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未来民机热塑复材用PEEK还是PEKK-2

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并非所有的 PEKK 都是一样的

牛津表演材料公司(美国康涅狄格州南温莎市) 首 席执行官斯科特 · 德菲利斯(Scott DeFelice) 指出,随 着波音 787 和空客 A350 飞机机翼和机身结构的热压罐 越来越大, 原位固结热塑性复合材料(ISCTPCs) 的发 展也随之而来。他解释说:   “ 热压罐越大, 就越难控 制。”。他指出, 这可以从日本一级供应商的经验中看 出。(三菱重工制造波音  787  机翼, 富士重工制造中央 翼盒,川崎重工供应机身一段筒体。)德菲利斯观察到:  “ 你可以很好地控制小部件,但对于更大的结构,你基 本上达到了速度限制。”。换言之,获得生产高质量受力 结构所需的控制需要时间。未来窄体飞机的生产速度根 本不允许。

德菲利斯继续说道,“另一方面,NLR 和 Fokker 主 要专注于相对较小的结构。因此,他们不像空客那样对 原位固结(ISC)的好处感兴趣。空客用热压罐生产机翼 和机身壁板的动力是巨大的。 ”他认为, 空客是当今原 位固结(ISC) 技术最先进的。

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OXPEKK 有无增强颗粒和棒,以及定制填充的 化合物, 包括碳、玻璃和其他。

德菲利斯说:“ 自  2000  年以来, 牛津高性能材料    (OPM)一直在与  PEKK  合作,开发材料和应用技术。   今天市场上所有的  PEKK  产品都是用杜邦的方法制造    的。”他解释说, 基本上所有的聚酮都是在同一时间开    发的, 以应对  20  世纪  90  年代美国联邦航空管理局新    规定对飞机内部防火、防烟和抗毒性能的威胁。然而,   这些规定从未实现, 最初的  PEEK  和  PEKK  市场蒸    发了。因此, ICI  将  PEEK  剥离给了  Victrex, 杜邦将    PEKK  卖给了  Fiberite, Fiberite  被  Cytec   收购, Cytec    又被  索尔维 (Solvay)   收购。 德菲利斯  说, 阿科玛    (Arkema  ) 成为   OPM   的 合作 伙 伴,  目 的 是获 得    PEKK  专业知识, 并最终开发出杜邦方法  PEKK  产品。 作为这种合作伙伴关系的结果,阿科玛(Arkema) 成为    复合材料行业  PEKK  的第二大来源。


德菲利斯表示:“Hexcel 还投资了 OPM。” 。“我们开   发了一种使用选择性激光熔化(SLM-selective laser melting)   和碳纤维增强 PEKK 的增材制造技术,该技术在波音、 诺斯罗普 · 格鲁曼和其他公司获得了航空航天应用的   资格。这对已经是 OPM 大股东的 Hexcel 很有吸引力。” 因此,2017 年 12 月,Hexcel 并购了 OPM 的航天和国防   (a&D)业务(美国康涅狄格州南温莎)。然而,OPM 在   航空航天和国防之外保持其 3D PEKK 打印业务,并继   续开发其核心材料科学技术。

“ 所有的 PEKK 都不一样, ”  德菲利斯断言。 “ 索  尔维(Solvay)和阿科玛(Arkema)采用了杜邦方法,该  方法使用高温合成(HTS-high temperature synthesis), 因此运行  速度更快, 降低了成本。然而, 它也有缺点。 ”他解释  说,最初,PEKK 聚合物的熔体稳定性和纯度存在问题, 这使杜邦很难制造零件。随着时间的推移,杜邦的方法  有所改进,聚合物也有所改进,零件变得更具可重复性。 例如,除了上述增材制造技术之外,OPM 还开发了注射  成型以及 PEKK 薄膜应用。

德菲利斯说:“但我们一直看到,PEKK 可以以不 同的方式制作并改进。 ” 。“ 现在,如果你回到最初的 玩家, 实际上还有第三个, 那就是 Raychem, 它卖给了 巴斯夫, 巴斯夫只是放弃了 PAEK。但 Raychem 的技术是用于低温合成(LTS-low temperature synthesis)。这与 HTS 非 常不同。”。因为 LTS 是一个“ 冷 ”过程, 它在最终聚 合物的分子量和分子结构方面也更可控。然而,这一过 程较慢, 因此成本略高。德菲利斯说:“但也可以直接 进行粉粉末加工, 而不需要研磨步骤。 ” 。“ 因此, 这 有助于抵消处理速度较慢的影响。 ”

这种名为 OXPEKK-LTS 的新产品提供了两全其美  的效果:一种可控的工艺,可以生产出带有球形聚合物  粉末的产品。德菲利斯解释道:“ 通过研磨,你最终会  得到锯齿状的聚合物‘ 岩石 ’, 在涂覆和浸渍胶带时, 这些岩石很难均匀堆叠。” 。“OXPEKK-LTS 的圆形形  状使胶带制作过程中具有更高的精度。因此,现在我们  可以改进胶带,并通过原位固结实现真正的 OOA 处理, 而目前胶带的尺寸保真度阻碍了这一点。 ”

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OXPEKK-LTS 中的球形颗粒能够形成更均匀  的热塑性胶带,有助于实现一步、高压釜外   (OOA)原位固结的初级复合材料飞机结构。


所以有可能生产出更好的胶带, 并且价格仍然与    PEEK 相匹配? 德菲利斯反驳道:“ 空客及其供应商正    在讨论的复合材料主要受力结构的成本远比聚合物原    材料成本复杂得多。” 。“原材料绝对是组件总成本的    一部分, 但制造工艺和性能是关键的成本因素。首先,   PEKK 的抗压强度远高于 PEEK,这是一个巨大的优势。   你可以在复合材料结构中获得更好的疲劳性能,这反过    来意味着你可以设计更轻的结构,而不需要那么多材料。 换句话说,我们提供了一种实现更高强度重量比的方法。 但我们也启用了原位固结(ISC), 所以这些更轻的组织    现在是一步生产的, 而不是两步。 ”

但 OPM 并没有就此止步。 德菲利斯声称,用于航 空航天应用的聚酮预处理中的所有碳纤维都是在不施 胶的情况下使用的。这是关键, 因为施加于纤维上的上 浆使其能够以可预测性、减少损伤和可重复性的方式通 过所有不同的加工步骤。他解释道:“航空航天领域没 有人将碳纤维与施胶剂一起用于  PAEK  热塑性塑料的 主要结构,因为所有已知的施胶剂都会对机械性能产生 不利影响。 ”。

这里有一个简短的说明。帝京(Teijin)炭素欧洲技术服务部的(马蒂亚斯 ·舒伯特)Matthias Schubert 不同 意这一观点。他解释道:“ 多年来,我们一直在为 PAEK 热塑性塑料使用特殊的上浆剂。 ” 。“ 这是必要的, 因 为标准上浆剂的环氧化物化学性质在  PAEK  加工温度 下会降解, 因此会产生一些脱气。我们的上浆剂实际上 会增加树脂的附着力, 与未上浆的碳纤维相比,树脂的 附着力高出约 20% 。”他指出,这是通过横向 4 点弯曲 测试测得的, 可归因于纤维-树脂界面结晶结构的可控 初始化。

德菲利斯说:“有了 OXPEKK LTS,我们还拥有专   有的化学物质,可以将 PEKK 放入溶液中,并将其用作   上浆剂,从而进一步加快处理速度,提高较带性能。” 。  这一直延伸到原位固结。“ 因此,现在使用这项技术制   造的大型受力结构出现了一个非常有力的商业案例。”

厚一点的胶带怎么样? NLR 表示,它希望拥有 0.25  英寸厚的胶带,这有助于进一步满足 60-70 架飞机/月的  生产率。德菲利斯说:“ 速度会对过程中的保真度和最  终结构的性能产生不利影响。 ” 。“ 因此,这始终是这  些对立因素之间的平衡。预浸料中圆形聚合物颗粒的物  理特性是公认的。我们相信, 我们可以控制这些颗粒,从而提供更多的杠杆来实现生产符合成本和性能目标 的大型 OOA 主结构所需的平衡。我们有非常强大的工 具来实现空客和其他公司希望的这项技术。 ”

OPM 开拓新道路的记录给了它信心。德菲利斯说: “ 没有其他人拥有适用于航天器的  PEKK  和碳纤维的  合格 3D 打印, 并具有完全的 B 基允许值, 也没有其他  人开发出具有美国食品药品监督管理局批准、生物相容  性和性能认证的颅骨、脊椎和骨科植入物。我们有信心  为飞机提供 PEKK 热塑性复合材料解决方案。 ”

OXPEKK LTS  将在今年年底前用于开发目的。该 产品将于 2019 年初上市。

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OXPEKK®是 OPM 专有的聚醚键通(PEKK)配方, 是一种超高性能热塑性材料。

OXPEKK 是一种半结晶聚合物, 具有优异的机械、 热学和化学性能, 适用于从医疗到航空航天、汽车、能  源和建筑材料的各种行业。


结束语

今年 3 月赫氏( Hexcel )和阿科玛( Arkema) 联合推出 Hexcel HexTow® AS7 and IM7  碳纤维/  Kepstan® PEKK 基材的复合材料。 至此,全   球供应民机碳纤维复材的三家公司:东丽    (Toray)、 索尔维(Solvay) 、 赫氏( Hexcel ) 都有了用 PEKK 做基材的碳纤维复合材料。  特别赫氏(Hexcel) 还针对单通道民机机    身,开发了蒙皮与长桁 ISW 焊接工艺。

不难看出, 未来正式投产的“ 新 A320” 机   身使用赫氏(Hexcel)的 PEKK 复合材料 已无悬念了。

补充说明

英文原文国内于 2018.6.7  已经有翻译《PEEK vs    PEKK——未来航空热塑性复合材料谁主沉浮?》(网 上可查到) 。但是一幅关键图片中的英文没有译出。另外,当时赫氏(Hexcel)还没有推出 PEKK 复合材 料。此文只是倾向 PEKK 复材, 但没有明确的结论。

------  完  ------

原文见,《  PEEK or PEKK in future TPC aerostructures?  》  2018.4.1


杨超凡        2024.5.24

未来民机热塑复材用PEEK还是PEKK-1

未来民机热塑复材用PEEK还是PEKK-2


结构基础复合材料流体基础航空航天理论材料科普
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首次发布时间:2024-07-02
最近编辑:4月前
杨超凡
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