聚醚醚酮在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

張 輝，方良超，陳奇海，霍紹新，姚 芮

(中國電子科技集團(tuán)公司 第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

高分子材料以其良好的耐化學(xué)腐蝕性、塑性成型性，克服了傳統(tǒng)金屬材料易腐蝕損壞、加工工藝復(fù)雜和整體質(zhì)量大等缺點(diǎn)，在飛機(jī)襟翼、肋板和框架等承力構(gòu)件中獲得廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì)目標(biāo)。此外，其獨(dú)特的耐高低溫性能、耐疲勞性能和耐水解等性能，滿足了特定環(huán)境需求，使其在雷達(dá)天線罩、緊固系統(tǒng)等領(lǐng)域的應(yīng)用備受青睞。

隨著新一代武器裝備結(jié)構(gòu)功能一體化的發(fā)展，高分子材料及制品突破了傳統(tǒng)金屬材料的應(yīng)用局限，在性能提升的同時(shí)甚至產(chǎn)生變革性的影響。高分子材料及制品的應(yīng)用水平已是衡量裝備是否先進(jìn)的重要指標(biāo)之一，其應(yīng)用范圍將會(huì)日益擴(kuò)大，用量比例將會(huì)得到進(jìn)一步提升。

聚醚醚酮(PEEK)熱塑性材料能在寬廣的溫度范圍和極端條件下提供卓越的綜合性能[1]，成為當(dāng)今最熱門的高性能工程塑料，在航空航天領(lǐng)域涌現(xiàn)很多替代傳統(tǒng)金屬材料的經(jīng)典案例，在設(shè)計(jì)自由度、制造效率、結(jié)構(gòu)輕量化及可靠性等方面實(shí)現(xiàn)了對傳統(tǒng)鋁材的超越。

PEEK特種工程塑料自問世以來，一直被作為一種重要的戰(zhàn)略性國防軍工材料，歐美等國均限制出口。近年來，軍工行業(yè)對材料的要求越來越高，PEEK材料因其優(yōu)異的力學(xué)性能和綜合性能而被視為軍工關(guān)鍵材料，其開發(fā)研究也列入國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目和“863”技術(shù)[2]。

1 PEEK材料的特點(diǎn)

PEEK作為聚芳醚酮類聚合物中的一種結(jié)晶性高分子，分子鏈含有亞苯基環(huán)并通過氧橋和羰基連接。由于這類高分子中含有的苯環(huán)使其具有一定的剛性，因而具有良好的力學(xué)性能、耐高溫性能等；同時(shí)分子結(jié)構(gòu)中的醚鍵又使聚芳醚酮類高分子具有了一定的柔性，有利于這類材料的加工成型[3]。

與其他熱塑性塑料相比，PEEK材料具有如下優(yōu)點(diǎn)。

1)優(yōu)異的耐高低溫性能。持續(xù)使用溫度達(dá)260 ℃，低溫可耐受-100 ℃。

2)優(yōu)異的耐腐蝕性。化學(xué)性能極為穩(wěn)定，防腐蝕，在噴漆燃料和液壓油中可長時(shí)間保持穩(wěn)定，在通常的化學(xué)藥品中，只有濃硫酸能溶解或者破壞它。其耐腐蝕性與鎳鋼相近。

3)優(yōu)異的耐疲勞性能。PEEK材料具有高分子聚合物中最優(yōu)異的耐疲勞特性。

4)優(yōu)異的耐水解性能。低吸濕性，耐蒸汽、水和海水水解，低滲透性。長期暴露在濕/熱條件下亦可保持性能穩(wěn)定。

5)優(yōu)異的耐輻照性能。

6)低氣體釋放特性。

7)優(yōu)異的阻燃性能。具有固有良好的阻燃性，無需使用阻燃劑，燃燒產(chǎn)生極低的煙霧和毒氣。

8)優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性。具有出色的強(qiáng)度、剛度、長期蠕變和疲勞性能。

9)優(yōu)異的環(huán)保特性。質(zhì)量輕，可完全回收利用，無鹵素。

10)優(yōu)異的電氣性能。在較寬的頻率和溫度范圍內(nèi)保持良好的電氣性能。

PEEK材料與幾種典型耐高溫塑料的性能對比見表1。

表1 常見熱塑性材料的基本性能對比

與金屬材料相比，PEEK材料密度小，僅為1.35 g/cm3，比不銹鋼輕70%，比鈦輕55%，比鋁輕40%。PEEK材料憑借其優(yōu)良的力學(xué)性能，常用于飛機(jī)零部件的制造，實(shí)現(xiàn)“以塑代鋼”“以塑代鋁”，在滿足使用要求的同時(shí)可減少構(gòu)件質(zhì)量，達(dá)到輕量化的目的。

以鋁作為參考(100%)，在120 ℃條件下橫梁的結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度示意圖如圖1所示，由圖1可以看出，在質(zhì)量比航空金屬輕55%的條件下，PEEK材料仍具有同等的剛度和強(qiáng)度。

圖1 橫梁的結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度示意圖

PEEK材料與其他常用航空金屬的比強(qiáng)度對比示意圖如圖2所示，由圖2可以看出，經(jīng)過短纖維增強(qiáng)的PEEK材料具有更優(yōu)異的強(qiáng)度和剛度。

圖2 比強(qiáng)度對比示意圖

PEEK材料和鋁的拉伸疲勞性能對比如圖3所示。由圖3可以看出，PEEK材料的疲勞壽命比典型航空鋁合金長100倍。

圖3 PEEK材料和鋁的拉伸疲勞性能對比示意圖

PEEK材料的線性膨脹系數(shù)與其他常用航空金的比較如圖4所示，由圖4可以看出，與金屬相比，PEEK材料經(jīng)填充增強(qiáng)后，可明顯降低膨脹系數(shù)，從而減少因膨脹不均造成的風(fēng)險(xiǎn)，大大提高尺寸穩(wěn)定性。

圖4 線性膨脹系數(shù)比較示意圖

2 PEEK材料的應(yīng)用

隨著現(xiàn)代科技技術(shù)的發(fā)展，航空航天領(lǐng)域呈現(xiàn)多種任務(wù)需求，如載人航天、深空探測和高超聲速武器等，材料的使用環(huán)境越來越惡劣，對材料的需求也將日益苛刻。PEEK材料一問世，就被作為一種軍工材料應(yīng)用于航天、航空領(lǐng)域，它可以替代鋁和其他金屬材料制造各種零部件。近年來，為滿足航空航天器結(jié)構(gòu)減重與高可靠性的緊迫性需求，PEEK材料的應(yīng)用已從最初的內(nèi)飾件逐漸向承力構(gòu)件過渡，不僅提高了飛行器的性能，獲得了更長的使用壽命和可靠性需求，也創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)威格斯公司評估，采用PEEK材料解決方案替代金屬，每架飛機(jī)減輕45 kg，一只500架的飛機(jī)編隊(duì)，每年可節(jié)約燃料成本達(dá)500萬美元，同時(shí)減少CO2排放達(dá)1.7萬t。此外，通過設(shè)計(jì)具有高度功能化的PEEK材料部件，將零件生產(chǎn)簡化、標(biāo)準(zhǔn)化和集約化，可使零件的組裝時(shí)間加快75%。

由于能降低質(zhì)量，整合零件，無設(shè)計(jì)成本，某些情況下能提高生產(chǎn)或安裝速度，最初PEEK材料在支架、夾子、卡箍、連接頭、緊固件和其他系統(tǒng)附加裝置方面獲得較好應(yīng)用(見圖5)。利用PEEK材料的低吸濕性，可確保扎線帶的尺寸穩(wěn)定不變，因而不會(huì)膨脹和破壞電線絕緣性能。B787的系統(tǒng)附件中采用了PEEK材料的卡箍與支座，不僅實(shí)現(xiàn)了符合人體工程學(xué)的設(shè)計(jì)，也實(shí)現(xiàn)了減重20%，安裝速度快30%的效益，同時(shí)對材料表面也無需防蝕處理。PEEK材料的螺母、螺栓和插件等緊固件，可以為航空部件提供輕巧的連接和扎束系統(tǒng)，比金屬輕最多達(dá)80%，抗疲勞強(qiáng)度高4倍，且具有更優(yōu)的耐腐蝕性和減振性能。利用PEEK材料的輕質(zhì)、耐化學(xué)腐蝕性和耐油性的特點(diǎn)，空客A380 飛機(jī)研制了燃料箱蓋板等非結(jié)構(gòu)性外部零部件。

圖5 PEEK材料附件

盡管PEEK材料性能優(yōu)異，但在一些極端苛刻條件下，其依然存在一定的使用局限性，如純PEEK樹脂由于脆性大、剪切性能差、使用溫度相對較低，且價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)，難以滿足不同的使用要求。國內(nèi)外材料工作者紛紛對其進(jìn)行改性，以推動(dòng)PEEK材料的深層次應(yīng)用[4-5]。當(dāng)前最普遍的方法是進(jìn)行纖維增強(qiáng)，大量研究發(fā)現(xiàn)，利用玻纖(GF)、碳納米管(CNT)、碳纖(CF)增強(qiáng)的PEEK材料，力學(xué)、熱學(xué)等性能有顯著提高。纖維增強(qiáng)PEEK材料已逐漸開始在主承力構(gòu)件中應(yīng)用(見圖6)。

雷達(dá)天線罩要求材料必須能夠承受劇烈的熱沖擊和極端溫度，而且不發(fā)生破裂和變形。在較寬廣的溫度范圍內(nèi)，PEEK材料的尺寸極為穩(wěn)定。由于該材料的吸濕率和膨脹系數(shù)較低，并且具有延展性以及杰出的耐疲勞性能，因此可承受劇烈的溫度波動(dòng)。 Algram公司采用PEEK材料注射成型制備了高尺寸精度的雷達(dá)天線罩，直徑可達(dá)35 cm，具有更為出色的防雨性能、機(jī)械強(qiáng)度和電器性能。

圖6 PEEK材料典型結(jié)構(gòu)件

飛機(jī)起落架輪通常面臨最極端的環(huán)境和著陸條件，包括高空-54 ℃的低溫和停機(jī)坪上80 ℃的高溫，飛行碎片的撞擊，接觸噴氣燃料、液壓油、除冰溶液和鹽份，反復(fù)硬著陸。新型波音777延伸航程型飛機(jī)裝備了PEEK材料的輪轂罩，該材料不會(huì)阻隔無線電傳輸，機(jī)械強(qiáng)度高，并且能抵抗跑道上出現(xiàn)的腐蝕性物質(zhì)的侵蝕。

空中客車A350～A900飛機(jī)艙門配件采用了一種高模量碳纖維增強(qiáng)的PEEK材料。使用該材料，容易進(jìn)行鉆孔加工，可實(shí)現(xiàn)減重40%，節(jié)約成本40%；同時(shí)，該材料具有良好的抗?jié)裥?，可有效抵抗積聚在艙門處的水汽。使用該材料使產(chǎn)品的強(qiáng)度和剛度皆提高了20%。

PEEK材料已用于替代多種航空設(shè)備中的金屬螺旋槳和葉輪，這些航空裝備包括燃油冷卻系統(tǒng)及直升機(jī)中用于傳送低壓空氣的通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)扇。PEEK材料部件的設(shè)計(jì)可使質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于金屬部件，慣性更小，對于用來轉(zhuǎn)動(dòng)葉片的馬達(dá)的要求也相應(yīng)降低。

為提升新商用飛機(jī)平臺的整體燃油效率和可靠性，中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司(COMAC)選用威格斯管路VICTREX Pipes作為高壓電纜導(dǎo)管替代金屬管道。經(jīng)COMAC測試和驗(yàn)證，與同類鈦管道相比，VICTREX PEEK管道減重高達(dá)45%，并且提高了燃油效率，減少了CO2排放。堅(jiān)固耐用的管道系統(tǒng)還可充當(dāng)減振器保護(hù)電纜。

威格斯管道現(xiàn)已被指定用于空客A350XWB的貨艙排水系統(tǒng)。與同類不銹鋼管道相比，減重高達(dá)60%；可彎曲和成型，適用于設(shè)計(jì)復(fù)雜管道系統(tǒng)；無腐蝕性，且對航空航天液體具有優(yōu)異的耐受性；具有很高的延展性和堅(jiān)韌性，可承受很高的變形度而不會(huì)斷裂。

在航天領(lǐng)域，玻纖增強(qiáng)的PEEK材料已成功應(yīng)用于衛(wèi)星鋰電池零件、高溫絕緣圈等，解決了普通工程塑料氣體釋放量、耐溫和絕緣等級不能滿足使用要求的技術(shù)難題。近期，歐洲航天局(ESA)已經(jīng)推出了一項(xiàng)新的3D打印CubeSat立體小衛(wèi)星項(xiàng)目，材質(zhì)為PEEK塑料。隨著第1次測試運(yùn)行正式進(jìn)行，歐空局旨在使這些3D打印的微型衛(wèi)星投入商業(yè)應(yīng)用，并配有內(nèi)部電氣線路。

3 結(jié)語

從金屬到高性能材料的應(yīng)用轉(zhuǎn)換是航空航天領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。先進(jìn)材料對于經(jīng)濟(jì)競爭和國家安全極為重要，它的發(fā)展和應(yīng)用標(biāo)志著一個(gè)國家擁有的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢、軍事實(shí)力和科學(xué)水平。國外憑借PEEK材料的壟斷優(yōu)勢，逐漸開始在航空航天領(lǐng)域主結(jié)構(gòu)件中推廣應(yīng)用。國產(chǎn)材料在性能指標(biāo)方面存在較大差距，僅在附件系統(tǒng)獲得有限應(yīng)用，因而應(yīng)在PEEK材料的關(guān)鍵技術(shù)上進(jìn)行重點(diǎn)研發(fā)，打通原材料聚合→改性→成型加工→應(yīng)用驗(yàn)證各環(huán)節(jié)，為國防事業(yè)健康有序發(fā)展提供充足的物質(zhì)與技術(shù)保障。