高性能热塑性塑料：PEEK、ULTEM 及其他聚合物

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  高性能热塑性塑料 PEEK ULTEM 的独特之处
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  PEEK：半结晶、强度高、难加工
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  ULTEM（PEI）：非结晶、刚性高、尺寸稳定
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  PPSU、PPS、PTFE 及同族其他聚合物
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  真正能保住公差的加工与退火规则
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  高性能热塑性塑料 PEEK ULTEM 及其他材料的性能对比

PP、PE、ABS 等通用聚合物在 80–120 °C 就会软化，在中等持续载荷下发生蠕变。高性能热塑性塑料 PEEK ULTEM 牌号能在这个温度以上很远仍保持形状。通常的工作定义是连续使用温度高于 150 °C，同时具备通用树脂达不到的强度、刚度和耐化学性组合。

差别在化学结构，不在添加剂。PEEK、PEI、PPSU、PPS 和 PTFE 的聚合物主链上都带有刚性芳环。这些环提高了链段相互滑移所需的能量，所以材料在高温下仍保持刚性。PEEK、PPS 等半结晶牌号还会形成有序区域，抵抗蠕变和疲劳。

这种结构是有代价的。高性能热塑性塑料 PEEK ULTEM 型材的价格是 POM 或 PA 的 20 到 60 倍。所以任何项目首先要问的不是哪种聚合物最强，而是通用树脂是否真的会失效。如果答案是不会，用高性能牌号就是浪费预算。

有三种失效模式值得升级材料：连续温度超过通用塑料上限；接触会侵蚀普通塑料的溶剂或蒸汽；需要在载荷下保持尺寸稳定数千小时。另外还有高温电绝缘和真空中低放气两项。其余情况通常还是回到 POM、PA 或 PC。

PEEK 是半结晶聚醚醚酮，熔点约 343 °C，玻璃化转变温度约 143 °C。未填充牌号的拉伸强度约为 90–100 MPa，30% 玻纤或碳纤版本刚度远高于此。连续使用到约 250 °C 仍保持有用的力学性能，短期可更高。

耐化学性是最大亮点。PEEK 能耐受大多数有机溶剂、燃料、液压油和热水，并抗蒸汽水解。只有浓硫酸等强酸和部分卤代化合物能侵蚀它。因此它常用于泵密封、阀座、轴承保持架和半导体工装。

加工 PEEK 对装夹不当毫不留情。材料导热差，切削热留在刀尖而不随切屑带走。最好用刃口锋利抛光、大正前角、大后角的硬质合金刀具。粗加工线速度 150–400 m/min，精加工放慢，每齿进给要足够大以避免摩擦。

不要让刀具停留。摩擦会产生高于玻璃化转变温度的局部热量，表面被抹平而不是被切削。用吹气或高压切削液排屑，因为 PEEK 切屑轻，容易堆积在型腔里。先粗加工，去应力，再精加工。粗精加工之间的退火通常为 150–200 °C、2–4 小时，视截面而定。

ULTEM 是聚醚酰亚胺的商品名，一种非结晶聚合物，玻璃化转变温度约 217 °C。由于是非结晶，它没有明显熔点，也没有会散射光的结晶相，所以本色牌号是透明琥珀色。连续使用到约 170 °C 仍能保持良好模量。

非结晶结构在机床上带来实际优势。ULTEM 的收缩远小于 PEEK，且更均匀，所以紧公差更容易稳定达到，试切次数更少。它在高温下抗蠕变性能也很好，因此常用于结构支架、连接器和飞机内饰件。

它没有的是耐溶剂性。PEI 会被部分卤代溶剂、某些酮类和强碱侵蚀，在这些环境中受载会应力开裂。它还吸湿，暴露在蒸汽或热水中会随时间劣化。选它是为了耐热和刚性，不是为了耐化学。

切削 ULTEM 比 PEEK 容易，但仍会磨损刀具。用硬质合金和锋利几何形状，线速度 200–500 m/min 效果良好。主要风险是加工后的应力开裂，由残余应力和清洗溶剂接触引起。在 200–220 °C 退火，并在清洗前确认车间打算用哪种除油剂。

PPSU（聚苯砜）在韧性和耐蒸汽性上接近 PEEK，但成本更低。它能反复蒸汽灭菌而不龟裂，因此广泛用于医疗托盘、手术器械手柄和可灭菌壳体。连续使用温度上限约 180 °C。它是不透明琥珀色，比 PEEK 更容易加工。

PPS（聚苯硫醚）是半结晶含硫聚合物，耐化学性良好，连续使用温度上限约 220 °C。未填充 PPS 较脆，泵壳体和发动机舱内零件通常采用玻纤或矿物填充牌号。它切削性能好，但会产生细粉尘，需要抽吸除尘。

PTFE 是耐化学性最强的材料，摩擦系数在所有常用聚合物中最低，使用温度范围约 -200 °C 至 260 °C。但它质地软、负载下蠕变严重、耐磨性差。纯 PTFE 不应作结构件使用。玻纤、碳纤或青铜填充牌号可提高刚度和耐磨性。

其他值得了解的聚合物包括 PAI（Torlon），用于约 250 °C 以下的高强度轴承件；PBI，用于接近 300 °C 的极端高温；以及 PSU，用于低成本透明件。每种材料都有取舍。没有单一最佳聚合物，只有与零件主要失效模式匹配的那一种。

塑料在加工后会变形。PEEK 和 ULTEM 在去除材料时都会释放内应力，零件向切削面弯曲。解决办法是粗加工留 0.5–1.0 mm 余量，退火，再精加工。跳过退火是聚合物零件一天后检验不合格的最常见原因。

装夹与刀具同样重要。这些材料有弹性，普通台钳压力可能在刀具接触前就把薄壁压变形。使用按零件轮廓加工的软爪、平板用真空吸盘，轻夹紧并在下方支撑。松开夹紧并在室温下测量。

冷却能保住刃口。多数 PEEK 和 ULTEM 加工用吹气即可。高压切削液有助于在深腔排屑，但之后必须彻底干燥，因为两种聚合物都吸湿，可能膨胀或留下污渍。对 PEEK 而言，不用切削液往往更稳妥。

热膨胀不是小效应。PEEK 每 °C 约膨胀 47 × 10⁻⁶，ULTEM 约 56 × 10⁻⁶，都是钢的数倍。100 mm 的 PEEK 零件在 20 °C 测量、25 °C 检验，相差约 0.024 mm。零件应保持在图纸温度下，否则车间里的公差标注没有意义。