PEEK 还是 PEKK 在未来的 TPC 航空结构中？
哪个更适合用于生产主要飞机结构的热塑性复合材料 (TPC) 胶带的原位固结 (ISC)，聚醚醚酮 (PEEK) 或聚醚酮酮 (PEKK)？本侧边栏展示了 PEEK 与 PEKK 的争论，这是关于 ISC 是否是真正的一步法、非高压釜 (OOA) 过程的更大讨论的一部分 可以满足未来飞机生产的成本和生产率目标——即 A320 新型单通道喷气客机每月 60-70 架飞机。 替代方法是使用两个步骤 ：通过自动纤维铺放 (AFP) 铺设热塑性复合带，然后在高压釜或热压机中固结。有关详细信息，请参阅“将热塑性复合材料航空结构加固到位，第 1 部分”和“第 2 部分”。（另请参阅 Jeff Sloan 最近关于热塑性胶带的专题文章。）
PEEK 和 PEKK 都是更广泛的聚芳醚酮 (PAEK) 家族的成员，通常称为聚酮 . “PEKK 看起来很像 PEEK，它的结晶行为相似，但它的加工温度是 375°C，而 PEEK 的加工温度是 385°C，”结构技术部的复合材料高级科学家 Henri de Vries 说。荷兰航空航天中心（NLR，阿姆斯特丹）。 NLR 和 GKN Aerospace（英国雷迪奇）的 Fokker 业务（荷兰帕彭德雷赫特和 Hoogeveen）在 TAPAS 1 和 TAPAS 2 项目中率先采用了许多 TPC 技术，包括 12m 跨距扭力箱和最近的 6m 长、28mm 厚的 CF/ PEKK 发动机挂架上梁使用 AFP 制成，但在高压釜中固化。 （参见“热塑性复合材料演示器——欧盟未来机身路线图”）。
德弗里斯看到 PEKK 更适合 AFP，“因为工艺窗口更宽 .对于 PEEK，您必须在 385-390°C 下进行处理——因此在 360°C 下加工并不理想。然而，使用 PEKK，即使在 355°C 下也能很好地加工。因此，不仅您的下边界更低，而且您在材料凝固前有更多时间，因此它在熔化中的总时间更长一些，因此更好的固结 .”
De Vries 补充说，PEKK 对压制成型很有趣，与真空袋装和高压釜中的循环相比，这是在第二步中进行固结的更快选择。 “旧等级的 PEKK (DS) 对于压制成型来说太慢了，但 新等级 (FC) 比 PEEK 更好，也更便宜。”
“牛津高性能材料 (OPM) 自 2000 年以来一直与 PEKK 合作，”DeFelice 说，“开发材料和应用技术。当今市场上的所有 PEKK 产品均使用杜邦方法制造 。”他解释说，基本上所有的聚酮都是在同一时间开发的，以应对 1990 年代新的 FAA 法规威胁的飞机内饰对改进防火、烟雾和毒性 (FST) 性能的需求 .然而，这些规定从未实现，PEEK 和 PEKK 的最初市场蒸发了。因此，ICI 将 PEEK 分拆给 Victrex，杜邦将 PEKK 出售给 Fiberite，后者被 Cytec 收购，而后者又被 Solvay 收购。 DeFelice 表示，阿科玛与 OPM 成为合作伙伴，目的是获得 PEKK 专业知识，并最终开发出杜邦方法 PEKK 产品。由于这种合作关系，阿科玛成为了PEKK 的第二个来源 在复合材料行业。
“Hexcel 还投资于 OPM，”DeFelice 说。 （在这里，我们快速转移一下，解释赫氏收购 OPM 的航空航天和国防增材制造业务。“我们开发了一种增材制造技术，使用选择性激光熔化 (SLM) 和碳纤维增强 PEKK，该技术在波音、诺斯罗普格鲁曼等公司获得认证用于航空航天应用。这对 Hexcel 很有吸引力，他已经是 OPM 的大股东。”因此，2017 年 12 月，赫氏收购了 OPM 的航空航天和国防 (A&D) 业务（美国康涅狄格州南温莎）。然而，OPM 维持其 3D PEKK 打印业务外部 航空航天与国防，并继续发展其核心材料科学技术。
“所有 PEKK 都不一样，”DeFelice 断言。 “索尔维和阿科玛采用杜邦方法，该方法使用高温合成 (HTS) ，所以它运行得更快一点，从而降低了成本。然而，它也有它的缺点。”他解释说，最初，PEKK 聚合物的熔体稳定性和纯度存在问题，这使得杜邦难以制造零件。随着时间的推移，杜邦方法有所改进，聚合物也有所改进，部件变得更具可重复性。例如，除了上述增材制造技术之外，OPM 还使用 PEKK 开发了注塑成型和薄膜应用。
“但我们一直看到 PEKK 可以以不同的方式制造和改进，”DeFelice 说。 “现在，如果你回到最初的球员，实际上有三分之一，那就是 Raychem ，然后卖给了巴斯夫，后者干脆放弃了 PAEK。但瑞侃的技术是用于低温合成 (LTS) .这与 HTS 非常不同。”他指出，而不是生产聚合物薄片 然后必须接地 在与溶剂等混合用于预浸料和 3D 打印应用之前，这种获得专利的 LTS 技术允许生产粉末 球形 这是可以控制的。由于 LTS 是一种“冷”工艺，因此在成品聚合物的分子量和分子结构方面也更加可控。但是，该过程较慢，因此成本更高。 “但也可以直接磨成粉末，没有研磨步骤 ，”德菲利斯说。 “所以这有助于抵消较慢的处理。”
这个新产品 OXPEKK-LTS ，提供了两全其美的优势：一种可控过程，可生产具有球形聚合物粉末的产品。 “通过研磨，您最终会得到锯齿状的聚合物‘岩石’，难以均匀堆叠 在涂覆和浸渍胶带时，”DeFelice 解释说。 “OXPEKK-LTS 的圆形允许更精确 在磁带制作过程中。所以现在我们可以改进磁带并实现真正的 OOA 处理 通过原位整合，这受到当前磁带尺寸保真度的阻碍。”
OXPEKK-LTS 中的球形颗粒使热塑性胶带更加均匀，
这有助于实现一步式、非高压釜 (OOA) 原位固结的初级复合材料飞机结构。资料来源：Oxford Performance Materials。
那么是否有可能生产出更好的胶带并且仍然与 PEEK 的价格相匹配？ “空中客车及其供应商为复合材料主结构争论的成本比聚合物原材料成本要复杂得多，”DeFelice 反驳道。 “原材料绝对是整体组件成本的一部分，但制造工艺和性能是关键的成本要素。首先，PEKK的抗压强度要高得多 与 PEEK 相比，这是一个巨大的优势。您可以更好地消除疲劳 复合结构的性能，这反过来意味着您可以设计更轻的结构 不需要那么多材料。换言之，我们提供了一种方法来实现更高的强度重量比 .但我们也启用了 ISC，因此这些更轻的结构现在一步生产 ，而不是两个。”
但 OPM 并没有就此止步。 DeFelice 断言中使用的所有碳纤维 聚酮 预注册 用于航空航天应用无尺寸 .这是关键，因为应用于光纤的上浆使其能够以可预测性、减少损坏和可重复性的方式通过所有不同的加工步骤。 “航空航天领域没有人将碳纤维与 PAEK 热塑性塑料主结构一起上浆，因为所有已知的上浆都会对机械性能产生不利影响 ，”他解释说。
这里有一个快速说明。帝人碳素在欧洲的技术服务人员 Matthias Schubert 不同意。 “我们使用了 PAEK 的特殊尺寸 多年来，热塑性塑料，”他解释说。 “这是必要的，因为标准尺寸有一些释气，因为它们的环氧化物化学物质会在 PAEK 加工温度下降解。我们的施胶实际上增加树脂附着力 ，与未上浆的碳纤维相比，大约 高出 20% 。”他指出，这是通过横向 4 点弯曲测试测量的，可以归因于纤维-树脂界面处晶体结构的受控初始化。 （请注意，帝人碳素美国公司的 Jean-Philippe Canart 在博客“PEEK vs. PEKK vs. PAEK”中解释了这种尺寸变化。）
“有了 OXPEKK LTS，我们还拥有专有化学 将 PEKK 放入溶液中并将其用作上浆 这将进一步加快处理 和提高磁带性能 。”德菲利斯说。这一直延伸到原位整合。 “因此，对于使用这种技术制造的大型主要结构，现在出现了一个非常强大的商业案例。”
更厚的胶带呢？ NLR 曾表示，它希望拥有 0.25 英寸厚的胶带，这进一步有助于满足 60-70 架飞机/月的生产率。 “速度在过程中阻碍了保真度 以及最终结构的性能，”DeFelice 说。 “因此，这始终是这些对立因素之间的平衡。 圆形聚合物颗粒的物理性质 在预浸料中是公认的。我们相信我们提供对这些粒子的控制，然后提供更多杠杆来实现所需的平衡 用于生产满足成本和性能目标的大型 OOA 主要结构。我们拥有非常强大的工具，可以让这项技术达到空客和其他公司的目标。”
OPM 开辟新道路的往绩给了它信心。 DeFelice 说：“没有其他人使用 PEKK 和碳纤维对航天器进行合格的 3D 打印，并具有完整的 B 基础允许，”DeFelice 说，“并且没有其他人开发出符合 FDA 许可、生物相容性和性能认证的颅骨、脊柱和骨科植入物。我们有信心为飞机提供 PEKK 热塑性复合材料解决方案。”
OXPEKK LTS 将在今年年底推出用于开发目的。该产品将于 2019 年初上市。
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