包覆成型扩大了PEEK在复合材料中的应用范围

一种新型聚合物和混合工艺可以在几分钟内生产出复杂、高承载能力、纤维增强的支架和夹子。

混合包覆成型设计：此CAD图像显示了一种连续纤维增强的PAEK复合材料（红色）和PEEK包覆成型（绿色）。

重量轻，性能最佳：混合成型工艺使用扁平、温度较低的VICTREXPAEK复合基材，由短纤维增强PEEK和共模金属嵌件包覆成型。最终的成品支架比同类金属部件轻60%。

完成的支架，带有额外的端部插入件，准备安装。

表1.Victrex PAEK A250与PEEK150

在复合材料行业，聚醚醚酮（PEEK）的使用最近经历了由预固结坯料制成的带编织和/或单向加强件的恒温飞机机身夹和支架的增加。但是，使用者和坯料制造商都认识到它们的局限性。

PEEK供应商VictrexPolymer Solutions（英国兰开夏郡克莱维利）的航空航天战略业务总监蒂姆·赫尔(TimHerr)表示：“大约3-4年前，我们认识到压缩成型层压板没有提供飞机设计师所追求的设计灵活性和制造效率。”。赫尔的威格斯团队和航空航天零件制造商Tri-Mack（美国罗得岛州布里斯托尔）利用其在飞机工业中25年的高温高性能树脂在填充和未填充注塑塑料零件（如安装件和垫片、管材、外壳和电连接器）中的历史，开始探索注塑包覆成型的概念，以此克服预固结坯料恒温成型固有的局限性。

他解释说：“该行业需要包覆成型”，就像现在汽车行业中聚酰胺和聚丙烯常见的有机片材工艺一样。航空航天零件制造商Tri-Mack（美国罗德岛州布里斯托尔）已经开始探索这种PEEK加工，作为其热塑性复合材料开发的一部分。这两家公司现在已经展示了一种新的PEEK混合成型工艺，该工艺使用低温连续增强的威格斯聚芳醚酮（PAEK）复合材料作为基材，用短纤维增强的PEEK包覆成型，生产出比同类金属部件轻60%的高性能负载支架。

混合复合材料塑料加工

“我们的想法是将热塑性塑料的耐化学性和可塑性与复合材料的高性能和轻质性相结合，”Tri-Mack销售总监汤姆·克奈斯(TomKneath)说。“只有这样，热塑性复合材料才能渗透到新的应用中，在这些应用中，由于所需的机械性能，塑料无法单独使用。”但有机片材工艺并非没有问题。传统步骤包括将预固结的热塑性层压板预热至再熔化温度，转移到开放式注塑模具中，关闭模具以热成型坯料，然后用纤维填充的熔体进行注塑包覆成型，以提供完成的三维表面。正如AlanWood在第二届热塑性复合材料国际会议和展览（ITHEC2014，10月27日至28日，德国不来梅）上所介绍的那样，威格斯必须解决一系列问题，包括预热过程中基材的支撑、成型过程中纤维取向的控制、确保基体熔化的均匀坯料厚度的潜在限制，以及在包覆成型过程中确实会熔合在一起的聚合物的开发。

“我们可以在PEEK上模制PEEK，但它不会融合在一起，”赫尔说。基质的熔融需要熔融温度低于包覆成型的基材。赫尔指出：“如果你不将两者融合，你就不会巩固这一部分。”。“因此，我们需要一种具有PEEK特性的低温加工PAEK。”将PAEK视为聚合物家族——威格斯可以制造不同的配方，每种配方都有特定的分子量、熔融温度和Tg——PEEK是一种。因此，威格斯开发了熔融温度为305°C的PAEKA250聚合物（见左表1）。赫尔声称：“我们不仅实现了PEEK的包覆成型，而且能够在与PPS或PEI类似的加工温度下，使用现有设备实现PEEK类型的性能。”

威格斯还证明，在成型过程中可以保持纤维取向，基材层压板厚度有可能发生变化，这使得最终零件的刚度能够进行局部定制。该过程所需的能量比预期的要少，基板预热通常保持在200°C。

包覆成型为航空复合材料模具商提供了两种成型“世界”所固有的优势：复杂的航空航天热固性复合材料可以在低重量下提供所需的功能和强度，但“需要手工铺叠和热压罐加工，导致零件生产需要数小时到数天”，相比之下，纯热塑性塑料的注塑成型可以在几分钟内生产出复杂的部件，但限制了模具工优化零件功能的能力。克奈斯指出：“这种混合工艺的优点在于，你可以将材料放在需要的地方，而标准注塑成型则不能轻易地选择性地加固零件。”

由于基材坯料是多层复合材料叠层，因此很容易针对特定性能和/或负载处理进行定制。例如，Tri-Mack能够使用内部自动成型单元在坯料中放置和定向UD胶带。事实上，该公司的先进复合材料中心位于其主工厂附近，专门用于实现复合材料的自动铺叠、固结和热成型，并结合其传统的注塑能力，以取代航空航天应用中的金属和热固性复合材料。

构建更好的支架

为了演示这个过程，Tri-Mack需要一个能够传达信息的部件。克奈斯说：“航空航天中使用的支架太多了，我们用热塑性复合材料制作了一个简单的支架，所以我们决定设计一个复杂的支架形状，也能承受相当大的载荷。”该设计在三个轴上加载，并包含四个安装点，这些安装点依赖于PEEK包覆模中的共模制金属嵌件，后者是Tri-Mack无增强热塑性支架的典型特征。克奈斯介绍说：“我们将航空航天级碳纤维增强PAEK基材和四个金属嵌件装入标准注塑模具。”。“我们使用标准工艺将VICTREXPEEK150CA30”—30%的碳纤维增强化合物——“注射到基材上，几分钟后，我们就有了一个集成组件，将PEEK复合材料的性能与注塑的成本效益结合在一起。”。初步测试显示，PAEK和PEEK基体之间的结合非常牢固。克奈斯断言：“这将在工程界开始利用这项技术设计零件时建立信心。”。

“设计灵活性巨大，”他补充道，并指出用锻造金属制成的相同支架需要大量的加工。“用2-3分钟的注塑成型很容易打败它。”克奈斯承认有模具成本，但表示回报通常很快。“大多数航空航天公司都会说他们没有注塑成型的数量，但我们已经注塑航空航天零件40年了，知道如何设计平衡现金和性能要求的模具。”

扩大PEEK的范围

赫尔声称：“我们得到了飞机制造商和市场上其他公司的强烈回应。”。“这项技术为工程师提供了他们想要设计一个非常坚固但重量轻的承重部件的灵活性。”他解释说，这是中国商用飞机有限责任公司（COMAC，上海）全力参与并积极寻找PEEK可以替代重型昂贵金属的原因之一。

克奈斯说：“这是一种使能技术，提供了支架之外的许多机会。”他补充说，鉴于PEEK的机械和高温性能以及耐化学/耐腐蚀性，很少有领域不是合适的解决方案。“我们可以讨论更复杂的外壳或具有非常薄的包覆成型纤维增强肋的不同类型的面板。”Tri-Mack也看到了在这个过程中实现多功能的机会。克奈斯说：“我们已经评估了增加雷击保护（LSP-lightning strikeprotection）路径或EMI屏蔽的技术。这通常是通过二次涂层或在叠层中添加金属层来实现的。”但Tri-Mack现在正在探索如何通过混合加工中使用的化合物来实现这一点。

“我们看到了显著扩大PEEK在航空航天领域应用的真正机会，”赫尔说。克奈斯说：“下一步，我们也在探索其他行业的应用。”