航太產業包括飛機和太空船，並包括與地球大氣層內外的飛行和飛行相關作業有關的設備。高性能塑膠在滿足與航太設備相關的複雜且嚴苛的應用需求方面，具有極高的可靠性，因此在業界獲得廣泛的認同。它們的成長也來自於減輕重量的驅動力，這是輕質塑料相較於金屬的主要優勢。
用於航空航天部件的高性能塑料有哪些主要優勢？
- 安全性：先進的聚合物具備工業機構的安全認證，具有低易燃性及低煙霧產生的特性。
- 重量輕：在一個以低物理質量來提高燃料效率的產業中，先進聚合物的高強度重量比讓工程師可以繞過較重的金屬來生產航空零件。
- 保持強度和剛性： Vespel PI 和 Torlon PAI 在高溫下仍能保持結構強度，並能抵抗嚴重震動應力所造成的疲勞失效。
- 耐高溫： Torlon PAI 的玻璃化轉換溫度為 275oC (527oF )，是航空塑膠中最高的。PEEK、Ultem PEI 和 Vespel PI 在高溫下的穩定性和強度也是公認的。
- 在低溫環境下具有耐衝擊性和韌性：由 PCTFE 和低溫 PEEK 聚合物製成的密封件在液化氣體和推進劑（包括 LOX 和 LH2）中表現可靠。Torlon PAI 和 Vespel PI 在深空低溫環境中的強度和耐用性是公認的。
- 抗輻射性：Torlon PAI、Vespel PI 和 Ultem PEI 經證明可在暴露於持續輻射的太空船應用中保持強度和韌性。
- 耐摩擦磨損：Torlon PAI 和 PEEK 熱塑性塑料的軸承和耐磨等級可延長齒輪、軸襯、軸承和其他機械部件在極端動態負載下的功能壽命和可靠性。
- 耐化學性：高效能塑膠可承受航太應用中遇到的許多不同化學環境。PEEK 和 Ryton R-4 PPS 具有最廣泛的耐化學性。
- 低真空放氣：NASA 將特定等級的 Torlon PAI 和 PEEK 列為符合太空船用低放氣材料資格的熱塑膠。
- 熱絕緣、電絕緣與隔離：塑膠的熱傳導率遠低於金屬，同時具有熱絕緣、電絕緣與隔離的特性。
特殊配方可提高塑膠的性能
有幾種高性能塑膠使用添加劑來改良等級，在維持基本聚合物固有特性的同時，改善特定的特性。
- Torlon PAI、PEEK、Vespel PI和Ultem PEI等級的軸承和磨耗特性均超越未改性聚合物。
- 與未填充的高性能聚合物相比，玻璃纖維和碳纖維增強材料可顯著提高結構強度。例如，含 30% 碳纖維的Torlon 7130 PAI的抗彎模量比未強化的 PAI 等級高出近四倍。
- Drake 4645 PAI在其配方中結合了碳纖維和潤滑劑，可提高耐磨性和強度。
塑料如何解決飛機中複雜的組件設計挑戰？
以下簡要的案例研究總結了先進塑膠如何在嚴苛的條件下可靠地發揮性能：
- 在軍用飛機領域，戰鬥機對零件和系統造成獨特的高重力和複雜的應力。
- Torlon 4301 PAI結合了高強度、軸承和磨損特性，適用於各種承受高應力和動態負荷的結構和機械部件。
- 軍用飛機緊湊的機身設計可能需要將液壓系統安裝在噴射引擎附近。
- PEEK和Torlon PAI基於其隔熱、絕緣特性和耐化學性質，在流體處理系統的結構支撐托架和其他組件方面擁有悠久的歷史。
- 在商用和軍用飛機中，重型貨艙門中的機械元件必須在高動態負載下經過多次運轉後，仍能平順且精準地運作。
- Torlon PAI 軸承和耐磨等級可提供這些系統的滾子和扇形齒輪所需的抗壓強度、動態承載特性和摩擦耐磨性。
- 飛機燃油系統零件必須不受化學物質影響、能承受高震動而不會產生疲勞故障、在極端溫度下仍能保持強度和韌性，在某些情況下還能防止放電。
- 由 PEEK 和 Torlon PAI 加工而成的管支架和結構緊固件可承受噴射機和火箭燃料、抗應力疲勞，並具有熱和電隔離與絕緣特性。
哪些塑料可承受太空船應用所需的極端條件？
多種高性能塑膠已經證明其在太空船設備上的可靠性，範圍從運載火箭到衛星和深空望遠鏡。典型的例子
- 在火箭發射過程中，元件會經歷極端的震動力、高溫以及暴露在低溫推進劑中，這些都是對材料極限的考驗。
- 由 Torlon PAI、PEEK 和 Vespel PI 製成的結構組件和安裝夾具經得起嚴苛條件的考驗。每種材料都能針對特定的工程需求提供獨特的特性組合。
- 通訊衛星所需的材料必須能確保訊號的完整性，以及在太空環境中長期運作的能力。
- Ultem 1000 PEI結合了強度、抗輻射與 RF 透明度，可在通訊衛星天線中提供穩定的訊號品質。
- 深空望遠鏡太陽能陣列必須在無法選擇維修或更換元件的環境中完美部署。
- Torlon 7130 PAI因其在低溫環境下的強度、抗輻射性、熱隔離特性和韌性，被指定用於望遠鏡太陽能陣列部署機構中的熱隔離器。
- 停靠系統和儀器部署機制中的齒輪、軸承和滑墊需要材料能夠抵抗摩擦磨損，並在輻射和低溫是固定因素的情況下保持強度和韌性。
- PEEK、Torlon PAI 和 Vespel PI 的軸承和耐磨等級指定用於太空船設備中的各種動態承載應用。每種聚合物都具有獨特的特性，可針對各種工程需求和環境提供有效的選擇。
Drake Plastics：航太級高性能聚合物的合作夥伴
飛機和太空船設備必須在先進聚合物的能力範圍內運作。Torlon PAI、PEEK、Ultem PEI、Vespel PI、Ryton R-4 PPS和PCTFE都是經過嚴格挑選的材料，這些材料已在從簡單的飛機外部燈具外殼到 James Webb 太空望遠鏡太陽能陣列致動器中使用的熱隔離器等各種元件中證明了其可靠性。經過數十年的性能驗證，這些聚合物已成為越來越多應用的主要候選材料。Drake Plastics 是航太產業先進聚合物的領導廠商，可提供擠出加工形狀以及CNC 加工和射出成型能力，以滿足這些材料的各種元件設計和生產需求。
有關航空工業用高性能塑膠的常見問題解答
1.哪些塑膠用於航太應用？
航太應用中最常見的高效能塑膠是 Torlon® PAI、PEEK、Vespel® PI、Ultem® PEI、Ryton® PPS 和 PCTFE。這些先進聚合物被指定用於飛機和太空船零件，因為它們結合了輕量化結構、高強度、耐溫性、耐化學性，以及在極端操作條件下的可靠性。
2.為什麼在飛機和太空船上，高性能塑膠會取代金屬？
由於高性能塑膠具有優越的強度重量比，可直接提高燃料效率和有效載荷能力，因此在航空航天領域正逐漸取代金屬。Torlon PAI 和 PEEK 等先進聚合物還能提供熱絕緣、電絕緣、耐化學性和耐疲勞性，這些特性是金屬通常無法在單一材料中比擬的。
3.哪種塑膠在航太用途上具有最高的耐溫性？
Torlon PAI 的玻璃化轉換溫度為 275°C (527°F)，是航太塑膠中最高的，使其成為暴露於持續高溫的元件的首選。PEEK、Vespel PI 和 Ultem PEI 在高溫下也有可靠的表現，每種聚合物都能針對特定的航太應用提供獨特的特性。
4.航空塑膠是否通過火焰和煙霧標準認證？
是的。 許多高性能的航太塑膠都具有低易燃性、低發煙性和低毒性的工業認證，包括符合 FAR 25.853 機艙材料標準。PEEK、Ultem PEI 和 Torlon PAI 等材料通常指定用於防火安全要求極高的飛機內裝、電氣外殼和結構組件。
5.NASA 核准哪些塑膠符合太空船的除氣要求？
NASA 將特定等級的 Torlon PAI 和 PEEK 列為核准用於太空船的低放氣材料。由於材料在真空中釋放的揮發性化合物會污染衛星和深空望遠鏡的光學表面、感測器和電子產品，因此低放氣聚合物在太空中是不可或缺的。
6.高性能塑料能否承受太空中的低溫？
是的。 PCTFE 和低溫等級的 PEEK 在液化氣體和推進劑（如 LOX（液氧）和 LH₂（液氫））中表現可靠。Torlon PAI 和 Vespel PI 也能在深空的低溫環境中保持強度和韌性，因此非常適合運載火箭和衛星元件。
7.Torlon PAI 在航空航天中的用途是什麼？
Torlon PAI 用於航太業的結構支架、軸承、襯墊、扇形齒輪、熱隔離器和燃料系統組件。Torlon 4301 等軸承和耐磨等級可提供高抗壓強度和耐摩擦磨損性能，而 Torlon 7130 PAI 等強化等級則指定用於高應力結構和低溫應用。
8.PEEK 在航太應用上的表現如何？
PEEK 在需要耐化學性、高溫穩定性和韌性的航太應用中表現極佳。它被指定用於飛機燃料系統零件、液壓支架、電氣連接器、軸承和低溫密封件。PEEK 也是 NASA 核准用於太空船和衛星應用的低放氣材料。
9.航太塑膠是否耐噴射燃料和液壓流體？
是的。 PEEK、Torlon PAI 和 Ryton R-4 PPS 可抵抗多種航太流體，包括噴射燃料、火箭推進劑、液壓油和除冰化學品。這種耐化學性，加上高溫下的強度和抗震動疲勞的特性，使它們成為燃料系統支架、配件和結構緊固件的理想材料。
10.航空塑膠零件有哪些加工選項？
Drake Plastics 提供可機械加工的擠出形狀，並為航空航天零件提供內部 CNC 加工和注塑成型。此垂直整合能力可讓航太工程師採購航太等級的 Torlon PAI、PEEK 及其他高效能聚合物作為原料或精密加工的成品零件，以供組裝之用。