杨超凡·热塑性复合材料-碳纤维/聚醚醚酮 碳纤维/聚醚酮酮
热塑性复合材料- 碳纤维/聚醚醚酮，碳纤维/聚醚酮酮Thermoplastic composite – CF/PEEK , CF/PEKK目前单通道、窄体飞机C919、空客A320、波音B737同属于铝合金金属飞机，复合材料用量不大。B737、A320已经生产了快40年,他们早就在计划研制新型号飞机，以取代老型号飞机。去年欧洲、空客的媒体和巴黎复材料展会上，陆续透露了一些研发动向。其中最引人注目的一项是，用热塑性碳纤维复合材料，制造机体主要受力结构件。 双通道、宽体飞机波音B787和空客A350，它们机体复合材料用量分别达到50%和53%，已经属于复合材料飞机。使用的是热固性碳纤维复合材料—碳纤维/环氧树脂基材。这两种飞机在复合材料技术和商业运营的成功，是有目共睹。B737、A320和C919同属150座级干线飞机。这样大小的飞机，最受航空公司的青睐。是目前销售最火爆的机型。空客正在研发的新型号飞机，目标产量每月生产100架。新型号飞机的生命周期至少30年。飞机机体使用树脂基碳纤维复合材料，这是制造公司、航空公司和乘客的共识。但是直接沿用B787和A350的复合材料技术，很难满足目标产量和预算的成本的需求。使用热固性碳纤维复合材料，主要用两种工艺制造飞机结构：这两种技术主要问题是，预浸料要在-18°C的环境中运输、保管，而且保管期一般不超过6个月。预浸料使用成本很高。另外，在热压罐中固化，需要10个小时。这道工序的时间太长。对于A320这样大小的飞机部件，采用基材树脂灌注技术。从树脂灌注到固化结束，目前所用的时间远远超过10个小时【注1.】。针对热固性碳纤维复合材料，在使用中存在的问题，欧洲一批科研团体、院校会同空客，孜孜不倦、坚忍不拔地研发热塑性碳纤维复合材料制造民机结构件。2005年空客A380上就使用了，PPS（聚苯硫醚）热塑性碳纤维复合材料制造的“J-nose”机翼前缘。随后的日子里，又用这种材料制造了公务机G650的，机身尾段双曲度加强壁板、方向舵、升降舵、地板梁。- 热塑性树脂作为复合材料中的基材，它不需要固化剂。只需添加1-2%的催化剂。使用中不需要固化，也就省去固化时间和建造、使用昂贵热压罐的投资。
- 用热塑性复合材料制造零件，只要加热、不需固化。它可以像铝合金一样连续冲压和弯曲。
- 热塑性复合材料也可制成预浸带（单向带和无捻纱带），使用自动铺放（ATL和AFP）工艺。
- 零件连接使用焊接，不用铆钉类的紧固件。这不仅省去钻孔、安装紧固件工时，还减轻重量。
- 热塑性复合材料，可高温熔化树脂，分离出碳纤维。便于回收利用。
- 碳纤维/聚苯硫醚（CF/PPS）复合材料的强度性能，还不能满足类似A320单通道、窄体飞机的要求。
随着技术的进步，一些高强度、耐高温的热塑性树脂，进入了碳纤维复合材料阵营。这其中 特别是聚醚醚酮（PEEK）和聚醚酮酮（PEKK）。欧洲已经用它们试制出发动机吊挂上梁、机身龙骨梁和带窗框的机身壁板试验件（窗框是CF/PPS制造的，它被焊接在机身蒙皮上）。
PEEK和PEKK是PAEK(聚芳醚酮)高性能聚合物家族的一部分。材料由特定的基本分子组成。不同的名称表示醚类和酮类成分的数量。PEEK是醚-醚-酮(2个醚，1个酮)的聚合物(多重/混合)。PEKK是一种不同的聚醚酮酮(1个醚，2个酮)。这些积木式组合，从整体上改变了每一种物质。(就像改变饮料中液体的比例会改变饮料的性质一样。)PEEK和PEKK是由醚和酮的合成的。不同厂家、采用不同的合成方法，得到的产品，其性能有较大的差别。PEKK同聚物的熔化温度约为400℃，缓慢的结晶速率。PEKK的抗压强度远远高于PEEK，这是一个很大的优势。在复合材料结构中，可以获得更好的疲劳性能，这意味着可以设计更轻的结构，不需要太多的材料。这是一种实现更高强度重量比的方法。PEKK具有比PEEK更高的Tg（160°C与140°C）；PEKK具有PEEK低的熔体温度（390°C与340°C）。PEKK和PEEK有非常相似的化学结构，除了两个关键的区别。1. PEKK用一个更硬的酮基取代了一个灵活的醚键。这增加了玻璃化转变温度(Tg)—材料首先开始软化的地方—比PEEK高出15°C。2. 第二酮基是选择性正(直)或对(扭)取代。通过改变直节和弯节的数量，可以控制熔点和结晶速率。例如，一种PEKK聚合物，其60%的直链段和40%的弯折段在305°C左右熔化，结晶速度非常慢，因此常被称为“伪无定形”。同样的聚合物，80%的直链段和20%的弯折段的熔点约为360°C，结晶速率与PEEK相似。PEKK和PEEK聚合物在性能上是高度可定制的。通过仔细平衡对苯二甲酸(“T”)和异酞酸(“I”)单体的比例来实现这种定制或微调。控制这一“T和I”比率可以使生产出结晶速率和熔体温度范围内的不同等级。聚合物设计的另一个维度是量身定制的分子量控制——允许具有高度特定的熔体体积指数(从高流动性到高粘性)的等级。PEEK和PEKK是半晶材料具有熔化转变和玻璃转变的特征。在半晶热塑性塑料中最主要也是最重要的转变是玻璃化转变；超过这一点，聚合物流动明显，材料可以成型。所以，用它组合的复合材料，在制造零件过程中，需要控制、检测温度，以保证结晶速率。绝大多数用于复合材料的热固性材料是完全非晶的，因此只有Tg的特征，也就无结晶速率一说。 
CF/PEEK和CF/PEKK复合材料，其中碳纤维是否上浆，现有两种截然不同的报道。一种是不用上浆，另外一种是使用PAEK(聚芳醚酮)作为浆料。“我们的上浆实际上增加了树脂的附着力，比未上浆的碳纤维高出20%左右”。CF/PEEK和CF/PEKK复合材料制成的带材，成卷时不需要背衬（隔离带）。
1. 2008年3月东丽（Toyay）宣布，用11.5亿美元收购TenCate复合材料公司。其目的是加强热塑性复合材料的生产，以满足飞机制造的需求（特别是小型飞机和无人机）。2. 热塑性树脂，特别是PEEK、PEKK目前全球仅有少数几家公司批量生产。我国如何应对？3. 我国自主研制的C919是一款铝合金飞机。下一步用哪种复合材料？值得关注。4. 从现有资料看来，热塑复材还没有用于制造机身整体筒的报道。有关热塑性复合材料（CF/PEEK，CF/PEKK）能看到的资料很少。它在飞机上的应用，也只看到欧洲的研发报道。波音下一步是否用？不得而知。注1. 空客参加的欧洲研发团队，有一个“明日之翼”研发项目。项目的目标是为新型号A320研发复合材料机翼。根据公布的资料，机翼用碳纤维/环氧树脂基复合材料；使用干纤维—树脂灌注—高温炉固化技术。“明日之翼”关键之一是要解决灌注树脂和固化的时间，要能满足生产进度的要求。 PEEK— poly-ether-ether-ketone 聚醚醚酮 PEKK — poly-ether-ketone-ketone 聚醚酮酮 PAEK — poly-aryl-ether ketone 聚芳醚酮 PPS — polyphenylene sulfide 聚苯硫醚 著作权归作者所有，欢迎分享，未经许可，不得转载
首次发布时间：2023-12-01
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