高性能低温塑料的优势
高性能聚合物的固有优势适用于各种工作环境，包括低温下的气体和液体。在低温条件下，与其他聚合物和许多金属相比，它们的优势包括
- 保持伸长
- 韧性和抗断裂性
- 保持疲劳强度
- 重量轻
- 在无外部润滑的动态负载条件下的耐磨性
- 可靠的静态和动态密封完整性
- 隔热、电气隔离
- 通过挤压、注塑和机加工实现生产的多功能性。
DRAKE 提供哪些低温材料？
Drake Plastics提供由先进聚合物制成的可挤压加工形状、精密机加工部件和注塑成型部件，这些材料在低温应用中保持了相当高的性能和可靠性。每种材料都具有不同的特性，可满足各种低温应用的要求。这些材料的一般特性：
- Torlon® PAI： Torlon PAI 在极端温度下的结构强度优于其他先进材料。PAI 聚合物技术已开发出轴承和耐磨牌号，大大提高了部件在动态载荷下的功能寿命。该技术还开发出了碳纤维或玻璃纤维增强配方，与未填充等级相比，可显著提高结构强度。
- Vespel® PI：Vespel 聚酰亚胺被认为是综合性能最佳的先进聚合物，可提供可加工形状和精密加工部件。也可提供直接成型部件。非填充级、轴承级和耐磨损级可满足低温液体静态和动态密封以及低温条件下结构部件的性能要求。
- Drake PCTFE:PCTFE 是一种高性能含氟聚合物，数十年来一直被指定用于低温液氧 (LOX)、液氢 (LH2)、液氮 (LN2) 和液态天然气 (LNG) 应用。其特性包括高强度、V-0 易燃性和高达 95 的极限氧指数 (LOI)，可提高在可能存在火源的地方的抗燃烧性。当暴露在辐射环境中时，它还能防止性能退化。这些性能优势的结合使得密封材料在航天器设备中迅速发展，因为密封材料必须在低温条件下可靠运行。
- Drake CryoDyn® CT-200:CryoDyn 是一种基于PEEK 的材料，具有PEEK 聚合物所特有的物理特性和耐化学性。通过对低温应用对材料要求的研究，开发出了一种以PEEK 为基础、具有第二聚合物相的化合物。这种材料技术使CryoDyn CT-200 能够在低温条件下发挥性能，这超出了未填充和其他传统PEEK 复合物的能力范围。
- 聚四氟乙烯和其他标准含氟聚合物： Drake 用聚四氟乙烯和其他含氟聚合物制造精密机械零部件，以补充其低温材料产品系列。PTFE 等含氟聚合物通常不被视为高性能材料，主要是因为它们的强度较低。然而，当冲击强度、耐化学性和成本是主要考虑因素，且结构要求较低时，它们往往是最佳材料选择。
高性能塑料的低温性能数据
树脂供应商根据标准化的行业测试样本、测试方法和测试条件生成属性数据。这些标准数据表测试通常在常温和高温条件下进行，适用于所有树脂牌号。然而，只有少数供应商会在低温条件下进行性能测试，而且只对有限的性能和等级进行测试。例如，Drake的CryoDyn 低温聚合物和PCTFE 树脂的性能数据（表 1）。此外，不同树脂供应商的测试条件也可能不同。所有这些因素都使得直接比较低温材料特性数据变得困难。
尽管如此，还是有可能开发出适用于低温应用的材料选择。Torlon PAI 有四种不同类型在低温测试温度下的机械性能数据：未填充型、轴承型和耐磨增强型，以及碳纤维和玻璃纤维增强型（表 2）。这些代表性牌号的低温性能数据有助于评估类似配方的可行性。
低温如何影响材料特性
暴露在极端冰冻温度下会在一定程度上影响所有聚合物的一些特性。材料通常会变得更加坚硬，抗弯和抗压性能增强，但拉伸伸长率和抗冲击性却会降低。由于表面硬度增加和散热加快，耐磨性通常也会提高。温度快速变化时的尺寸稳定性也会影响静态和动态密封的完整性。
虽然每种应用都有其特定的性能要求，但以下特性以及低温条件如何影响这些特性，对于评估极端低温条件下的材料非常重要：
机械性能
低温会使材料变得更加坚硬，从而提高其抗弯、抗压强度和模量。同时，极寒会降低材料的拉伸伸长率和延展性。
应用说明：
- 低温条件对机械性能的影响是太空飞行设备结构应用的重要因素。在提高刚度的同时，材料还必须具备一定的弹性，以承受推进、回收、对接、仪器部署和其他操作过程中的振动和应力。
- 低温导致压缩模量大幅增加也是密封件的一个重要工程考虑因素。高压缩特性可能会妨碍密封件与配合表面的吻合和实现均匀接触的能力。
CLTE 和尺寸稳定性
低温材料在深空真空环境中可能会遇到高温点火源和极端冰冻温度。从高温到低温的极端环境会产生显著的热膨胀和收缩。衬垫热膨胀系数（CLTE）较低的高性能聚合物材料可以为容器和泄压装置等关键运行部件提供可靠运行所需的尺寸稳定性。与金属不同，聚合物的热膨胀系数不是线性的，它会随着温度的升高而增大。
应用说明：
- 用于航天器结构部件和外壳的聚合物的衬垫热膨胀系数（CLTE）可能与配合表面和紧固件材料的热膨胀行为不同。具有相似热膨胀特性的材料可最大限度地降低因极端且通常快速的温度变化而导致的显著尺寸变化所带来的应力开裂风险。
- 静态和动态密封件配合表面所用材料的 CLTE 也是一个重要因素。从火箭发射条件到极端快速冷却的温度变化过程中，尺寸变化的显著差异会对密封完整性产生不利影响。因此，系统密封界面需要在其低温工作温度下进行考虑，而不仅仅是在环境温度或装配温度下。
抗冲击性
极端低温会在一定程度上脆化所有材料。与高性能塑料相比，某些金属在这些条件下更容易碎裂。
应用说明：
- 材料在低温条件下保持良好延展性的能力，对于可能受到强烈振动和冲击的航天器设备中的结构部件和外壳来说非常重要。
- 液氧、液氢、液氮和液态天然气系统中的密封件在低温暴露之前的安装过程中可能会受到包括冲击在内的应力。具有良好固有韧性的材料有助于避免出现与冲击有关的微裂纹和表面缺陷，这些缺陷会在低温条件下因系统的尺寸变化、使用压力或其他作用力而产生应力时成为失效点。
轴承和磨损特性
与固体润滑添加剂（如石墨、聚四氟乙烯和碳纤维）复合的高性能塑料在低温轴承和磨损应用中表现出色。事实上，它们的耐磨性通常会随着低温导致的表面硬度增加而提高。此外，聚合物轴承失效的典型原因–局部热积聚–在低温摩擦服务中通常不存在。
应用说明：
- 航天器设备中的应用可能同时具有结构和动态功能。例如，组件可能设计有齿轮，以协助展开或启动装置。 Torlon 与聚四氟乙烯和石墨等固体润滑剂复合的 PAI和Vespel PI牌号具有更好的轴承和磨损性能，是这些应用的可行材料选择。它们消除了与外部液体润滑剂相关的问题，因为外部液体润滑剂会在低温下凝固，并形成可能污染运行部件的微粒。
- Torlon PAI 中添加玻璃纤维或碳纤维可提高材料的强度，同时保持聚合物固有的低温韧性。在许多低温磨损应用（如滑动叶片）中，这些纤维增强牌号（Torlon 5030和Torlon 7130）的性能都优于内部润滑的同类产品。
- 液氧、氮气、氢气和液态天然气加工、储存、输送和运输应用中的动态密封件也受益于高性能聚合物的轴承和耐磨配方。这些先进的材料可在低温动态载荷下保持其耐磨性，从而提供液化气处理应用所需的长期密封可靠性。
先进聚合物的相关性能优势
先进聚合物已被广泛用作航天器设备部件和密封件的低温材料，以及 LOX、LH2、LN2 和 LNG 系统中的密封件和相关应用。
这些材料以可加工形状、精密加工部件和注塑成型部件的形式从 Drake Plastics已证明它们能够在低温条件下保持稳定的机械性能。每种材料还具有热绝缘、电绝缘、隔离和可燃性等级，这对于航天器和液化气设备来说都是非常重要的优势，因为在这些设备附近可能会有点火源而导致燃烧的风险。
有关Drake的可加工形状以及用于生产形状和注塑件的树脂的可燃性等级、电气和热性能的全面数据，请参阅Drake的树脂数据表。
此外，Drake 加工的高性能聚合物还能抵抗多种化学物质。每种材料在这方面都是独一无二的。 Drake Plastics我们的应用工程师可以帮助客户访问其主要树脂供应商的数据库，以获得有关化学品以及浓度、温度和应力等不同条件如何影响每种聚合物制成的部件性能的详细信息。
