硼纖維的特點(diǎn)和制備方法

1、特點(diǎn)和制備方法硼纖維 boron fibre王朔來自無機(jī)非1003班什么是硼纖維(boron fiber)? 實(shí)為實(shí)為鎢絲或碳纖維鎢絲或碳纖維為芯、表層為硼為芯、表層為硼的的皮芯型復(fù)合纖維皮芯型復(fù)合纖維。直徑有。直徑有100100、140140及及200m200m，密度，密度2.302.302.65g/cm2.65g/cm3 3，強(qiáng)度，強(qiáng)度3.23.25.2GPa5.2GPa，模量，模量350350400GPa400GPa。是良好。是良好的增強(qiáng)材料，可與金屬、塑料或陶瓷復(fù)合，的增強(qiáng)材料，可與金屬、塑料或陶瓷復(fù)合，制成高溫結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料。制成高溫結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料。硼纖維活性大硼纖維活性大，在制作復(fù)

2、合材料時(shí)易與基體相互作用，影在制作復(fù)合材料時(shí)易與基體相互作用，影響材料的使用，故通常在其上涂敷碳化硼、響材料的使用，故通常在其上涂敷碳化硼、碳化硅等涂料，以提高其惰性。碳化硅等涂料，以提高其惰性。它有什么優(yōu)缺點(diǎn)呢? 硼纖維是硼纖維是高性能復(fù)合材料高性能復(fù)合材料重要的重要的纖維增強(qiáng)體纖維增強(qiáng)體之一，之一，屬屬脆性材料脆性材料，抗拉強(qiáng)度約，抗拉強(qiáng)度約35003500兆帕，彈性模量兆帕，彈性模量400400吉帕，吉帕，密度只有鋼材的密度只有鋼材的1 14 4，抗壓縮性能好。在惰性氣體中，抗壓縮性能好。在惰性氣體中，高溫性能良好。在空氣中超過高溫性能良好。在空氣中超過500500時(shí)，強(qiáng)度顯著降低。時(shí)，

3、強(qiáng)度顯著降低。硼纖維具有其他陶瓷纖維難以比擬的硼纖維具有其他陶瓷纖維難以比擬的高強(qiáng)度高強(qiáng)度、高模量高模量和和低密度低密度等特點(diǎn)，是制備高性能復(fù)合材料用的重要增強(qiáng)纖等特點(diǎn)，是制備高性能復(fù)合材料用的重要增強(qiáng)纖維材料。由于其高的比強(qiáng)度和比模量，在維材料。由于其高的比強(qiáng)度和比模量，在航空、航天和航空、航天和軍工領(lǐng)域軍工領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。其缺點(diǎn)就是獲得廣泛應(yīng)用。其缺點(diǎn)就是價(jià)格相對(duì)與其他增價(jià)格相對(duì)與其他增強(qiáng)體復(fù)合材料偏高強(qiáng)體復(fù)合材料偏高，實(shí)際生產(chǎn)生活中大規(guī)模推廣應(yīng)用有，實(shí)際生產(chǎn)生活中大規(guī)模推廣應(yīng)用有一定難度。一定難度。硼纖維的制備方法有哪些呢?化學(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法( (鹵化法鹵化法) )有機(jī)金屬法

4、有機(jī)金屬法按按B B原料來源分類原料來源分類化學(xué)氣相沉積法(鹵化法)制備鎢芯制備鎢芯-BF-BF什么是化學(xué)氣相沉積法? 預(yù)處理預(yù)處理: :用作芯材的鎢絲先在用作芯材的鎢絲先在NaOHNaOH中用電化中用電化學(xué)方法進(jìn)行表面清洗及減小直徑處理，控制直徑約學(xué)方法進(jìn)行表面清洗及減小直徑處理，控制直徑約為為1313mm，然后進(jìn)入清洗室清除表面的氧化物。，然后進(jìn)入清洗室清除表面的氧化物。W W絲絲( (約為約為1313mm) )清洗室清洗室 HH2 2 12001200沉積室沉積室 2BCl2BCl3 3+3H+3H2 22B+6HCl 13502B+6HCl 1350 涂覆室涂覆室 保護(hù)層保護(hù)層 B B

5、4 4C C3 3 厚厚2424mm 鎢芯鎢芯-BF -BF 直徑約直徑約100100mm制備碳芯制備碳芯-BF-BFt t碳纖維絲碳纖維絲( (約為約為3333mm) )裂解石墨室裂解石墨室(H(H2 2 +CH+CH4 4 ) )沉積室沉積室2BCl2BCl3 3+3H+3H2 22B+6HCl 13502B+6HCl 1350 涂覆室涂覆室 保護(hù)層保護(hù)層 B B4 4C C3 3 厚厚2424mm 碳芯碳芯-BF -BF 碳芯比鎢芯強(qiáng)度降低了碳芯比鎢芯強(qiáng)度降低了5%,5%,但是成本但是成本降低了降低了25%.25%.制備設(shè)備有機(jī)金屬法制備硼纖維工藝有機(jī)金屬法制備硼纖維工藝硼的有機(jī)金屬化合

6、物硼的有機(jī)金屬化合物( (三乙基硼三乙基硼/ /硼烷系化合物等硼烷系化合物等) )高溫分解高溫分解(600(600 底絲底絲 AlAl等等) )AlAl芯芯-BF-BFBF硼纖維的性能比較 復(fù)合材料性能與組分性能、組分分布以及組分間的復(fù)合材料性能與組分性能、組分分布以及組分間的物理、化學(xué)作用有密切關(guān)系。物理、化學(xué)作用有密切關(guān)系。用纖維增強(qiáng)塑料、混凝土、用纖維增強(qiáng)塑料、混凝土、陶瓷基體等，能使整體復(fù)合材料的強(qiáng)度、韌性增大，其陶瓷基體等，能使整體復(fù)合材料的強(qiáng)度、韌性增大，其抗疲勞、抗沖擊性能也能得到很大的改善，其主要抗疲勞、抗沖擊性能也能得到很大的改善，其主要原因原因就是就是因?yàn)楫?dāng)纖維定向或不定向

7、的分散在復(fù)合材料中時(shí)，因?yàn)楫?dāng)纖維定向或不定向的分散在復(fù)合材料中時(shí)，基體與纖維是緊密結(jié)合的，纖維將限制基體的變形，于基體與纖維是緊密結(jié)合的，纖維將限制基體的變形，于是在基體和纖維界面部分產(chǎn)生了剪應(yīng)力，并通過剪應(yīng)力是在基體和纖維界面部分產(chǎn)生了剪應(yīng)力，并通過剪應(yīng)力將復(fù)合材料承受的載荷合理地分配在纖維和基體兩種組將復(fù)合材料承受的載荷合理地分配在纖維和基體兩種組分上。分上。纖維會(huì)受到比基體更大的拉應(yīng)力，這就是纖維起纖維會(huì)受到比基體更大的拉應(yīng)力，這就是纖維起到增強(qiáng)的原因到增強(qiáng)的原因。纖維能阻滯基體微裂紋的擴(kuò)展也是其增纖維能阻滯基體微裂紋的擴(kuò)展也是其增強(qiáng)的一個(gè)重要原因。強(qiáng)的一個(gè)重要原因。 硼纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

8、機(jī)理硼纖維增強(qiáng)復(fù)合材料機(jī)理硼纖維的增強(qiáng)復(fù)合材料a a、硼纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料、硼纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料硼纖維可用于增強(qiáng)鋁、鎂、鐵等金屬材料和硼纖維可用于增強(qiáng)鋁、鎂、鐵等金屬材料和樹脂，但主要用于樹脂，但主要用于增強(qiáng)金屬材料它是現(xiàn)在唯增強(qiáng)金屬材料它是現(xiàn)在唯一實(shí)用的金屬增強(qiáng)用纖維一實(shí)用的金屬增強(qiáng)用纖維。鋁和硼纖維增強(qiáng)。鋁和硼纖維增強(qiáng)體復(fù)合，可以把鋁及鋁合金良好的韌性、延體復(fù)合，可以把鋁及鋁合金良好的韌性、延展性和容易成形的優(yōu)點(diǎn)與硼纖維的高強(qiáng)度、展性和容易成形的優(yōu)點(diǎn)與硼纖維的高強(qiáng)度、耐燒蝕和重量輕等優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起，既克服耐燒蝕和重量輕等優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起，既克服了了增強(qiáng)體脆性的弱點(diǎn)增強(qiáng)體脆性的弱點(diǎn)，又彌補(bǔ)

9、了，又彌補(bǔ)了基體金屬硬基體金屬硬度不足和較重度不足和較重的缺點(diǎn)。的缺點(diǎn)。硼纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料硼纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料作為當(dāng)前纖維強(qiáng)化金屬的一個(gè)作為當(dāng)前纖維強(qiáng)化金屬的一個(gè)較典型的代表，具有較典型的代表，具有高的比強(qiáng)度和比模量高的比強(qiáng)度和比模量以及以及高強(qiáng)度和高強(qiáng)度和剛性剛性、輕重量輕重量、高導(dǎo)熱性高導(dǎo)熱性和和低熱膨脹性低熱膨脹性等突出優(yōu)點(diǎn)，與等突出優(yōu)點(diǎn)，與金屬或樹脂構(gòu)成的復(fù)合材料與傳統(tǒng)工程材料相比可減重金屬或樹脂構(gòu)成的復(fù)合材料與傳統(tǒng)工程材料相比可減重20% 40%。具有優(yōu)異的疲勞強(qiáng)度和耐蝕性能，能在。具有優(yōu)異的疲勞強(qiáng)度和耐蝕性能，能在300或更高的溫度下安全工作，主要用于制造對(duì)重量或更高的溫度下

10、安全工作，主要用于制造對(duì)重量和剛度要求高的航空、航天飛行器部件。它的出現(xiàn)為體和剛度要求高的航空、航天飛行器部件。它的出現(xiàn)為體積小、重量輕、高空性能好的飛機(jī)，提供了一種理想的積小、重量輕、高空性能好的飛機(jī)，提供了一種理想的材料。材料。b b、硼纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料、硼纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料 銷售的的硼纖維大多數(shù)為銷售的的硼纖維大多數(shù)為連續(xù)的硼連續(xù)的硼/ /環(huán)氧預(yù)浸帶環(huán)氧預(yù)浸帶，典型，典型寬度為寬度為6.4152mm6.4152mm。硼纖維并非定向排列，約占復(fù)合材料體。硼纖維并非定向排列，約占復(fù)合材料體積的積的50%50%。典型的加料方式為每厘米寬度上。典型的加料方式為每厘米寬度上8282根

11、絲以上，樹根絲以上，樹脂含量占脂含量占3035wt%3035wt%。制造時(shí)在預(yù)浸帶背面貼一單層厚度為。制造時(shí)在預(yù)浸帶背面貼一單層厚度為0.03mm0.03mm的的Style104Style104玻璃紗布。貼玻璃紗布的優(yōu)點(diǎn)有兩點(diǎn)：玻璃紗布。貼玻璃紗布的優(yōu)點(diǎn)有兩點(diǎn)：在處理和鋪層時(shí)玻璃紗布給預(yù)浸帶增加了橫向整體性，同在處理和鋪層時(shí)玻璃紗布給預(yù)浸帶增加了橫向整體性，同時(shí)在連接時(shí)有助于硼纖維保持間距和對(duì)準(zhǔn)。時(shí)在連接時(shí)有助于硼纖維保持間距和對(duì)準(zhǔn)。 硼纖維硼纖維/ /環(huán)氧復(fù)合材料除了具有高的比強(qiáng)度和比模量之環(huán)氧復(fù)合材料除了具有高的比強(qiáng)度和比模量之外，相對(duì)于炭纖維外，相對(duì)于炭纖維/ /環(huán)氧復(fù)合材料來講環(huán)氧復(fù)合

12、材料來講，還具有較大的熱膨還具有較大的熱膨脹系數(shù)以及不易與鋁合金發(fā)生電化學(xué)腐蝕等特點(diǎn)脹系數(shù)以及不易與鋁合金發(fā)生電化學(xué)腐蝕等特點(diǎn)。硼纖維復(fù)合材料的應(yīng)用硼纖維復(fù)合材料的應(yīng)用a a、航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用、航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用由于硼纖維具有獨(dú)特的機(jī)械性能組合，硼纖維增強(qiáng)金屬鋁復(fù)合材料的韌性是鋁合金的3倍，而質(zhì)量?jī)H為鋁合金的2/3。所以硼纖維被大量用于軍事航空和民用航空方面。其實(shí)硼纖維增強(qiáng)復(fù)合材料最初就是用在高性能飛機(jī)及宇宙飛船的構(gòu)件上。比如，美國(guó)的F-15和F-14飛機(jī)的垂直尾翼、穩(wěn)定器，轟炸機(jī)B-1的機(jī)翅縱向通材，直升機(jī)CH-54B、飛機(jī)F-4的方向舵，飛機(jī)707的機(jī)襟翼，飛機(jī)F-5的陸裝置門，飛機(jī)T-

13、39的機(jī)翼箱等都使用硼纖維與環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，以及法國(guó)制造的幻影2000飛機(jī)，也采用了一些硼纖維復(fù)合材料。b b、體育用品領(lǐng)域的應(yīng)用、體育用品領(lǐng)域的應(yīng)用 在體育用品方面使用的大多數(shù)情況都是將在體育用品方面使用的大多數(shù)情況都是將硼纖維與碳纖維硼纖維與碳纖維制成混雜纖維復(fù)合材料制成混雜纖維復(fù)合材料，由硼纖維與碳纖維混雜纖維制成的高，由硼纖維與碳纖維混雜纖維制成的高爾夫球棒，兼有碳纖維球棒輕便和鋼質(zhì)球棒那樣的打球感，這爾夫球棒，兼有碳纖維球棒輕便和鋼質(zhì)球棒那樣的打球感，這樣就使高爾夫球的飛行距離及飛行方向變的更加容易控制；用樣就使高爾夫球的飛行距離及飛行方向變的更加容易控制；用硼纖維復(fù)合材料制成的網(wǎng)

14、球拍及羽毛球拍，能使擊球的感覺和硼纖維復(fù)合材料制成的網(wǎng)球拍及羽毛球拍，能使擊球的感覺和效果更好；在釣魚竿上硼纖維的使用，使魚竿在魚上鉤的時(shí)候效果更好；在釣魚竿上硼纖維的使用，使魚竿在魚上鉤的時(shí)候振動(dòng)傳遞性更強(qiáng)，還增加了韌性，難折斷；在滑雪板方面，硼振動(dòng)傳遞性更強(qiáng)，還增加了韌性，難折斷；在滑雪板方面，硼纖維因衰減性優(yōu)異，減少板的纖維因衰減性優(yōu)異，減少板的“撓度撓度”，能適應(yīng)雪面的微妙變，能適應(yīng)雪面的微妙變化化19,3519,35，滑行過程中更加舒適和安全。，滑行過程中更加舒適和安全。c c、工業(yè)制品領(lǐng)域的應(yīng)用、工業(yè)制品領(lǐng)域的應(yīng)用 由于硼纖維強(qiáng)度高，質(zhì)量輕，物性好，可面向工業(yè)制品方面由于硼纖維強(qiáng)度高，質(zhì)量輕，物性好，可面向工業(yè)制品方面進(jìn)行開發(fā)。進(jìn)行開發(fā)。硼纖維增強(qiáng)金屬鋁具有高導(dǎo)熱系數(shù)和低熱膨脹系數(shù)，可硼纖維增強(qiáng)金屬鋁具有高導(dǎo)熱系數(shù)和低熱膨脹系數(shù)，可用于制造半導(dǎo)體冷卻基板；利用硼纖維硬度高的特性（用于制造半導(dǎo)體冷卻基板；利用硼纖維硬度高的特性（硬度硬度3200Knoop3200Knoop）制切割輪工具等；硼纖維對(duì)中子具有吸收能力可用作制切割輪工具等；硼纖維對(duì)中子具有吸收能力可用作核廢料的運(yùn)輸、貯存容器等；核廢料的運(yùn)輸、貯存容器等；利用硼纖維的高壓縮強(qiáng)度，在瀝青系利用硼纖維的高壓縮強(qiáng)度