High-Performance Thermoplastic PEEK-Based Systems for Lunar Exploration

L’exploration lunaire présente des défis uniques pour la conception de nouveaux matériaux, en particulier pour les composants qui seront exposés à de fortes variations thermiques, au régolithe lunaire abrasif, au vide spatial et aux radiations. Les thermoplastiques haute performance, tels que le poly(éther éther cétone) (PEEK) et le poly(éther imide) (PEI), offrent une bonne combinaison de propriétés, notamment une résistance thermique élevée, une excellente stabilité chimique et de bonnes propriétés mécaniques. Ainsi, les mélanger pour former des systèmes à base de PEEK/PEI présente un intérêt particulier, car ils combinent la nature cristalline et la résistance aux solvants du PEEK, avec le caractère amorphe et la température de transition vitreuse élevée du PEI. Le mélange de méta-PEI (m-PEI) ou de para-PEI (p-PEI) au PEEK permet de contrôler la morphologie, le comportement thermique et les propriétés mécaniques. Ces systèmes multiphasiques pourraient constituer une matrice idéale pour développer des composites thermoplastiques afin d’atteindre les performances mécaniques supérieures nécessaires aux pièces structurelles. Ces mélanges de polymères présentent également le potentiel de générer des structures de PEEK poreux après l’extraction sélective du PEI, permettant ainsi une réduction de masse et ouvrant la voie à de nouvelles applications. Comprendre l’influence de la composition, de la miscibilité, de la cristallisation et des traitements post-production sur ces systèmes est donc essentiel pour optimiser leurs propriétés et développer de nouveaux matériaux adaptés aux applications lunaires. L’objectif principal de ce travail est de développer des matériaux polymères multiphasiques à base de poly(éther éther cétone) (PEEK), avec des morphologies hautement contrôlées, capables de résister à l’environnement lunaire en tant qu’élément de la structure d’un rover lunaire.

Abstract

The exploration of the Moon brings unique challenges for material design, particularly for components exposed to extreme thermal variations, abrasive lunar regolith, vacuum, and radiation. High-performance thermoplastics, such as poly(ether ether ketone) (PEEK) and poly(ether imide) (PEI), offer an attractive combination of properties, including high thermal resistance, excellent chemical stability, and good mechanical strength. Thus, blending them to prepare PEEK/PEI-based systems is of special interest because they combine the crystalline nature and solvent resistance of PEEK, with the amorphous character and high glass transition temperature of PEI. Blending PEEK with meta-PEI (m-PEI) or para-PEI (p-PEI) provides opportunities to tailor morphology, thermal behavior, and mechanical properties. These multiphase systems could provide an excellent matrix for the development of thermoplastic composites to reach the higher mechanical performance needed for structural parts. These polymer blends also present the potential to generate porous PEEK microstructures after selective PEI extraction, which could reduce weight and open new applications. Understanding the influence of composition, miscibility, crystallization, and post-processing treatments on these systems is therefore crucial to optimize their properties and develop new materials for demanding lunar applications. The main objective of this work is to develop multiphase polymer materials based on poly(ether ether ketone) (PEEK), with highly controlled morphologies, and capable of withstanding the lunar environment as part of the structure of a lunar rover.