خواص و کاربردهای PEEK - بخش سوم
کامپوزیتهای ترموپلاستیک
کامپوزیتهای ترموپلاستیک به دلیل نسبت استحکام به وزن استثنایی، مقاومت در برابر ضربه، مقاومت شیمیایی و دوام بالا توجه و کاربرد گستردهای در صنعت هوافضا به خود جلب کردهاند. کامپوزیتهای ترموپلاستیک باتوجه به کاربرد فراوانی که در هوافضا جهت ساخت اجزای سازهای دارند، جایگزین سبکی برای سازههای فلزی سنتی به شمار میروند. این کامپوزیتها معمولا از تقویت کنندههای الیاف پیوسته مانند الیاف کربن یا الیاف شیشه، که در یک ماتریس ترموپلاستیک جاسازی شدهاند، تشکیل شدهاند.
الیاف، استحکام و سختی بالایی را فراهم میکنند، در حالی که ماتریس ترموپلاستیک به مقاومت در برابر ضربه و تحمل آسیب کمک میکند. اجزای سازهای ساخته شده از کامپوزیتهای ترموپلاستیک شامل سازههای بال، بخشهای بدنه، اجزای موتور و سطوح کنترلی هستند. به طور خلاصه، از اساسیترین مزایای کامپوزیتهای ترموپلاستیک به چند مورد باید اشاره کرد.
1. کاهش وزن و بهره وری در سوخت
ماهیت سبک کامپوزیتهای ترموپلاستیک امکان کاهش وزن در سیستمهای هوافضا را فراهم میکند که به طور مستقیم افزایش راندمان سوخت را به دنبال خواهد داشت. با جایگزینی قطعات فلزی سنگینتر با کامپوزیتهای ترموپلاستیک، هواپیماها میتوانند علاوه بر صرفه جویی قابل توجهی در وزن، به کاهش مصرف سوخت، کاهش انتشار گازهای گلخانهای و بهبود عملکرد کلی نیز دست یابند.
2. دانعطاف پذیری در طراحی پیشرفته
کامپوزیتهای ترموپلاستیک به طراحان اجازۀ انعطاف پذیری بیشتر در ایجاد اشکال و هندسههای پیچیده میدهند. آنها را میتوان به راحتی قالب گیری و به پیکربندیهای مختلف تبدیل کرد و امکان تولید سازههای ساده و آیرودینامیکی را فراهم کرد. این انعطاف پذیری همچنین امکان طراحیهای بهینهای را فراهم میکند که نیروی پسا را به حداقل میرساند، راندمان آیرودینامیکی را افزایش داده و عملکرد کلی هواپیما را نیز بهبود میبخشد.
3. مقاومت در برابر مواد شیمیایی و عوامل محیطی
کامپوزیتهای ترموپلاستیک مقاومت بسیار خوبی در برابر مواد شیمیایی، رطوبت و سایر عوامل محیطی از خود نشان میدهند. این مقاومت، آنها را برای کاربردهای هوافضا که در آنها قرار گرفتن در معرض شرایط سخت مانند سوخت یا سیالات هیدرولیک رایج است، بسیار مناسب میکند. مقاومت شیمیایی کامپوزیتهای ترموپلاستیک به دوام و قابلیت اطمینان طولانی مدت آنها در محیطهای دشوار هوافضا کمک میکند.
4. بازیافت و پایداری
کامپوزیتهای ترموپلاستیک از نظر قابلیت بازیافت و پایداری دارای مزایایی خوبی هستند. برخلاف کامپوزیتهای ترموست که بازیافت آنها دشوار است، کامپوزیتهای ترموپلاستیک را میتوان چندین بار ذوب و بدون افت عملکرد، دوباره پردازش کرد. این ویژگی امکان بازیافت و استفاده مجدد از مواد ترموپلاستیک پایدار را فراهم میکند؛ ضایعات را کاهش داده و مسئولیت پذیری زیست محیطی را نیز در تولید هوافضا ارتقا میدهد.
کامپوزیتهای PEEK (PEEK پرشده)
علیرغم خواص عالی PEEK در حالت خالص (پر نشده)، خواص PEEK را میتوان با پرکنندهها بیشتر بهبود بخشید تا برای کاربردهای دشوارتر مناسب باشد. PEEK معمولا با الیاف کربن (الیاف خرد شده یا بافته شده) یا الیاف شیشه اصلاح میشود. به عنوان مثال، PEEK تقویت شده با الیاف کربن برای کاربردهایی که نیاز به مقاومت فشاری و سختی بالاتری دارند، استفاده میشود.
کامپوزیتهای PEEK پر شده با الیاف کربن (CF)
تقویت الیاف کربن خواص مکانیکی PEEK را افزایش میدهد. PEEK پر شده با الیاف کربن (CF) معمولا در کاربردهایی که نیاز به حداکثر نسبت استحکام به وزن دارند مانند اجزای سازهای، یاتاقانها و چرخ دندههای تحت بار در کاربردهای هوافضا، استفاده میشود. از مهمترین مزایای کامپوزیتهای PEEK پرشده با CF میتوان استحکام و سختی بالا، بهبود قابلیتهای تحمل بار و رسانش حرارتی بهتر را نام برد که امکان استفاده در مواردی که اتلاف گرما از اجزا مورد نیاز است را فراهم میکند. استفاده از پرکننده CF نه تنها وزن PEEK را افزایش میدهد بلکه مزایای PEEK را نسبت به فلزات نیز حفظ میکند.
همچنین مقاومت سایشی PEEK پر شده با CF در مقایسه با PEEK بدون پرکننده بسیار بهبود یافته است. روش دیگر تولید کامپوزیتهای CF=PEEK شامل آغشته کردن CF بافته شده با PEEK است. این کار به طور قابل توجهی استحکام مکانیکی و سختی PEEK را افزایش میدهد و آن را برای کاربردهای بسیار حیاتی مانند اجزای ماهواره مناسب میکند اما هزینه تولید را بسیار افزایش میدهد.
کامپوزیت PEEK پر شده با الیاف شیشه (GF)
تقویت با الیاف شیشه نیز خواص مکانیکی PEEK را افزایش میدهد، اما این کار را به روشی نسبتا متفاوت از فیبر کربن انجام میدهد. اگرچه استحکام مکانیکی PEEK پر شده با GF بالاتر از PEEK بدون پرکننده است، اما از PEEK پر شده با CF کمتر است. با این حال، مواد عایق بهتری است و در مقایسه با PEEK پر شده با CF گزینه مقرون به صرفهتری محسوب میشود. این ماده در قطعاتی که نیاز به استحکام بالا با قابلیت عایق بندی بالا دارند مانند صنایع نفت و گاز و صنایع حساس به اشتعال استفاده میشود. ازطرفی، دارای استحکام افزایش یافته نسبت به PEEK پر نشده دارد و قابلیت عایق الکتریکی را حفظ میکند.
مقایسه کامپوزیت PEEKبا سایر پلیمرها
خواص PEEK با اکثر پلیمرهای با کارایی بالا قابل مقایسه یا بهتر از آنهاست اما بسیار گران است و تنها PEKK از آن پیشی گرفته است. انتخاب بین PEEK و جایگزینهای آن به این نکته بستگی دارد که کدام خواص برای یک کاربرد خاص بیشترین اهمیت را دارند و آیا این افزایش هزینه توجیه پذیر است یا خیر.
1. پلی استایرن: پلی استایرن (PS) رایجترین جایگزین کم هزینهتر است که مقاومت شیمیایی بهتری در محیطهای خاص دارد اما رفتار شکنندهتری دارد.
2. PEI (Ultem): PEI دارای مقاومت مکانیکی قابل مقایسهای با تقریبا یک سوم هزینه است و دارای گواهینامه FAA نیز برای فضای داخلی هواپیما است اما سقف حرارتی ۱۷۰ درجه سانتیگراد آن، استفاده از آن را در کاربردهای با دمای بالا محدود میکند.
3. PEKK: PEKK نزدیکترین خویشاوند PEKK است، با عملکرد حرارتی و مکانیکی کمی پایینتر اما به دلیل بلورینگی قابل تنظیم، قابلیت پردازش بهتری برای تولید افزایشی دارد.
4. PES: PES از نظر عملکرد حرارتی و مکانیکی پایینتر از سایرین قرار میگیرد، اما در مواردی که به خواص الکتریکی خاص یا مقاومت در برابر آب گرم نیاز باشد، استفاده میشود.
چاپ سه بعدی PEEK
چاپ سه بعدی PEEK امکان ساخت قطعات پیچیدهای را فراهم میکند که ساخت آنها با استفاده از سایر فناوریها دشوار است. همچنین، اغلب مقرون به صرفهترین روش است؛ بهویژه برای تولید با حجم کم تا متوسط. از چند فناوری اصلی در چاپ سه بعدی PEEK استفاده میشود.
1. ساخت رشتههای ذوب شده (FFF)
این روش همچنین به عنوان مدل سازی رسوب ذوب شده نیز شناخته میشود. این رایجترین فناوری تولید افزایشی برای PEEK است. در این فناوری، PEEK به صورت لایهای رسوب میشود. سپس، در FFF از فیلامنت PEEK استفاده میشود. FFF به دلیل جذب رطوبت کم، انتخابی عالی برای چاپ سه بعدی PEEK است. یک چاپگر خوب برای چاپ PEEK به قابلیتهای چاپ با دمای بالا نیاز دارد تا خواص مورد انتظار ماده را ارائه دهد.
2. پخت لیزری انتخابی (SLS)
SLS از یک لیزر پرقدرت برای ترکیب پودر PEEK استفاده میکند. ساختارهای جامد به صورت لایه به لایه ایجاد میشوند. SLS همچنین میتواند هندسههای پیچیدهتری نسبت به FFF تولید کند اما قیمت آن خیلی بیشتر از FFF است.
به طور خلاصه، PEEK پر شده و پر نشده، خواص مکانیکی قابل مقایسه با فلزات را با مقاومت شیمیایی، حرارتی و تابشی برتر و همچنین زیست سازگاری و پایداری ابعادی از خود نشان میدهند. خواص استثنایی PEEK آن را به یک ماده همه کاره برای قطعات حیاتی در کاربردهای دشوار تبدیل میکند. PEEK را همچنین میتوان از طریق فناوریهای مختلف برای تولید هندسههای پیچیده، چاپ سه بعدی کرد.
