未来民机热塑复材用PEEK还是PEKK-2
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。
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。 ”
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。
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。
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原文见，《 PEEK or PEKK in future TPC aerostructures? 》 2018.4.1
杨超凡 2024.5.24
