杨超凡·热塑性复合材料-碳纤维/聚醚醚酮碳纤维/聚醚酮酮

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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：

一、预浸料—自动铺放（AFP）—热压罐固化；

二、干纤维—灌注基材树脂—高温度炉固化。

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。
零件连接不钻孔，保持了复合材料原有的强度性能。
材料没有严格、苛刻的运输、保管、使用期。
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）。

初步认识PEEK和PEKK

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。