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用更少的時間起飛 在苛刻條件下實現(xiàn)輕量化性能 PAEK 聚合物的高溫性能和耐化學性等特性的組合非常適合飛機發(fā)動機應用。結合設計自由度和提高制造效率的潛力,成為用 PEEK 和 PAEK 聚合物解決方案取代金屬的令人信服的理由。 在托槽應用中設計自由并減輕重量 對于需要機械性能的部件,如果僅靠注塑成型解決方案無法實現(xiàn),航空航天工程師可以依靠由 VICTREX AE™ 250 LMPAEK 制成的包覆成型復合材料解決方案。高效制造、重量減輕高達 60% 以及比強度是金屬的 5 倍,這些只是用混合包覆成型解決方案替代金屬的一小部分好處。 VICTREX AE™ 250 UDT - 獨特的 PAEK 預浸料 可實現(xiàn)快速高效的復合材料部件 制造 摘要 為了幫助飛機 OEM 和各級供應商更快、更經(jīng)濟地制造復合材料部件,Coriolis Composites 和 Victrex 聯(lián)手設計了自動纖維鋪放 (AFP) 工藝,以釋放 VICTREX AE™ 250 UDT 的潛力。結果表明,在實現(xiàn)行業(yè)可接受的現(xiàn)場固結孔隙率 (<2%) 水平的同時,可以顯著提高鋪放速度。OoA 固結顯示出減少循環(huán)時間和能耗的潛力。 引言 航空航天業(yè)對熱塑性復合材料的興趣日益濃厚,部分原因是熱塑性塑料與熱固性塑料相比具有快速加工的吸引力,例如使用自動鋪放后進行熱沖壓,或使用烤箱和真空袋進行高壓釜外加工以完全固結熱塑性層壓板。熱塑性塑料相對于熱固性塑料的一個關鍵優(yōu)勢是,聚合物制造商在離開化工廠之前已經(jīng)完成了所有聚合物化學反應,無需進一步交聯(lián),加工過程只需要熱量、壓力和一點時間即可實現(xiàn)固化。無需管理化學放熱,不存在僅實現(xiàn)部分交聯(lián)的風險,也不用擔心冷藏或材料超過保質期。然而,并非所有熱塑性塑料都是一樣的,即使在特定類別的高溫、高性能聚芳醚酮聚合物中也是如此,PEKK、PEEK 和相對較新的 VICTREX AE™ 250 屬于此類。后一種聚合物由 Victrex 配制而成,具有與其所基于的 VICTREX™ PEEK 相同的耐化學性和高溫性能,例如 Tg,但熔點較低(303 °C,而 VICTREX PEEK 為 343 °C),這大大拓寬了其加工窗口。在 Victrex 和 Coriolis Composites(一家自動化纖維制造商)的聯(lián)合項目中,使用 VICTREX AE 250 進行了試驗在鋪放設備中,該材料的鋪放速度明顯快于用于類似應用的另一種相同類型的聚芳醚酮聚合物,部分原因是熔點較低。這對熱塑性復合材料航空航天部件制造商具有重要意義,因為制造時間對于大批量生產(chǎn)至關重要。 VICTREX AE 250 聚合物和單向膠帶 VICTREX AE 250 是一種半結晶聚合物(通常為 25- 30%),熔點比 PEEK 低 40 °C,同時保留了 PEEK 的大部分機械、物理和耐化學性。它屬于稱為聚芳醚酮聚合物 (PAEK) 的熱塑性材料類別。結晶度水平對于保持出色的耐化學性非常重要,在由 VICTREX AE 250 聚合物制成的加工層壓部件中必須保持結晶度。與其他一些 PAEK 相比,VICTREX AE 250 的快速結晶可以實現(xiàn)這一點,除非鋪層材料冷卻得太快,在這種情況下可能需要進行二次加工以對部件進行退火或重新熔化部件,使其以與實現(xiàn)最高結晶水平相稱的速率冷卻。這種聚合物的更寬加工窗口可以改善壓實和成型。VICTREX AE™ 250 單向膠帶 ©Victrex 本研究使用了單向碳纖維增強膠帶,其碳纖維體積分數(shù)為 58%,纖維面積重量 (FAW) 為 192 g/m2。 VICTREX AE 250 聚合物基質以 34% 的質量分數(shù)浸漬。 Coriolis Composites 在其 C1 AFP 機器上采用 6.35 毫米、寬度公差為 ±0.127 毫米的分切帶,在 CSolo 機器上采用 38.1 毫米 ±0.127 毫米的分切帶。這些帶子由浸漬良好的纖維組成,空隙極小,因此能夠制造出基本無空隙的層壓板。 自動纖維鋪放 (AFP) AFP 工藝利用機械臂精確控制并準確地將復合預浸帶條鋪設在工作空間上,該工作空間位于確定零件幾何形狀的成型工具的表面上。該工藝利用預先切割成嚴格公差的特定寬度的復合預浸帶卷。 在柔性輥的壓力下,多個膠帶同時并排鋪設,熱源(通常是激光)施加在層之間的碳纖維上,并轉移到在固化前熔化的聚合物上。膠帶的鋪設速度由幾個因素決定,包括熱源提供的功率,但更重要的是聚合物基質的熔化和流動特性。VICTREX AE 250 聚合物的較低熔化溫度及其在熔融階段的流動特性增強了其 AFP 加工性。 在這項工作中,工具是一個簡單的平板,零件是簡單的平板。在某些情況下,工具被加熱到 140°C,在其他情況下,工具處于環(huán)境溫度(約 20°C)。 工作計劃中探討了兩種工藝選項: 1. 原位固化。 2. 通過非高壓釜(OoA)處理進行后固結 現(xiàn)場固化 使用 Coriolis Composites C1 AFP 機器,該機器由 6kW 激光熱源和帶遠程紗架的緊湊型頭部組成,在 Coriolis Composites 工廠的 AFP 工作單元內運行。機器裝有 8 x 6.35 毫米膠帶,并使用了通常在制造復雜形狀部件時使用的柔性輥,以證明該輥與 VICTREX AE 250 膠帶和 AFP 工藝兼容。 在大多數(shù)情況下,工具被加熱到 140°C。 層壓板是在表 1 和表 2 中詳述的不同條件下制造的,為 16 層準各向同性面板。 表 1 顯示了當鋪層速度保持在恒定的 3 m/min 時獲得的結果,而其他參數(shù)則按所示變化。在這些測試和本文報告的其他測試中,將 VICTREX AE 250 復合膠帶的性能與通常用于類似航空航天應用的“參考”PAEK UDT 進行了比較。使用 VICTREX AE 250 膠帶制成的最終面板均基本完全固結,孔隙率為零(使用密度測量確定),符合 ISO1183 標準,而參考材料含有大量孔隙率(4.6%),高于航空航天應用的可接受限值(2%)。此外,與主體材料相比,參考材料需要更大的激光功率(2.1kW vs 1.6kW)和更高的鋪層溫度(450 °C vs 380 °C)。較高的鋪層溫度會導致冷卻時殘余應力更高,從而導致部件翹曲。表 2 顯示了在較高鋪放速度下獲得的結果。此處,所有情況下工具的加熱溫度均為 140 °C。使用 Coriolis 復合材料 C1 AFP 機器可能達到的最高鋪放速度為 20 m/min,在此速度下,基于 VICTREX AE 250 的面板質量良好,孔隙率約為 1.9%,低于 2% 孔隙率的公認標準。20m/min 的速度比使用參考材料的速度快 6.5 倍,即使在較慢的鋪放速度下,參考材料的孔隙率也高于 VICTREX AE 250 面板 本研究采用單向碳纖維增強帶,其碳纖維體積分數(shù)為 58%,纖維面積重量 (FAW) 為 192 g/m2。VICTREX AE 250 聚合物基質浸漬質量分數(shù)為 34%。Coriolis Composites 采用分切帶,其 C1 AFP 機器的分切寬度為 6.35 毫米,寬度公差為 ±0.127 毫米,CSolo 機器的分切寬度為 38.1 毫米 ±0.127 毫米。這些帶由浸漬良好的纖維組成,空隙最小,因此可以制造出基本無空隙的層壓板。結晶度(原位加工) 影響整體機械性能的一個重要材料特性是材料在制造過程中結晶的程度。VICTREX AE 250 聚合物在從熔體冷卻時達到適當?shù)慕Y晶狀態(tài),冷卻速度接近 50 °C/分鐘,結晶度最高水平通常在 25-30% 范圍內。更快的冷卻會降低層壓板制造時完全結晶的能力,如果要在最終部件中實現(xiàn)最大結晶度,則必須在玻璃化轉變溫度以上進行二次加熱。這可以來自整個制造部件的 AFP 后退火步驟,也可以在 AFP 期間發(fā)生,因為激光可以將沉積層下方的層加熱到 Tg 以上。相反,Victrex 發(fā)現(xiàn),在特定條件下,將鋪層溫度設定為約 420 ℃,可以實現(xiàn)原位完全結晶。Victrex 認為,這是由于沉積層中的余熱以及隨后的激光通過而產(chǎn)生的,因為各層是一層一層地堆積在一起的。這為在加熱工具上進行原位工藝提供了實現(xiàn)相對較快的鋪層速度(~20 米/分鐘)和低孔隙率(低于 2%)和高結晶度(>25%)的可能性。Victrex 認為,還有進一步的工藝優(yōu)化機會,可以最大限度地提高生產(chǎn)率并降低制造成本?？傊?將鋪層速度提高 6.5 倍可以顯著節(jié)省成本,而使用速度有限的傳統(tǒng) UDT 很難實現(xiàn)這一目標。對于通用整流罩而言,預計成本節(jié)省主要是由于生產(chǎn)率提高導致資本投資減少 非高壓釜后處理 雖然現(xiàn)場鋪層是一個有吸引力的提議,但在某些情況下使用加熱工具可能不切實際。在這些情況下,從制造產(chǎn)量的角度來看,更快地鋪層并在以后使用后處理步驟優(yōu)化結晶度、孔隙率和機械性能可能是有益的。 Victrex 和 Coriolis 的試驗表明,VICTREX AE 250 聚合物基預浸料膠帶可以在室溫工具上使用 Coriolis CSolo AFP 機器以高速(至少 60 米/分鐘)鋪層,當在真空袋下的烤箱中壓實以施加 1 巴(100 kPa)壓實壓力時,層壓板的孔隙率為零。表 3 說明了使用的鋪層條件。 以這種方式進行的爐內固結需要將部件固定在合適的工具上,并使材料經(jīng)過熔融階段(通常加熱到 350-380 °C),并在此溫度下保持一段時間,以使整個層壓板厚度都熔化(厚度低于 5 毫米的薄層壓板通常需要 15-30 分鐘),然后以通常由爐內冷卻能力控制的速率冷卻。 這樣的過程“重置”了聚合物的狀態(tài),從而消除了 AFP 過程產(chǎn)生的任何加工歷史,釋放了應力,并實現(xiàn)了最大程度的固結。用 VICTREX AE 250 聚合物基復合帶制成的面板的機械性能在僅 100 kPa 的烤箱中固化,可以證明其與在固化壓機中以大約 6 倍更高的壓力(600kPa)處理的相同材料的性能相當,如表 4 所示。 我們的研究表明,使用 VICTREX AE 250 的固化周期比另一種基于 PAEK 的 UDT 短 20%。這種周期時間的縮短可以轉化為制造航空航天復合材料部件的成本節(jié)省。 經(jīng)過 AFP 鋪層和 OoA 處理后得到的層壓板表現(xiàn)出優(yōu)異的固化性能,沒有空隙/孔隙,甚至顯示出足夠的聚合物流動來填充通常與層壓板邊緣相關的空間(圖 1 中圈出)。白色圓圈表示層壓板處的聚合物流動面積。這些結果與在整個面板上執(zhí)行的 CScans 一致,并且沒有顯示任何分層或體積孔隙率。 圖 1. 通過烤箱固結層壓板的拋光光學顯微切片,該層壓板由 VICTREX AE 250 復合膠帶制成,如果允許在烤箱中進行后處理,則以 60 m/min 的速度鋪設在 Coriolis C-Solo 機器上。這比用于相同應用的同類其他高工程聚合物快 2.5 倍。AFP 后的烤箱固結可產(chǎn)生完全固結的層壓板,其孔隙率非常低(~0),具有出色的機械性能,可與壓機固結所獲得的機械性能相匹配。 這項工作的結果在通過 AFP 和 OoA 加工的 PAEK 熱塑性復合材料的速度和效率方面具有重要意義。 這些優(yōu)勢對于由 AFP 和 OoA 工藝制成的熱塑性復合材料部件的制造來說是一個潛在的重大變化。首次估算地板與地板比率時,使用 20 束機器和 1.5 英寸寬的 192GSM 膠帶時,膠帶鋪設比率為 400 千克/小時。 計劃進行額外的工藝優(yōu)化工作,因為 Victrex 旨在進一步展示 VICTREX AE 250 基復合材料對航空航天工業(yè)的加工優(yōu)勢。 結論 現(xiàn)場固化的運行速度可以比用于類似應用的另一種類似聚合物快 6.5 倍,并且在高工具溫度(超過 140°C)和高鋪層溫度下,可以實現(xiàn)可接受的結晶度水平,盡管機械性能可能會受到影響,層間剪切強度約為壓制板標準的 50-60%。 一般來說,VICTREX AE 250 聚合物所需的激光功率較低,并且由于其熔化溫度較低,因此可以在比其他類似材料更低的溫度下進行鋪設。這些因素可以節(jié)省能源或指定較低功率的激光器。 對于 OoA 固結,VICTREX AE 250 聚合物的低熔點和易流動特性使其能夠通過自動纖維鋪設預浸帶快速鋪層,速度等于或超過 60 米/分鐘,室溫下