高性能低溫塑膠的優勢
高性能聚合物的固有優勢適用於各種作環境，包括低溫下的氣體和液體。與其他聚合物和許多金屬相比，它們在低溫下的優勢包括：
- 保持伸長率
- 韌性和抗斷裂性
- 保持疲勞強度
- 重量 輕
- 在動載荷下具有耐磨性，無需外部潤滑
- 可靠的靜態和動態密封完整性
- 隔熱、電氣隔離
- 通過擠出、注塑成型和機械加工實現生產多功能性。
DRAKE 提供哪些低溫材料？
Drake Plastics 提供由先進聚合物製成的擠壓可加工形狀、精密加工部件和注塑成型部件，這些部件保留了其高水準的性能，並在低溫應用中可靠運行。每種材料都提供不同的性能特徵，以滿足各種低溫應用的要求。這些材料的一般特性：
- Torlon® PAI：與其他先進材料相比， Torlon PAI 在極端溫度下具有卓越的結構強度。PAI 聚合物技術推動了軸承和磨損等級的發展，大大延長了部件在動態載荷下的功能壽命。該技術還產生了碳纖維或玻璃纖維增強的配方，與未填充的等級相比，可顯著提高結構強度。
- Vespel® PI：Vespel 聚醯亞胺被認為是先進聚合物中整體性能的終極產品，可用作可加工形狀和精密加工零件。也可提供直接成型的部件。未填充和軸承和磨損等級滿足低溫液體的靜態和動態密封件以及低溫條件下的結構部件的性能要求。
- Drake PCTFE😛 CTFE 是一種高性能含氟聚合物，幾十年來一直被指定用於低溫液氧 （LOX）、液氫 （LH2）、液氮 （LN2） 和液化天然氣 （LNG） 應用。其特性包括高強度、V-0 可燃性和 95 的高極限氧指數 （LOI），可提高可能存在點火源的阻燃性。它還能抵抗暴露於輻射時的性能退化。這種性能優勢的結合導致其迅速發展成為必須在航太器設備中低溫下可靠運行的密封件材料。
- Drake CryoDyn® CT-200： CryoDyn 是一種基於 PEEK 的材料，具有 PEEK 聚合物特有的物理特性和耐化學性，專為低溫液體密封應用而開發，是 PCTFE 的替代品。對低溫應用材料要求的研究導致了具有第二聚合物相的 PEEK 基化合物的開發。該材料技術使 CryoDyn CT-200 能夠在低溫下運行，該低溫超出了未填充和其他傳統 PEEK 化合物的能力。
- PTFE 和其他標準含氟聚合物：Drake Precision 使用 PTFE 和其他含氟聚合物加工零件，以補充其低溫材料產品線。PTFE 等含氟聚合物通常不被認為是高性能材料，主要是因為它們的強度低。然而，當衝擊強度、耐化學性和成本是關鍵考慮因素，並且結構要求較低時，它們通常是最佳材料選擇。
高性能塑膠的低溫性能數據
樹脂供應商根據標準化的行業試樣、測試方法和測試條件生成性能數據。對於所有樹脂等級，這些標準數據表測試通常在環境溫度和高溫下進行。然而，只有少數供應商在低溫下進行性能測試，並且只對有限的性能和等級進行選擇。一個例子是 Drake 的 CryoDyn 低溫聚合物 和 PCTFE 樹脂的特性數據 （表 1）。 此外，不同樹脂供應商的測試條件可能有所不同。所有這些因素都使得直接比較低溫材料性能數據變得困難。
儘管如此，還是可以為低溫應用開發材料選擇。以 Torlon PAI 為例，在低溫測試溫度下可提供四種不同類型的機械性能數據：未填充、軸承和耐磨，以及碳纖維和玻璃纖維增強等級 （表 2）。 這些代表性等級的低溫特性數據有助於評估類似配方的可行性。
低溫如何影響材料性能
暴露在極端冰凍溫度下會在一定程度上影響所有聚合物的多種特性。材料通常會變得更加堅硬，並表現出彎曲和壓縮性能的增加，同時拉伸伸長率和抗衝擊性降低。由於表面硬度的增加和散熱的加速，耐磨性通常會得到提高。快速溫度轉變期間的尺寸穩定性也會影響靜態和動態密封件的完整性。
雖然每種應用都有其特定的性能要求，但以下特性以及低溫條件對它們的影響在評估材料是否適合極端低溫使用時非常重要：
機械性能
低溫會導致材料變得更硬，從而增加其彎曲和壓縮強度和模量。同時，極寒會降低材料的拉伸伸長率和延展性。
應用說明：
- 低溫條件對機械性能的影響是航太設備結構應用的重要因素。雖然剛度增加，但材料必須具有彈性，以承受推進、回收、對接、設備部署和其他作過程中的振動和應力。
- 由於低溫引起的壓縮模量顯著增加也是密封件的一個重要工程考慮因素。高壓縮性能可能會阻礙密封件適應配合表面和實現均勻接觸的能力。
CLTE 和尺寸穩定性
低溫材料可以靠近熱點火源，並在與深空相關的真空中經歷極端的冰凍溫度。穿越極端高溫和低溫會產生顯著的熱膨脹和收縮。具有低襯管熱膨脹係數 （CLTE） 的高性能聚合物材料可以提供關鍵作部件（如容器和泄壓裝置）可靠運行所需的尺寸穩定性。與金屬不同，聚合物的熱膨脹係數不是線性的;它隨著溫度的升高而增加。
應用說明：
- 用於航太器結構部件和外殼的聚合物的襯墊熱膨脹係數 （CLTE） 可能與配合表面和緊固件中材料的熱膨脹行為不同。具有相似熱膨脹特性的材料可以最大限度地降低由於極端且通常快速的溫度變化引起的重大尺寸變化而導致的應力開裂風險。
- 用於靜態和動態密封件配合表面的材料的 CLTE 也是一個重要因素。從火箭發射條件到極端和快速冷卻，溫度波動的尺寸變化存在顯著差異，可能會對密封完整性產生不利影響。因此，需要考慮系統密封介面在其低溫下，而不僅僅是在環境或元件溫度下。
抗衝擊性
極端低溫在一定程度上使所有材料脆化。在這些條件下，一些金屬比高性能塑膠更容易破碎。
應用說明：
- 材料在低溫條件下保持良好延展性的能力對於可能受到強烈振動和衝擊的航太器設備中的結構部件和外殼非常重要。
- 液氧、液氫、液氮和液化天然氣系統中的密封件在低溫暴露之前可能會在安裝過程中受到壓力，包括衝擊。具有良好的固有韌性的材料有助於避免與衝擊相關的微裂紋和表面缺陷，當低溫因尺寸變化和服務壓力或系統承受的其他力而產生應力時，這些微裂紋和表面缺陷可能會成為故障點。
軸承和磨損特性
與固體潤滑添加劑（如石墨、PTFE 和碳纖維）複合的高性能塑膠在低溫軸承和磨損應用中表現良好。事實上，隨著低溫導致其表面硬度的增加，它們的耐磨性通常會提高。此外，在低溫摩擦學服務中，通常不存在聚合物軸承失效的典型原因 – 局部熱量積聚。
應用說明：
- 航太器設備中的應用可能同時具有結構和動態功能。例如，元件可以設計有齒輪，以説明部署或激活設備。 Torlon PAI 和 Vespel PI 牌號與 PTFE 和石墨等固體潤滑劑混合，可改善軸承和磨損性能，是這些應用的可行材料選擇。它們消除了與外部液體潤滑劑相關的問題，這些問題會在低溫下凝固並形成可能污染作部件的顆粒。
- 在 Torlon PAI 中添加玻璃纖維或碳纖維可提高材料的強度，同時保持聚合物固有的低溫韌性。在許多情況下，這些纖維增強牌號 – Torlon 5030 和 Torlon 7130 – 在許多低溫磨損應用（如滑片）中優於內部潤滑的同類產品。
- 液氧、氮氣、氫氣和液化天然氣加工、儲存、輸送和運輸應用中的動態密封件也受益於高性能聚合物的軸承和磨損配方。這些先進材料在低溫下的動態負載下保持耐磨性，以提供液化氣處理應用所需的長期密封可靠性。
先進聚合物的相關性能優勢
先進聚合物已被廣泛用作航太器設備部件和密封件的低溫材料，以及 LOX、LH2、LN2 和 LNG 系統中的密封件和相關應用。
Drake Plastics 的這些材料以可加工形狀、精密加工部件和注塑成型部件的形式，已經證明它們能夠在低溫條件下保持強大的機械性能。每種材料還提供熱絕緣和電絕緣以及隔離和可燃性等級，這對於航太器和液化氣體設備具有重要優勢，因為這些設備可能會因靠近點火源而存在燃燒風險。
有關可燃性等級以及電氣和熱性能的綜合數據適用於 Drake 的可加工形狀，用於生產形狀和注塑成型零件的樹脂可在 Drake 的 樹脂數據表中找到。
此外， Drake 工藝的高性能聚合物可抵抗多種化學品。在這方面，每種材料都是獨一無二的。 Drake Plastics 的應用工程師可以幫助客戶訪問其主要樹脂供應商的資料庫，以獲取有關化學品和可變濃度、溫度和應力條件如何影響由每種聚合物製成的元件性能的更多詳細資訊。
