一種新型聚合物和混合工藝可以在幾分鐘內(nèi)生產(chǎn)出復(fù)雜、高承載能力、纖維增強(qiáng)的支架和夾子。

混合包覆成型設(shè)計(jì)：此CAD圖像顯示了一種連續(xù)纖維增強(qiáng)的PAEK復(fù)合材料（紅色）和PEEK包覆成型（綠色）。

重量輕，性能最佳：混合成型工藝使用扁平、溫度較低的VICTREXPAEK復(fù)合基材，由短纖維增強(qiáng)PEEK和共模金屬嵌件包覆成型。最終的成品支架比同類金屬部件輕60%。

完成的支架，帶有額外的端部插入件，準(zhǔn)備安裝。

表1.Victrex PAEK A250與PEEK150

在復(fù)合材料行業(yè)，聚醚醚酮（PEEK）的使用最近經(jīng)歷了由預(yù)固結(jié)坯料制成的帶編織和/或單向加強(qiáng)件的恒溫飛機(jī)機(jī)身夾和支架的增加。但是，使用者和坯料制造商都認(rèn)識(shí)到它們的局限性。

PEEK供應(yīng)商VictrexPolymer Solutions（英國蘭開夏郡克萊維利）的航空航天戰(zhàn)略業(yè)務(wù)總監(jiān)蒂姆·赫爾(TimHerr)表示：“大約3-4年前，我們認(rèn)識(shí)到壓縮成型層壓板沒有提供飛機(jī)設(shè)計(jì)師所追求的設(shè)計(jì)靈活性和制造效率。”。赫爾的威格斯團(tuán)隊(duì)和航空航天零件制造商Tri-Mack（美國羅得島州布里斯托爾）利用其在飛機(jī)工業(yè)中25年的高溫高性能樹脂在填充和未填充注塑塑料零件（如安裝件和墊片、管材、外殼和電連接器）中的歷史，開始探索注塑包覆成型的概念，以此克服預(yù)固結(jié)坯料恒溫成型固有的局限性。

他解釋說：“該行業(yè)需要包覆成型”，就像現(xiàn)在汽車行業(yè)中聚酰胺和聚丙烯常見的有機(jī)片材工藝一樣。航空航天零件制造商Tri-Mack（美國羅德島州布里斯托爾）已經(jīng)開始探索這種PEEK加工，作為其熱塑性復(fù)合材料開發(fā)的一部分。這兩家公司現(xiàn)在已經(jīng)展示了一種新的PEEK混合成型工藝，該工藝使用低溫連續(xù)增強(qiáng)的威格斯聚芳醚酮（PAEK）復(fù)合材料作為基材，用短纖維增強(qiáng)的PEEK包覆成型，生產(chǎn)出比同類金屬部件輕60%的高性能負(fù)載支架。

混合復(fù)合材料塑料加工

“我們的想法是將熱塑性塑料的耐化學(xué)性和可塑性與復(fù)合材料的高性能和輕質(zhì)性相結(jié)合，”Tri-Mack銷售總監(jiān)湯姆·克奈斯(TomKneath)說。“只有這樣，熱塑性復(fù)合材料才能滲透到新的應(yīng)用中，在這些應(yīng)用中，由于所需的機(jī)械性能，塑料無法單獨(dú)使用。”但有機(jī)片材工藝并非沒有問題。傳統(tǒng)步驟包括將預(yù)固結(jié)的熱塑性層壓板預(yù)熱至再熔化溫度，轉(zhuǎn)移到開放式注塑模具中，關(guān)閉模具以熱成型坯料，然后用纖維填充的熔體進(jìn)行注塑包覆成型，以提供完成的三維表面。正如AlanWood在第二屆熱塑性復(fù)合材料國際會(huì)議和展覽（ITHEC2014，10月27日至28日，德國不來梅）上所介紹的那樣，威格斯必須解決一系列問題，包括預(yù)熱過程中基材的支撐、成型過程中纖維取向的控制、確保基體熔化的均勻坯料厚度的潛在限制，以及在包覆成型過程中確實(shí)會(huì)熔合在一起的聚合物的開發(fā)。

“我們可以在PEEK上模制PEEK，但它不會(huì)融合在一起，”赫爾說。基質(zhì)的熔融需要熔融溫度低于包覆成型的基材。赫爾指出：“如果你不將兩者融合，你就不會(huì)鞏固這一部分。”。“因此，我們需要一種具有PEEK特性的低溫加工PAEK。”將PAEK視為聚合物家族——威格斯可以制造不同的配方，每種配方都有特定的分子量、熔融溫度和Tg——PEEK是一種。因此，威格斯開發(fā)了熔融溫度為305°C的PAEKA250聚合物（見左表1）。赫爾聲稱：“我們不僅實(shí)現(xiàn)了PEEK的包覆成型，而且能夠在與PPS或PEI類似的加工溫度下，使用現(xiàn)有設(shè)備實(shí)現(xiàn)PEEK類型的性能。”

威格斯還證明，在成型過程中可以保持纖維取向，基材層壓板厚度有可能發(fā)生變化，這使得最終零件的剛度能夠進(jìn)行局部定制。該過程所需的能量比預(yù)期的要少，基板預(yù)熱通常保持在200°C。

包覆成型為航空復(fù)合材料模具商提供了兩種成型“世界”所固有的優(yōu)勢：復(fù)雜的航空航天熱固性復(fù)合材料可以在低重量下提供所需的功能和強(qiáng)度，但“需要手工鋪疊和熱壓罐加工，導(dǎo)致零件生產(chǎn)需要數(shù)小時(shí)到數(shù)天”，相比之下，純熱塑性塑料的注塑成型可以在幾分鐘內(nèi)生產(chǎn)出復(fù)雜的部件，但限制了模具工優(yōu)化零件功能的能力。克奈斯指出：“這種混合工藝的優(yōu)點(diǎn)在于，你可以將材料放在需要的地方，而標(biāo)準(zhǔn)注塑成型則不能輕易地選擇性地加固零件。”

由于基材坯料是多層復(fù)合材料疊層，因此很容易針對(duì)特定性能和/或負(fù)載處理進(jìn)行定制。例如，Tri-Mack能夠使用內(nèi)部自動(dòng)成型單元在坯料中放置和定向UD膠帶。事實(shí)上，該公司的先進(jìn)復(fù)合材料中心位于其主工廠附近，專門用于實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的自動(dòng)鋪疊、固結(jié)和熱成型，并結(jié)合其傳統(tǒng)的注塑能力，以取代航空航天應(yīng)用中的金屬和熱固性復(fù)合材料。

構(gòu)建更好的支架

為了演示這個(gè)過程，Tri-Mack需要一個(gè)能夠傳達(dá)信息的部件。克奈斯說：“航空航天中使用的支架太多了，我們用熱塑性復(fù)合材料制作了一個(gè)簡單的支架，所以我們決定設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)雜的支架形狀，也能承受相當(dāng)大的載荷。”該設(shè)計(jì)在三個(gè)軸上加載，并包含四個(gè)安裝點(diǎn)，這些安裝點(diǎn)依賴于PEEK包覆模中的共模制金屬嵌件，后者是Tri-Mack無增強(qiáng)熱塑性支架的典型特征。克奈斯介紹說：“我們將航空航天級(jí)碳纖維增強(qiáng)PAEK基材和四個(gè)金屬嵌件裝入標(biāo)準(zhǔn)注塑模具。”。“我們使用標(biāo)準(zhǔn)工藝將VICTREXPEEK150CA30”—30%的碳纖維增強(qiáng)化合物——“注射到基材上，幾分鐘后，我們就有了一個(gè)集成組件，將PEEK復(fù)合材料的性能與注塑的成本效益結(jié)合在一起。”。初步測試顯示，PAEK和PEEK基體之間的結(jié)合非常牢固。克奈斯斷言：“這將在工程界開始利用這項(xiàng)技術(shù)設(shè)計(jì)零件時(shí)建立信心。”。

“設(shè)計(jì)靈活性巨大，”他補(bǔ)充道，并指出用鍛造金屬制成的相同支架需要大量的加工。“用2-3分鐘的注塑成型很容易打敗它。”克奈斯承認(rèn)有模具成本，但表示回報(bào)通常很快。“大多數(shù)航空航天公司都會(huì)說他們沒有注塑成型的數(shù)量，但我們已經(jīng)注塑航空航天零件40年了，知道如何設(shè)計(jì)平衡現(xiàn)金和性能要求的模具。”

擴(kuò)大PEEK的范圍

赫爾聲稱：“我們得到了飛機(jī)制造商和市場上其他公司的強(qiáng)烈回應(yīng)。”。“這項(xiàng)技術(shù)為工程師提供了他們想要設(shè)計(jì)一個(gè)非常堅(jiān)固但重量輕的承重部件的靈活性。”他解釋說，這是中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司（COMAC，上海）全力參與并積極尋找PEEK可以替代重型昂貴金屬的原因之一。

克奈斯說：“這是一種使能技術(shù)，提供了支架之外的許多機(jī)會(huì)。”他補(bǔ)充說，鑒于PEEK的機(jī)械和高溫性能以及耐化學(xué)/耐腐蝕性，很少有領(lǐng)域不是合適的解決方案。“我們可以討論更復(fù)雜的外殼或具有非常薄的包覆成型纖維增強(qiáng)肋的不同類型的面板。”Tri-Mack也看到了在這個(gè)過程中實(shí)現(xiàn)多功能的機(jī)會(huì)。克奈斯說：“我們已經(jīng)評(píng)估了增加雷擊保護(hù)（LSP-lightning strikeprotection）路徑或EMI屏蔽的技術(shù)。這通常是通過二次涂層或在疊層中添加金屬層來實(shí)現(xiàn)的。”但Tri-Mack現(xiàn)在正在探索如何通過混合加工中使用的化合物來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

“我們看到了顯著擴(kuò)大PEEK在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的真正機(jī)會(huì)，”赫爾說。克奈斯說：“下一步，我們也在探索其他行業(yè)的應(yīng)用。”