材料发展史与人类文明发展史息息相关,从最早的石器、陶器、青铜器、铁器的演变,发展到今天,材料的种类已保罗万象,涵盖金属、无机非金属、高分子材料和复合材料。
高分子材料是上世纪五十年代发展起来的,自其问世的半个多世纪以来,其品种和产量都超过了具有千年历史的金属材料和无机非金属材料,在人们衣、食、住、行、健康和国家安全、经济发展、社会稳定等方面发挥着重要作用。
与金属和无机非金属相比,高分子材料质量轻、耐腐蚀、易加工,但不耐温,不能在高温环境使用。我们日常生活中接触到的塑料制品大部分是由聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等制作的,使用温度不超过100℃,即使尼龙、聚碳酸酯等工程塑料的使用温度也不超过150℃。如果让高分子材料的使用温度越来越高,就可以在某些使用领域代替金属。
比如,铝合金是金属中密度最小的材料,其密度是2.7g/cm3,而高分子材料的密度低,聚乙烯的密度只有0.92 g/cm3,碳纤维增强树脂基复合材料的密度在1.6-1.7 g/cm3,也就是说,同等体积的一个物品,如果用高分子材料代替铝合金,会减轻约一半的重量。因此,目前航空航天的飞行器、舰船、汽车、高铁等都希望尽可能多地采用质量轻的高分子材料,能提高运行速度、节约燃油或电力等。上世纪60年代国际军备竞赛促使下,高性能工程塑料(又叫特种工程塑料)应运而生。
高性能工程塑料是指在高温下仍能保持良好力学性能的高分子材料,其使用温度高于150℃,上不封顶,使用温度越高越好。随着高技术的快速发展,尤其汽车、轨道交通、航空航天轻量化、节能的迫切需求,电子信息行业向高密度、高精度、高集成化装配技术发展,使高性能工程塑料的市场需求量迅猛发展。
高性能工程塑料具有优异的综合性能外,还具有优异的阻燃性,燃烧时只产生少量的热量和烟雾,超过联邦航空管理局的阻燃要求,所以在航空航天、轨道交通等对阻燃性能有严苛要求的领域有广阔的应用。
在航空领域,福克公司在2001年将空客A345-500和A340-600系列商用喷气式飞机的机翼与机身连接处使用的金属铝替换成聚苯硫醚(PPS)玻璃纤维复合材料,使飞机质量更轻,具有更好的抗冲击、耐温以及耐化学腐蚀的性能。2009年,湾流G650商用喷气式飞机使用一种基于PPS焊接的结构元件,用于飞机的升降舵和方向舵,而且PPS复合材料的使用将制造费用降低20%,重量减轻10%。据美国波音公司分析,喷气式客机减重1公斤,其使用成本就将节省2200美元。在此基础上,航空领域不断增加高性能工程塑料的使用范围和使用量。
在高端汽车市场,高性能工程塑料用于发动机和传动部件中,例如,高性能工程塑料已取代青铜离合器环,也用于齿轮、轴承、垫圈和密封件、转子泵、防抱死制动系统(ABS)制动器、热声毯、悬架部件、电动窗部件等。具有优异的力学强度和抗冲击韧性的聚芳醚酮基碳纤维复合材料已经取代钢材成为一级方程式赛车发动机部件的首选材料,应用部位包括涡轮进气口和叶轮、油泵外壳和风扇,以及无润滑油的轴承系统。
在电子电器领域,液晶聚芳酯材料(LCP)具有良好的流动能力和高的热稳定性,被用于制造芯片载体、印刷电路板、线圈形式、线轴、插座、电容器外壳、光电器件、电位器。LCP的优异的介电性能,近几年被广泛应用于5G等领域。聚酰亚胺(PI)被誉为微电子领域解决问题的能手,PI为基本材料制作的柔性覆铜板、光刻胶成为微电子领域必不可少的材料。
在医疗行业,与钛等金属植入材料相比,高性能工程塑料具有与人骨相近的生物力学性能,且对X射线没有屏蔽性,被应用在骨科、颅面、心血管和牙科植入物等方面,如椎间融合器、髋关节和股骨置换、骨螺钉和别针、植入心脏泵的部件、牙柱和牙帽等。聚芳醚砜由于其优异的耐水解性、无毒以及透明性,其做成的薄膜被用于心脏瓣膜,其制作的中空纤维膜被用作肾透析的血液透析膜等。
在油气行业(陆上、海上、海底),高性能工程塑料为基体制造的复合材料能够承受日益恶劣的环境,典型应用包括阀门、备用环、连接器、密封件、电线和电缆的绝缘、立管和供应管线的管道和油管、衬套、轴承和齿轮,在非常规钻井(页岩)中发挥了重要作用。
在石油化工等众多工业领域,高性能工程塑料及其深加工产品都发挥了重要的作用,可取代不锈钢和许多稀有合金,具有更长的使用寿命及更高的成本效益。
高性能工程塑料已经成为国民经济和军工领域的重要支撑材料,是能源、信息等高技术领域的物质基础。随着航空航天、武器装备、轨道交通等领域轻量化、远航程、节能的需求不断增强,对高强度、高抗冲击性能、安全裕度和可循环再生高分子材料的需求与日俱增,高性能工程塑料在航空航天、核能、舰船、先进武器装备等尖端军工领域的应用,以及在汽车、高速轨道交通、石油化工等民用支撑领域的应用逐渐扩展,其需求量将越来越大。
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