEK)系列中的一員。它是一種線性的芳香型半結晶聚合物，被廣泛作為一種高性能的熱塑性塑料之一。
　　除了比金屬有更低的密度，并且比許多金屬有更高的比強度外，VICTREX PEEK聚合物配混物擁有金屬的力學和尺寸穩定性。同時，該聚合物能耐高溫和苛刻的化學環境。它有一個343℃的熔融溫度和260℃的相對熱指數。該聚合物還具有高度的耐腐蝕性，不受到許多腐蝕性化學品的影響，同時顯示極佳的耐磨性。后，它還具有成本平衡。用高性能聚合物替代金屬可以降低部件制造成本。這些優勢和一系列卓越的性能使VICTREX PEEK聚合物成為針對目前和未來航空航天工業需求的全面解決方案。

2　一種多功能的系列

　　VICTREX PEEK聚合物有幾種品級和復合物，可以大限度地利用該材料的力學性能以及它的加工靈活性。材料的開發已經包括了把VICTREX PEEK 90和650品級添加到現有的150、380和450品級中。在任何情況下，這些聚合物都具有一系列優于金屬的性能。90系列中的品級正好是一個例子。這些復合物主要瞄準要求高流動性的應用，特別是針對薄壁成型，它們為高含量的填料加入創造條件，同時在可操作性上沒有重大的不同。結構填料包括短切玻璃纖維(GL級)、短切碳纖維(CA級)和特殊高模量碳纖維(HMF)。與標準的碳纖維復合物相對比，90HMF品級提供大幅增加的拉伸強度和模量。
　　高流動性品級允許加入更高用量的增強纖維(達60％)，不會損害表面修飾或周期時間。這些產品使針對金屬、熱固性塑料和陶瓷在結構托架、支座和夾子等這類應用中的替代更容易。
　　VICTREX HMF聚合物是一種高模量碳纖維填充復合物，含有20％~40％重量份的碳纖維。當與輕金屬合金對比時，這些材料把易加工性和卓越的力學性能以及改進的耐疲勞性相結合。
　　由于具有更高的強度和剛度，它們被定位于在高溫下可替代鋁、鈦、不銹鋼和其他金屬。開發了PAEK基PTFE無磨損復合物VICTREX^®WG101和WG102，以回應工程師和原始設備制造商要求提高可靠性、降低失敗率和增加能源效率，滿足航空航天和加工設備行業中更加苛刻的磨損應用的要求。當和用金屬、聚酰亞胺(PI)和聚酰胺-酰亞胺(PAI)制成的部件進行對比時，VICTREX WG耐磨品級使工程師能以更低的成本生產輕質部件，同時增加使用壽命。

3　航空航天業的“圣杯”

　　航空航天業重要的是減重。燃料效率要求重量更輕的飛機。一個有說服力的例子是Amphenol公司的一個分公司Amphenol Pcd選用VICTREX PEEK 150GL30，采用一種專用的彈性體重疊注塑工藝生產一系列線路和管路卡。對于波音787，由于這些卡件導致了重量少減輕20％。因為該聚合物是30％玻纖填充，提供了替代鋁所需要的強度、模量、電性能和抗蠕變性，它還顯著地降低成本。Amphenol公司的卡件在制造被波音稱為上具燃料效率的。787夢幻客機中提供了幫助，使它比同類的波音767少消耗20％的燃料。波音787夢幻客機的另一個目標是在制造這架飛機上減少所需要的時間。Amphenol公司的PEEK線路和管路卡能使安裝時間減少30％。同時，部件的固化和一致的設計節省了成本。另外，這種非傳導性的、電穩定和耐腐蝕聚合物使這些卡件能被分布在飛機非增壓的區域中。
　　Amphenol Pcd還選擇了VICTREX PEEK150GL30用于注射成型的支座產品線上。這些零部件固定電纜和線束，同時把它們與機身電絕緣。這里，當關鍵的目標是鋁的替代物和減重時，PEEK聚合物的非傳導性和非腐蝕性再一次提供重要的優勢。

4　嚴格的測試

　　VICTREX PEEK聚合物在大多數常用的溶劑中不溶解，它具有極佳的耐堿、耐氧化劑、耐烴類、耐鹽、耐蒸汽和耐大多數的酸。其耐化學性超過許多異金屬，對于航空航天部門特別重要。當用在飛機滅蟲時，PEEK聚合物能耐噴氣發動機燃料、液壓油和殺蟲劑，如芐氯菊酯(C₂₁H₂₀C₁₂O₃)和右旋苯醚菊酯(C₂₃H₂₆O₃)。
　　該聚合物極佳的耐化學性，包括耐航空燃料，是決定在空客公司新的水平尾翼飛機燃料箱蓋上使用VICTREX PEEK450CA30替代金屬的原因。該決定背后的其他因素包括它的低密度、尺寸穩定性和低膨脹率，以及采用這種材料可以方便地用注塑成型制造蓋子。
　　試驗已經證明了把VICTREX PEEK復合物在70℃下浸泡在Skydrol液壓油中1000小時后，其力學性能只有10％不到的變化。Amphenol Pcd通過在室溫下把它們注塑成型的VICTREX PEEK 450GL30P卡件浸在航空燃料中12個月來對它們進行測試，發現浸泡后對卡件的性能沒有顯著的不利影響。
　　該聚合物具有抗航空燃料、液壓油、除冰溶液和臭氧等腐蝕性化學物質侵害的性能是選擇30％玻纖填充PEEK聚合物替代金屬用于波音777、787夢幻客機和747-8飛機起落架轂蓋上的一個關鍵原因。
　　波音的選擇另一個令人感興趣的方面是這種熱塑性塑料可以在一個極端溫度范圍內有效工作。飛機起落架在降落時必須忍受200℃以上的溫度，在飛行過程中能忍受-54℃的溫度。它們必須能夠承受重復硬著陸的沖擊。VICTREX PEEK聚合物滿足所有這些要求。

5　熱塑性塑料用于葉輪葉片

　　VICTREX PEEK聚合物還作為一種金屬的替代物被用在航空航天部門各種葉輪葉片的生產中。該聚合物的所有重要的好處包括彈性、極佳的抗蠕變性和耐疲勞性以及易于大批量制造達到精細公差，這使它成為這種應用有吸引力的選項。優于金屬的主要優勢是重量減輕。結果不只是一架更輕的飛機。更輕的非金屬葉輪顯示出更低的慣性，這樣需要更少的旋轉動力來驅動它們，減少了能耗，達到了成本節省。第二種好處是在葉輪損壞的情況下，任何復合材料的碎片都比金屬葉輪的碎片要輕，這樣包含碎片的結構會更輕。
　　用VICTREX PEEK450CA30或150CA30制造的聚合物葉片被用在新空客型號座艙通風系統中以及直升機空氣輸送系統。它們還被用于一些歐洲直升機的油冷卻系統中。VICTREX PEEK150CA30也是安裝在新空客機型上門把手的首選聚合物。目的是替代鋁，實現大幅度的減重，同時具有和高科技金屬相同的比強度和比模量(見圖1)。填充在聚合物中的短纖維取向主要依賴于零部件設計和所用的成型條件。當制造的零部件以不同方向測試時，其終的纖維取向可能導致力學性能上的不同。但是，只有VICTREX PEEK聚合物通過了在上述應用開發階段的嚴格測試。

6　航空航天采用熱塑性管道

　　這些應用沒有以主結構件結束。2011年，Victrex聚合物解決方案公司推出一系列耐用薄壁管和管材產品VICTREX Pipes^TM，它們在重量上要比金屬管輕很多。例如，一根外徑25.4mm、壁厚1mm的管道每米僅重100克。
　　當和相同外徑、壁厚為0.71mm的鋁管比較時，終的減重為33％。對于鈦管道，有45％的減重，對于不銹鋼管，有68％的減重(兩者壁厚為0.51mm)。針對目前大型商用飛機，可能會鋪設大量管線和管道，這個數量級的減重是顯著的。VICTREX Pipes^TM用航空航天認可的聚合物制備，可以被彎曲、擴張和成型為三維形狀，為高度的設計自由度和靈活的利用空間創造條件。

7　航空航天用復合材料獲益

　　航空航天業正逐步采用多用途VICTREX PEEK聚合物，用于一系列主結構應用，這并不令人感到驚奇，它們包括機身板、地板橫梁、緊固系統、機翼中的油箱蓋板、門蓋板、翼梁、肋、加強筋、扣件、托架和緊固系統。聚合物以粉末、薄膜和原絲的形式被用作基體材料。它們被設計提供佳的纖維系統浸漬，優化纖維一基體界面的性能。例子是單向(UD)帶和片材、多軸向織物積層、混雜絲束和編帶。目的是制造先進的連續碳纖維、玻璃纖維、陶瓷或芳綸纖維熱塑性復合材料預浸料，它們在減輕飛機重量的同時具有較大的抗沖擊性能，不會有任何穩定性和功能的損失。關于VICTREX PEEK復合材料怎樣減輕重量，一個極好的例子是在緊固系統中。緊固件可以用傳統方法螺栓連接，或者直接摩擦焊接到其他VICTREX PEEK成型插件、復合材料層合板或PEEK聚合物基蜂窩夾層結構中，提供增加的抗沖擊性和疲勞強度。這些復合材料部件比高科技鋁或鈦合金具有更高的比強度和模量(見圖1)。

8　結論

　　VICTREX PEEK是一種多用途熱塑性塑料，有一系列極佳的性能和寬廣的加工窗口，與使用加工和澆鑄的金屬相比，能以一個更低的成本使用各種加工技術進行零部件的制造。用這種聚合物制造的零部件重量輕，由于具有更大的設計自由度可以使功能一體化，并且與金屬部件相比，提高了安全性，延長了壽命。
　　VICTREX PEEK聚合物與用于航空航天中的輕質金屬合金相比，提供一個性能和眾多好處的極佳組合。它的確重量輕，擁有和許多高科技金屬相當(對復合材料更高)的比強度和比剛度(見圖1和圖2)，同時在高溫下顯示更好的抗沖擊、疲勞和腐蝕性，不受許多腐蝕化學物質的影響。對于航空航天市場，另一個重要方面是該材料與其他化學材料相比，具有天然固有的阻燃性和較低的毒煙釋放性。這種聚合物還具有優良的耐磨損性，并且可以阻尼噪聲和振動。它的使用降低了零部件制造成本。實際上，碳纖維填充VICTREX PEEK品級和復合材料，密度在1.4到1.6克／立方厘米，至少比鋁輕40％，比鈦輕67％。VICTREX PEEK品級是符合航空要求的材料，因而它們是金屬的理想替代物。這使飛機制造商和供應商能夠迎合當前的經濟效率趨勢和它們自己的差別化目標。

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