PEEK против PEKK: выбор оптимального термопластика для будущих авиационных структур

Что лучше для ин-ситу консолидации (ISC) термопластичных композитных (TPC) лент, разрабатываемых для производства первичных авиационных структур, полиэтеретэреткетон (PEEK) или полиэтекетонетон (PEKK)? Этот боковой материал представляет дискуссию PEEK против PEKK, которая часть более широкого обсуждения о том, может ли ISC как действительно одношаговый, вне автоклава (OOA) процесс удовлетворить цели стоимости и темпа производства для будущего авиационного производства — то есть 60–70 самолетов/месяц для однопроходного реактивного лайнера типа A320 neo. Альтернатива — использовать два шага: укладку термопластичных композитных лент через автоматизированное размещение волокна (AFP) и затем консолидацию в автоклаве или нагретом прессе. См. «Консолидация термопластичных композитных аэроструктур на месте, Часть 1» и «Часть 2» для деталей. (Также см. недавнюю особенную статью Джеффа Слоана о термопластичных лентах.)

И PEEK, и PEKK являются членами более широкой семьи полиарилэтереткетонов (PAEK), часто называемой поликетонами. «PEKK выглядит очень похоже на PEEK, и его кристаллизационное поведение похоже, но его температура обработки 375°C против 385°C для PEEK», — говорит Анри де Врис, старший ученый, композиты, в Департаменте технологий структур Нидерландского аэрокосмического центра (NLR, Амстердам). NLR и бизнес Fokker GKN Aerospace (Реддич, Великобритания) (Папендрехт и Хугерхайде, Нидерланды) стали пионерами многих TPC технологий в программах TAPAS 1 и TAPAS 2, включая 12-метровый торсионный бокс и недавно 6-метровый, 28-мм толстый верхний спар двигательного пайлона УВ/PEKK, сделанный с использованием AFP, но консолидированный в автоклаве. (См. «Демонстраторы термопластичных композитов — ЕС дорожная карта для будущих аэрамов»).

Де Врис видит PEKK как более подходящую для AFP, «потому что процессное окно шире. Вы должны быть на 385–390°C для PEEK — так что обработка на 360°C не идеальна. Однако с PEKK обработка довольно хороша даже на 355°C. Так что не только ваша нижняя граница ниже, но вы получаете немного больше времени до застывания материала, так что общее время, пока оно в расплаве, немного дольше, следовательно лучшая консолидация».

Де Врис добавляет, что PEKK интересна для пресс-формовки, более быстрого варианта консолидации во втором шаге против вакуумного мешка и циклирования в автоклаве. «Старые сорта PEKK (DS) были слишком медленными для пресс-формовки, но новые сорта (FC) лучше и дешевле PEEK».

«Oxford Performance Materials (OPM) работает с PEKK с 2000 года», — говорит ДеФеличе, «разрабатывая материалы и технологию применений. Все продукты PEKK на рынке сегодня сделаны методом DuPont». Он объясняет, что в основном все поликетоны были разработаны одновременно в ответ на потребность в улучшенных характеристиках горючести, дыма и токсичности (FST) в авиационных интерьерах, угрожаемых новыми FAA регуляциями в 1990-х. Однако регуляции никогда не материализовались, и начальный рынок для PEEK и PEKK испарился. Таким образом, ICI выделила PEEK в Victrex, а DuPont продала PEKK Fiberite, которая была приобретена Cytec, которая в свою очередь была приобретена Solvay. ДеФеличе говорит, что Arkema стала партнером OPM с целью получения экспертизы PEKK и в конечном счете разработала продукт PEKK методом DuPont. В результате этого партнерства Arkema стала вторым источником PEKK в композитной отрасли.

«Hexcel также инвестировала в OPM», — говорит ДеФеличе. (Здесь мы делаем быстрый отступ, чтобы объяснить приобретение Hexcel бизнесом аддитивного производства OPM Aerospace & Defense. «Мы разработали технологию аддитивного производства с использованием селективного лазерного плавления (SLM) с углеродным волокном-усиленным PEKK, который квалифицирован в Boeing, Northrop Grumman и других для АЭРОКОСМИЧЕСКИХ применений. Это было привлекательно для Hexcel, которая уже была существенным акционером OPM». Таким образом, в декабре 2017 года Hexcel приобрела бизнес OPM аэрокосмики и обороны (A&D) (Саут-Виндзор, штат Коннектикут, США). OPM, однако, сохраняет свой 3D PEKK печатный бизнес вне аэрокосмики и обороны и продолжает развивать свои базовые материально-научные технологии.)

«Весь PEKK не одинаков», — утверждает ДеФеличе. «Solvay и Arkema практикуют метод DuPont, который использует высокотемпературный синтез (HTS), так что он работает немного быстрее, что снижает стоимость. Однако у него также есть недостатки». Он объясняет, что изначально были проблемы с расплавной стабильностью и чистотой полимера PEKK, что затрудняло DuPont фабрикацию деталей. Со временем метод DuPont улучшился, как и полимер немного, и детали стали более воспроизводимыми. Например, помимо упомянутых выше аддитивных технологий, OPM разработала литье под давлением и пленочные применения с PEKK.

«Но мы всегда видели, что PEKK можно сделать иначе и улучшить», — говорит ДеФеличе. «Теперь, если вернуться к исходным игрокам, на самом деле был третий, и это был Raychem, который продался BASF, кто просто бросил PAEK. Но технология Raychem была для низкотемпературного синтеза (LTS). Это очень отличается от HTS». Он отмечает, что вместо производства полимерного хлопья, которое затем должно быть измельчено перед смешиванием с растворителем и т.д. для препрега и 3D-печати применений, эта запатентованная LTS технология позволяет производство порошка сферической формы, который возможен для контроля. Поскольку LTS — «холодный» процесс, он также гораздо более контролируемый в терминах молекулярного веса и молекулярной структуры готового полимера. Однако процесс медленнее, так что немного дороже. «Но также возможно идти прямо к порошку, без шага измельчения», — говорит ДеФеличе. «Так что это помогает компенсировать более медленную обработку».

Этот новый продукт, OXPEKK-LTS, предлагает лучшее из двух миров: контролируемый процесс, производящий продукт сферического полимерного порошка. «С измельчением вы получаете зазубренные "камни" полимера, которые трудно стакать равномерно при покрытии и пропитке ленты», — объясняет ДеФеличе. «Круглая форма OXPEKK-LTS позволяет большую точность при изготовлении ленты. Так что теперь мы можем улучшить ленту и обеспечить истинную OOA обработку через ин-ситу консолидацию, которая затруднена текущей размерной точностью ленты».

Так что возможно произвести лучшую ленту и все равно соответствовать цене PEEK? «Стоимость, которую Airbus и их поставщики дебатят для композитных первичных структур, намного сложнее, чем просто стоимость сырого полимера», — возражает ДеФеличе. «Сырой материал определенно часть общей стоимости компонента, но процесс фабрикации и производительность — ключевые элементы стоимости. Во-первых, сжатая прочность PEKK намного выше чем PEEK, что существенное преимущество. Вы можете достичь гораздо лучшей усталостной производительности в композитной структуре, что в свою очередь означает, что вы можете проектировать более легкие структуры, которые не требуют столько материала. Другими словами, мы предоставляем способ достичь более высоких соотношений прочность/вес. Но мы также обеспечиваем ISC, так что эти более легкие структуры теперь производятся в один шаг, не в два».

Но OPM не останавливается на этом. ДеФеличе утверждает, что все углеродное волокно, используемое в поликетон препреге для авиационных применений, используется без срайба. Это ключево, потому что срайб, нанесенный на волокно, позволяет ему проходить через все различные процессные шаги с предсказуемостью, сниженным ущербом и повторяемостью. «Никто в авиации не использует углеродное волокно со срайбом для PAEK термопластичной первичной структуры, потому что все известные срайбы неблагоприятно влияют на механические свойства», — объясняет он.

Быстрая заметка здесь. Матиас Шуберт, техническая служба Teijin Carbon в Европе, не согласен. «Мы используем специальный срайб для PAEK термопластиков много лет», — объясняет он. «Это было необходимо, потому что стандартные срайбы имеют некоторый выгазование из-за их эпоксидной химии, что деградирует на температурах обработки PAEK. Наш срайб фактически увеличивает сцепление смолы, что на 20% выше по сравнению с не срайбированными углеродными волокнами». Он отмечает, что это измерено транверсальными 4-точечными изгибными тестами и может быть атрибутировано контролируемой инициализации кристаллических структур на интерфейсе волокно-смола. (Заметьте, эта разработка срайба объяснена Жан-Филиппом Канаром у Teijin Carbon America в блоге «PEEK против PEKK против PAEK».)

«С OXPEKK LTS у нас также есть проприетарная химия, чтобы положить PEKK в раствор и использовать его как срайб, который еще больше ускорит обработку и улучшит производительность ленты», — говорит ДеФеличе. Это распространяется до ин-ситу консолидации. «Так что теперь возникает экстремально сильный бизнес-кейс для крупных первичных структур, сделанных с использованием этой технологии».

А как насчет более толстых лент? NLR сказал, что хотел бы иметь ленту толщиной 0,25 дюйма, что еще больше помогает достичь темпов производства 60–70 самолетов/месяц. «Скорость давит назад против точности в процессе и производительности в финальной структуре», — говорит ДеФеличе. «Так что это всегда баланс между этими противопоставленными факторами. Физика круглых полимерных частиц в препреггинге хорошо установлена. Мы верим, что предлагаем контроль этих частиц, который дает больше рычагов для достижения нужного баланса для производства крупных OOA первичных структур, соответствующих целям стоимости и производительности. У нас очень мощные инструменты, чтобы довести эту технологию туда, куда Airbus и другие хотят ее видеть».

Трек-рекорт OPM прорыва новых путей дает ей уверенность. «Никто другой не квалифицировал 3D-печать с PEKK и углеродным волокном для космических аппаратов с полными B-базисными допусками», — говорит ДеФеличе, «и никто другой не разработал черепные, позвоночные и ортопедические импланты с FDA одобрением, сертифицированной биосовместимостью и производительностью. Мы уверены, что можем предоставить PEKK термопластичные композитные решения для авиации».

OXPEKK LTS будет представлена для разработческих целей к концу этого года. Продукт будет коммерчески доступен в начале 2019 года.