PEEK復合材料性能特點與關(guān)鍵技術(shù)分析

聚醚醚酮樹脂（PEEK）具有多種優(yōu)異性能，在裝備特種零部件、綠色環(huán)保型熱固性復合材料結(jié)構(gòu)上應用前景廣泛。

縱觀PEEK樹脂國內(nèi)外發(fā)展歷程，我國PEEK樹脂的基礎(chǔ)研究、更新?lián)Q代及應用開發(fā)方面與歐美尚有較大差距；目前僅完成了第一代聚醚醚酮樹脂的中試和產(chǎn)業(yè)化工作，第二代和第三代僅開展了實驗室小試研究。

美歐等國已將耐溫350℃、高強度聚醚酮樹脂廣泛應用于武器裝備，按照國內(nèi)自主可控發(fā)展要求，我國急需填補聚醚酮樹脂國產(chǎn)化及工程應用技術(shù)空白，滿足裝備對新材料應用需求，提升裝備技術(shù)性能指標。一。聚醚醚酮樹脂材料聚醚醚酮樹脂（PEEK）是以4，4－二氟二苯甲酮、對苯二酚和碳酸鈉為原料，以二苯砜為溶劑，在氮氣保護下，升溫至接近聚合物熔點320℃時得到的一種半晶態(tài)芳香族熱塑性樹脂。 相對于普通的塑料，PEEK材料是高溫熱塑性特種工程塑料，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為143℃、熔點為334℃，適合于注塑、擠出、模壓、噴涂、3D打印等工藝；添加纖維增強材料形成PEEK復合材料改進機械性能，且能在260℃下長期使用。

PEEK與其他材料性能對比如表1所示，綜合來看PEEK具有高強度、耐高溫、抗化學腐蝕、耐磨損、自潤滑、耐輻射、高阻尼、阻燃等優(yōu)異性能。二。聚醚醚酮樹脂國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及應用1.國外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀國外PEEK的研究工作開始于20世紀60年代，直到80年代，由英國ICI公司（現(xiàn)Victrex公司）于1981年采用二元共聚技術(shù)開發(fā)成功并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，分子鏈重復單元結(jié)構(gòu)中的酮∶醚基比為1∶2；玻璃化轉(zhuǎn)變溫度143℃；熔點334℃；純樹脂常溫拉伸強度為94MPa；纖維增強PEEK復合材料熱變形溫度高于310℃。

2009年，Victrex公司又開發(fā)成功PEEK的第二代產(chǎn)品PEEK－HT樹脂，PEEK－HT樹脂重復單元結(jié)構(gòu)中的酮∶醚比為1∶1；玻璃化轉(zhuǎn)變溫度153℃；熔點溫度373℃；純樹脂拉伸強度為110MPa；纖維增強PEEK復合材料熱變形溫度高于350℃。 2015年，Victrex公司通過增加聚醚醚酮分子鏈結(jié)構(gòu)中酮醚比和芳香環(huán)含量的方法，開發(fā)出第三代PEEK－ST樹脂，該樹脂熔點大于380℃，復合材料的熱變形溫度大于360℃，耐熱等級與第一代PEEK材料相比，提高了50℃。2.國內(nèi)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀我國從“七五”計劃開始從事PEEK樹脂合成技術(shù)研究，是繼英國之后第二個系統(tǒng)掌握PEEK制備技術(shù)的國家。 我國PEEK樹脂制備技術(shù)與英國Victrex公司最大的不同在于：一是采用三元或多元共聚技術(shù)，而非均聚技術(shù)；二是通過向分子鏈中引入聯(lián)苯基元和調(diào)控酮醚序列分布相結(jié)合技術(shù)，用來提高耐熱性和機械強度。2008年，我國完成了年產(chǎn)100噸級共聚聚醚醚酮（CoPEEK）樹脂中試研究，其熱學和力學性能相當于國外的第一代PEEK產(chǎn)品；

2010年，我國完成了同國外PEEK－HT產(chǎn)品性能相當?shù)木勖淹≒EK）樹脂小試研究，該樹脂與PEEK－HT最大的區(qū)別在于酮鍵和醚鍵是交替分布。2015年，我國又開發(fā)出同國外第三代PEEK－ST產(chǎn)品性能相當?shù)木勖崖?lián)苯醚酮酮（PEDEKK）樹脂，該樹脂與PEEK－ST最大的不同在于：通過向分子鏈中引入了聯(lián)苯基元，大幅提高了耐溫和機械強度。國內(nèi)目前僅完成了第一代PEEK樹脂的中試和產(chǎn)業(yè)化工作，第二代和第三代僅開展了實驗室小試研究。

因此，未來5年，急需開展第二代PEEK樹脂國產(chǎn)化及應用關(guān)鍵技術(shù)研究，做到高性能特種工程樹脂自主可控，實現(xiàn)我國裝備上PEEK材料的國產(chǎn)化應用。3.聚醚醚酮樹脂材料應用PEEK特種工程塑料因具有優(yōu)良的綜合性能使其在不同領(lǐng)域中發(fā)揮著巨大的作用。PEEK在各領(lǐng)域的應用如下表2所示。

美歐等軍事強國在航空航天、戰(zhàn)略武器、軍用飛機、坦克戰(zhàn)車、戰(zhàn)術(shù)導彈、火炮、槍械等先進裝備中大量應用特種工程塑料及其復合材料。 例如AV8B戰(zhàn)機上特種工程塑料應用比例達45％，實現(xiàn)減重27％；F／A－18戰(zhàn)斗機運用特種工程塑料復合材料制造蒙皮、垂直尾翼、后緣襟翼、導流罩、水平舵、電線束夾和管夾、燃油冷卻系統(tǒng)葉輪、把手、隔熱隔潮薄膜、線束、波紋管、雷達天線罩、起落架輪轂罩、人孔蓋、整流罩支架等關(guān)鍵零部件，使用比例達60％之多，實現(xiàn)減重40％以上。

我國自突破特種工程塑料技術(shù)封鎖后，在裝備上有所應用。在航空航天領(lǐng)域，發(fā)動機控制器機箱和電連接器采用碳纖維增強PEEK復合材料，實現(xiàn)減重、隔熱、電磁屏蔽、低剩磁等功能；

采用高溫絕緣聚芳醚酮復合材料制造電刷連接環(huán)，300℃絕緣電阻大于25MΩ；

利用聚芳醚酮材料制造了多規(guī)格軸承保持件、墊片、標準件及相機反射鏡架等，實現(xiàn)減重和無油潤滑雙重功效。 在兵器工業(yè)領(lǐng)域，軸承保持件、行星結(jié)構(gòu)滾針、彈姿態(tài)控制架、天線罩、蓋板等采用聚芳醚酮制備各種輕質(zhì)、耐高溫、自潤滑、隔熱部件，滿足輕量化和功能性要求。 在核工業(yè)領(lǐng)域，大尺寸密封線圈，存儲包覆材料、漆包線、提升線圈和移動線圈骨架等都采用了PEEK復合材料，滿足耐核輻射、耐高溫性能要求。三。水下無人裝備技術(shù)趨勢與新材料需求隨著新材料技術(shù)發(fā)展，水下無人裝備結(jié)構(gòu)正朝著高強度、輕量化、抗沖刷磨損、耐腐蝕、長壽命、低噪聲方向發(fā)展。 國產(chǎn)化高性能復合材料是裝備自主可控發(fā)展的頂層要求?！皣a(chǎn)化是強國強軍的必由之路，寧可性能降一點、價格貴一點、速度慢一點，“卡脖子”技術(shù)一定要突破”。

特別是在當前貿(mào)易戰(zhàn)背景下，國產(chǎn)化、自主可控已成為裝備發(fā)展戰(zhàn)略，是裝備發(fā)展頂層要求，國產(chǎn)化高性能復合材料制品研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化勢在必行、不可或缺。 以水下航行器推進器為例，其轉(zhuǎn)速高、技術(shù)要求高、質(zhì)量控制嚴格，隨著國防工業(yè)技術(shù)和新材料發(fā)展，目前水下航行器推進器已發(fā)展到第四代。第一代水下航行器推進器為銅合金材質(zhì)。第一代產(chǎn)品使用的材料為銅合金，其中又以鎳鋁青銅使用最多。其主要缺點為在污染海水中耐腐蝕性能下降。第二代水下航行器推進器為不銹鋼材質(zhì)。其主要缺點是不銹鋼熔點比銅合金高得多，需要固溶熱處理；無法采用劈鏟和銑削加工、加工效率下降，勞動強度大。第三代推進器為纖維增強復合材料材質(zhì)，這是我國第一次采用非金屬材質(zhì)替代金屬推進器，使用不到10年。但仍存在一些不足：

一是產(chǎn)品鋪層設(shè)計復雜，模壓工藝手工鋪層或者三維編制成型工藝參數(shù)控制難度大；

二是產(chǎn)品一致性較差；

三是產(chǎn)品生產(chǎn)周期長；

四是三維編織的產(chǎn)品樹脂傳遞模塑（RTM）工藝施工參數(shù)要求嚴格等。第四代水下航行器推進器為特種工程材料。目前正在試驗的推進器已使用進口PEEK原材料，其推進效率、可靠性、燃料經(jīng)濟性、工藝穩(wěn)定性、生產(chǎn)效率等性能已超過碳纖維增強復合材料推進器。 其主要優(yōu)點是：一是耐腐蝕性能、耐磨性能、抗水解等性能好；二是生產(chǎn)和維護成本低；三是推進效率高，能耗低；四是振動噪聲低（見圖1）。

綜上所述，高分子復合材料可大幅提高水中裝備的戰(zhàn)斗力，有效地提高裝備儲備浮力，可設(shè)計性強，兼具有聲學、減振、腐蝕防護、低磁等性能；耐腐蝕和抗老化性能優(yōu)異，可滿足高鹽、高濕、紫外等苛刻海洋環(huán)境要求。 高分子復合材料及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展是水下無人裝備新材料和技術(shù)發(fā)展的趨勢，也是突破水下無人裝備的技術(shù)瓶頸的有效途徑。四。聚醚醚酮樹脂在水下無人裝備應用場景與優(yōu)勢分析長期以來，水下推進器、各種海水冷卻水泵、消防泵、疏水泵、輸送泵在使用過程中，由于海水介質(zhì)惡劣的使用環(huán)境、葉輪轉(zhuǎn)速快，葉輪、葉片等沖刷磨損、空泡穴蝕、氧化腐蝕等現(xiàn)象嚴重（見下圖2）。

很多全壽命的海水泵葉輪，使用3—5年就徹底報廢；嚴重情況時，葉輪壽命極短，約2—3個月，頻繁更換牽連工程大，大部分水泵只能帶故障運行、隱患極大。 PEEK復合材料制品具有機械性能良好、天然的防化學浸泡腐蝕、耐磨損、低煙氣、無毒等綜合性能。在技術(shù)基礎(chǔ)、生產(chǎn)工藝、成本控制等方面，PEEK復合材料是制造水下裝備的理想材料，其在水下無人裝備應用場景包括：

①用于水下推進器、葉輪、渦扇、葉片等機械類精密設(shè)備；

②用于耐高低溫、耐高壓、耐腐蝕、耐輻射等惡劣環(huán)境工作的緊固件、連接器、接頭等結(jié)構(gòu)；

③用于耐磨、自潤滑軸承、齒輪、軸套等長壽命旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)；

④用于水、電、氣等管路及附屬件絕緣、防靜電、耐高溫等特殊要求結(jié)構(gòu)。五。聚醚醚酮樹脂復合材料結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)及解決方案PEEK復合材料在水下無人裝備應用領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)及解決方案主要包括國產(chǎn)PEEK性能改進、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝技術(shù)實現(xiàn)與測試等。下面結(jié)合PEEK復合材料推進器為例進行剖析。1.國產(chǎn)聚醚醚酮樹脂改性技術(shù)（1）高規(guī)整度PEEK樹脂的結(jié)構(gòu)設(shè)計與合成技術(shù)。采用4，4′－二氟二苯酮、4，4′－二羥基二苯酮、對苯二酚三種單體可以提高強度、韌性和流動性，通過開展結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系研究，確定最佳的芳香環(huán)分布和酮醚含量。高性能PEEK原材料的合成反應方程式如式（1）所示。

（2）PEEK樹脂的精制與鈍化技術(shù)。PEEK粗產(chǎn)品中包含二苯砜、氟化鈉、碳酸鈉、碳酸鉀等化合物，采用丙酮多級循環(huán)抽提技術(shù)和高溫弱酸鈍化技術(shù)相結(jié)合，制備高純度PEEK樹脂。

（3）PEEK樹脂專用加工助劑的結(jié)構(gòu)設(shè)計與合成技術(shù)。設(shè)計合成結(jié)構(gòu)與PEEK樹脂相近的聚芳醚酮液晶聚合物（LCP－PEEK）和超支化聚芳醚酮聚合物（HPEEK），作為PEEK樹脂的熔體黏度調(diào)節(jié)劑，提高彼此的相容性，降低PEEK樹脂的熔體黏度。（4）碳纖維增強PEEK復合材料多層次界面相互作用機理及規(guī)?；a(chǎn)技術(shù)。研究增強劑牌號、規(guī)格、添加量及助劑添加量變化對PEEK復合材料性能的影響規(guī)律，確定配方和加工工藝參數(shù)，實現(xiàn)批量化生產(chǎn)。2.聚醚醚酮樹脂復合材料推進器結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化技術(shù)通過數(shù)值仿真技術(shù)開展PEEK復合材料推進器槳型優(yōu)化及水動力計算、PEEK復合材料推進器流固耦合計算方法等研究。3.聚醚醚酮樹脂復合材料推進器注塑成型工藝

（1）模具設(shè)計與優(yōu)化。通過仿真計算和模擬，確定流道位置、脫模順序和控溫方式進行產(chǎn)品模具設(shè)計與優(yōu)化。

（2）成型工藝參數(shù)設(shè)計。主要包括注塑機選型，壓力、速度、溫度等成型工藝參數(shù)設(shè)計。

（3）成型工藝參數(shù)影響規(guī)律研究。研究各參數(shù)對產(chǎn)品的精度、機械性能、環(huán)境適應性能等影響規(guī)律，確定最佳的注塑工藝。

4.聚醚醚酮樹脂復合材料推進器性能測試建立適用于PEEK材料推進器強度、剛度、型值、無損、粗超度等性能測試方法及試驗大綱，對各項性能指標進行試驗。 總之，水下無人裝備結(jié)構(gòu)正朝著高強度、輕量化、抗沖刷磨損、耐腐蝕、長壽命、低噪聲方向發(fā)展。PEEK復合材料具有耐高低溫、自潤滑、機械性能、絕緣屏蔽等優(yōu)異性能，且已在航空航天、兵器、機械、電氣電子等領(lǐng)域廣泛應用，是制造水下裝備的理想材料。 本研究提出了PEEK材料幾種典型應用場景，主要包括：

（1）水下推進器、葉輪、渦扇、葉片等機械類精密設(shè)備；

（2）惡劣環(huán)境工作的緊固件、連接器、接頭等結(jié)構(gòu)；

（3）耐磨、自潤滑長壽命旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，如軸承、齒輪、軸套等；

（4）有絕緣、防靜電、耐高溫等特殊要求的結(jié)構(gòu)。 同時，對國產(chǎn)PEEK性能改進、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝技術(shù)實現(xiàn)與測試等關(guān)鍵技術(shù)及解決方案進行了剖析，為PEEK復合材料制品在水下無人裝備應用提供支撐和參考。

參考資料：周欣，聚醚醚酮復合材料性能特點與關(guān)鍵技術(shù)分析，化工新型材料，2022，2

審核編輯 ：李倩