哪一种更适合用于生产主要飞机结构的热塑性复合材料（TPC）带的原位固结（ISC-in-situ consolidation），聚醚醚酮（PEEK）还是聚醚酮酮（PEKK）？本文介绍了PEEK与PEKK的争论，这是关于ISC作为一种真正的一步式、热压罐外（OOA）工艺是否能够满足未来飞机生产的成本和生产率目标（即A320新型单通道喷气式客机每月60-70架飞机）的更大讨论的一部分。另一种选择是使用两个步骤：通过自动纤维铺设（AFP）铺设热塑性复合材料带，然后在热压罐或热压机中固结。
PEEK和PEKK都是更宽泛的聚芳醚酮（PAEK）家族的成员，通常被称为聚酮。荷兰航空航天中心结构技术部复合材料高级科学家亨利·德·弗里斯（Henri de Vries）表示：“PEKK看起来很像PEEK，其结晶行为也很相似，但其加工温度为375°C，而PEEK为385°C。”。NLR和GKN Aerospace（英国Redditch）的福克公司（荷兰Papendrecht和Hoogeveen）在TAPAS 1和TAPAS 2项目中率先采用了许多TPC技术，包括一个12米跨度的扭转箱和最近一个6米长、28毫米厚的CF/PEKK发动机挂架上梁，该挂架使用AFP制成，但在热压罐中固结。
德·弗里斯认为PEKK更适合AFP，“因为工艺窗口更宽。PEEK必须在385-390°C的温度下进行，因此在360°C下进行加工并不理想。然而，使用PEKK，即使在355°C下也能很好地进行加工。因此，不仅下限更低，而且在材料凝固前还有更多的时间，因此它在熔体中的总时间更长，因此固结效果更好。”
德·弗里斯补充道，PEKK对压制成型很有意思，它是第二步固结比真空装袋和热压罐循环更快的选择。“旧等级的PEKK（DS）压制成型速度太慢，但新等级的（FC）比PEEK更好，也更便宜。”
FIDAMC正在利用PEKK和PEEK开发工艺知识，评估使用原位固结（ISC，如蓝色所示）与第二个热压罐步骤（如红色所示）中固结的TPC结构的机械性能。上述CF/PEEK的结果显示，除了ISC层压板的压缩强度下降之外，几乎相等。有关可能的解决方案，请参阅下面的“并非所有PEKK都相同”一节。
FIDAMC（西班牙赫塔菲）工艺开发与实验室负责人费尔南多·罗德里格斯（Fernando Rodriguez）表示：“PEKK目前价格较低。然而，索尔维（Solvay）已经就PEEK价格的潜在下降进行了讨论。也有人讨论，空客打算将PEEK用于机翼结构，将PEKK用于较厚的机身结构。“对我们来说，PEEK和PEKK具有或多或少相同的机械性能，尽管PEKK的熔体温度略低，但我们有10年的PEEK历史和明确的工艺参数。”罗德里格斯指出，FIDAMC已经在机翼结构中完成了PEEK的一些轻度鉴定。“对于PEKK，在定义最佳工艺窗口方面还有很多工作要做。现在有了威格斯(Victrex)的PAEK，工艺温度为340°C。”(编者按：在之前的CW文章中，Victrex PAEK AE250的熔体温度为305ºC)。罗德里格斯补充道，“对我们来说，就工具、烤箱等而言，340°C或350°C与400°C相同。使用哪种材料、在哪里使用取决于空客，使用哪种工艺也取决于空客—一步还是两步。”
Automated Dynamics（美国纽约州尼斯卡尤纳，现为瑞典特雷堡特雷堡集团的一部分）更具材料不可知论。该公司总裁罗伯特·朗万（Robert Langone）说“我们几乎处理所有类型的热塑性塑料：聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚酰胺（PA）、聚苯硫醚、聚醚醚酮和PEKK，” 他补充道：“我认为它较低的熔体粘度使它更容易。”。“但即使是最现代的PEKK版本，本应具有高速结晶的特点，仍然比PEEK更难结晶。”
GKN Aerospace福克公司航空结构研发主管阿恩特·奥夫林加（Arnt Offringa）表示：“对于冲压成型工艺，PEEK和PEKK都非常出色。”。“对于热压罐工艺，首选PEKK，因为熔体温度较低，工艺更稳健。”
牛津表演材料公司（美国康涅狄格州南温莎市）首席执行官斯科特·德菲利斯（Scott DeFelice）指出，随着波音787和空客A350飞机机翼和机身结构的热压罐越来越大，原位固结热塑性复合材料（ISC TPCs）的发展也随之而来。他解释说：“热压罐越大，就越难控制。”。他指出，这可以从日本一级供应商的经验中看出。（三菱重工制造波音787机翼，富士重工制造中央翼盒，川崎重工供应机身一段筒体。）德菲利斯观察到：“你可以很好地控制小部件，但对于更大的结构，你基本上达到了速度限制。”。换言之，获得生产高质量受力结构所需的控制需要时间。未来窄体飞机的生产速度根本不允许。
德菲利斯继续说道，“另一方面，NLR和Fokker主要专注于相对较小的结构。因此，他们不像空客那样对原位固结（ISC）的好处感兴趣。空客用热压罐生产机翼和机身壁板的动力是巨大的。”他认为，空客是当今原位固结（ISC）技术最先进的。
OXPEKK有无增强颗粒和棒，以及定制填充的化合物，包括碳、玻璃和其他。
德菲利斯说：“自2000年以来，牛津高性能材料（OPM）一直在与PEKK合作，开发材料和应用技术。今天市场上所有的PEKK产品都是用杜邦的方法制造的。”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20世纪90年代美国联邦航空管理局新规定对飞机内部防火、防烟和抗毒性能的威胁。然而，这些规定从未实现，最初的PEEK和PEKK市场蒸发了。因此，ICI将PEEK剥离给了Victrex，杜邦将PEKK卖给了Fiberite，Fiberite被Cytec收购，Cytec又被 索尔维（Solvay） 收购。德菲利斯说，阿科玛（Arkema）成为OPM的合作伙伴，目的是获得PEKK专业知识，并最终开发出杜邦方法PEKK产品。作为这种合作伙伴关系的结果，阿科玛（Arkema） 成为复合材料行业 PEKK的第二大来源。
德菲利斯表示：“Hexcel还投资了OPM。”。“我们开发了一种使用选择性激光熔化（SLM-selective laser melting）和碳纤维增强PEKK的增材制造技术，该技术在波音、诺斯罗普·格鲁曼和其他公司获得了航空航天应用的资格。这对已经是OPM大股东的Hexcel很有吸引力。”因此，2017年12月，Hexcel并购了OPM的航天和国防（a&D）业务（美国康涅狄格州南温莎）。然而，OPM在航空航天和国防之外保持其3D PEKK打印业务，并继续开发其核心材料科学技术。
“所有的PEKK都不一样，”德菲利斯断言。“索尔维（Solvay）和阿科玛（Arkema）采用了杜邦方法，该方法使用高温合成（HTS-high temperature synthesis），因此运行速度更快，降低了成本。然而，它也有缺点。”他解释说，最初，PEKK聚合物的熔体稳定性和纯度存在问题，这使杜邦很难制造零件。随着时间的推移，杜邦的方法有所改进，聚合物也有所改进，零件变得更具可重复性。例如，除了上述增材制造技术之外，OPM还开发了注射成型以及PEKK薄膜应用。
德菲利斯说：“但我们一直看到，PEKK可以以不同的方式制作并改进。”。“现在，如果你回到最初的玩家，实际上还有第三个，那就是Raychem，它卖给了巴斯夫，巴斯夫只是放弃了PAEK。但Raychem的技术是用于低温合成（LTS-low temperature synthesis）。这与HTS非常不同。”。因为LTS是一个“冷”过程，它在最终聚合物的分子量和分子结构方面也更可控。然而，这一过程较慢，因此成本略高。德菲利斯说：“但也可以直接进行粉粉末加工，而不需要研磨步骤。”。“因此，这有助于抵消处理速度较慢的影响。”
这种名为OXPEKK-LTS的新产品提供了两全其美的效果：一种可控的工艺，可以生产出带有球形聚合物粉末的产品。德菲利斯解释道：“通过研磨，你最终会得到锯齿状的聚合物‘岩石’，在涂覆和浸渍胶带时，这些岩石很难均匀堆叠。”。“OXPEKK-LTS的圆形形状使胶带制作过程中具有更高的精度。因此，现在我们可以改进胶带，并通过原位固结实现真正的OOA处理，而目前胶带的尺寸保真度阻碍了这一点。”
OXPEKK-LTS中的球形颗粒能够形成更均匀的热塑性胶带，有助于实现一步、高压釜外（OOA）原位固结的初级复合材料飞机结构。
所以有可能生产出更好的胶带，并且价格仍然与PEEK相匹配？德菲利斯反驳道：“空客及其供应商正在讨论的复合材料主要受力结构的成本远比聚合物原材料成本复杂得多。”。“原材料绝对是组件总成本的一部分，但制造工艺和性能是关键的成本因素。首先，PEKK的抗压强度远高于PEEK，这是一个巨大的优势。你可以在复合材料结构中获得更好的疲劳性能，这反过来意味着你可以设计更轻的结构，而不需要那么多材料。换句话说，我们提供了一种实现更高强度重量比的方法。但我们也启用了原位固结（ISC），所以这些更轻的组织现在是一步生产的，而不是两步。”
但OPM并没有就此止步。德菲利斯声称，用于航空航天应用的聚酮预处理中的所有碳纤维都是在不施胶的情况下使用的。这是关键，因为施加于纤维上的上浆使其能够以可预测性、减少损伤和可重复性的方式通过所有不同的加工步骤。他解释道：“航空航天领域没有人将碳纤维与施胶剂一起用于PAEK热塑性塑料的主要结构，因为所有已知的施胶剂都会对机械性能产生不利影响。”。
这里有一个简短的说明。帝京（Teijin）炭素欧洲技术服务部的（马蒂亚斯·舒伯特）Matthias Schubert不同意这一观点。他解释道：“多年来，我们一直在为PAEK热塑性塑料使用特殊的上浆剂。”。“这是必要的，因为标准上浆剂的环氧化物化学性质在PAEK加工温度下会降解，因此会产生一些脱气。我们的上浆剂实际上会增加树脂的附着力，与未上浆的碳纤维相比，树脂的附着力高出约20%。”他指出，这是通过横向4点弯曲测试测得的，可归因于纤维-树脂界面结晶结构的可控初始化。
德菲利斯说：“有了OXPEKK LTS，我们还拥有专有的化学物质，可以将PEKK放入溶液中，并将其用作上浆剂，从而进一步加快处理速度，提高较带性能。”。这一直延伸到原位固结。“因此，现在使用这项技术制造的大型受力结构出现了一个非常有力的商业案例。”
厚一点的胶带怎么样？NLR表示，它希望拥有0.25英寸厚的胶带，这有助于进一步满足60-70架飞机/月的生产率。德菲利斯说：“速度会对过程中的保真度和最终结构的性能产生不利影响。”。“因此，这始终是这些对立因素之间的平衡。预浸料中圆形聚合物颗粒的物理特性是公认的。我们相信，我们可以控制这些颗粒，从而提供更多的杠杆来实现生产符合成本和性能目标的大型OOA主结构所需的平衡。我们有非常强大的工具来实现空客和其他公司希望的这项技术。”
OPM开拓新道路的记录给了它信心。德菲利斯说：“没有其他人拥有适用于航天器的PEKK和碳纤维的合格3D打印，并具有完全的B基允许值，也没有其他人开发出具有美国食品药品监督管理局批准、生物相容性和性能认证的颅骨、脊椎和骨科植入物。我们有信心为飞机提供PEKK热塑性复合材料解决方案。”
OXPEKK LTS将在今年年底前用于开发目的。该产品将于2019年初上市。
OXPEKK®是OPM专有的聚醚键通（PEKK）配方，是一种超高性能热塑性材料。
OXPEKK是一种半结晶聚合物，具有优异的机械、热学和化学性能，适用于从医疗到航空航天、汽车、能源和建筑材料的各种行业。
今年3月赫氏（Hexcel）和阿科玛（Arkema）联合推出Hexcel HexTow® AS7 and IM7碳纤维/Kepstan® PEKK基材的复合材料。至此，全球供应民机碳纤维复材的三家公司：东丽（Toray）、索尔维(Solvay)、赫氏（Hexcel）都有了用PEKK做基材的碳纤维复合材料。
特别赫氏（Hexcel）还针对单通道民机机身，开发了蒙皮与长桁ISW焊接工艺。不难看出，未来正式投产的“新A320”机身使用赫氏（Hexcel）的PEKK复合材料已无悬念了。
英文原文国内于2018.6.7已经有翻译《PEEK vs PEKK——未来航空热塑性复合材料谁主沉浮?》（网上可查到）。但是一幅关键图片中的英文没有译出。另外，当时赫氏（Hexcel）还没有推出PEKK复合材料。此文只是倾向PEKK复材，但没有明确的结论。
原文见，《PEEK or PEKK in future TPC aerostructures? 》2018.4.1
杨超凡 2024.5.24
本文链接：https://pekk.cc/pekk/8.html
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