硼纖維的特點和制備方法

1、特點和制備方法硼纖維 boron fibre王朔來自無機非1003班什么是硼纖維(boron fiber)? 實為實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合纖維皮芯型復合纖維。直徑有。直徑有100100、140140及及200m200m，密度，密度2.302.302.65g/cm2.65g/cm3 3，強度，強度3.23.25.2GPa5.2GPa，模量，模量350350400GPa400GPa。是良好。是良好的增強材料，可與金屬、塑料或陶瓷復合，的增強材料，可與金屬、塑料或陶瓷復合，制成高溫結構用復合材料。制成高溫結構用復合材料。硼纖維活性大硼纖維活性大，在制作復

2、合材料時易與基體相互作用，影在制作復合材料時易與基體相互作用，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)缺點呢? 硼纖維是硼纖維是高性能復合材料高性能復合材料重要的重要的纖維增強體纖維增強體之一，之一，屬屬脆性材料脆性材料，抗拉強度約，抗拉強度約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，強度顯著降低。時，

3、強度顯著降低。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度高強度、高模量高模量和和低密度低密度等特點，是制備高性能復合材料用的重要增強纖等特點，是制備高性能復合材料用的重要增強纖維材料。由于其高的比強度和比模量，在維材料。由于其高的比強度和比模量，在航空、航天和航空、航天和軍工領域軍工領域獲得廣泛應用。其缺點就是獲得廣泛應用。其缺點就是價格相對與其他增價格相對與其他增強體復合材料偏高強體復合材料偏高，實際生產生活中大規(guī)模推廣應用有，實際生產生活中大規(guī)模推廣應用有一定難度。一定難度。硼纖維的制備方法有哪些呢?化學氣相沉積法化學氣相沉積法( (鹵化法鹵化法) )有機金屬法

4、有機金屬法按按B B原料來源分類原料來源分類化學氣相沉積法(鹵化法)制備鎢芯制備鎢芯-BF-BF什么是化學氣相沉積法? 預處理預處理: :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方法進行表面清洗及減小直徑處理，控制直徑約學方法進行表面清洗及減小直徑處理，控制直徑約為為1313mm，然后進入清洗室清除表面的氧化物。，然后進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 保護層保護層 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 保護層保護層 B B4 4C C3 3 厚厚2424mm 碳芯碳芯-BF -BF 碳芯比鎢芯強度降低了碳芯比鎢芯強度降低了5%,5%,但是成本但是成本降低了降低了25%.25%.制備設備有機金屬法制備硼纖維工藝有機金屬法制備硼纖維工藝硼的有機金屬化合

6、物硼的有機金屬化合物( (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 復合材料性能與組分性能、組分分布以及組分間的復合材料性能與組分性能、組分分布以及組分間的物理、化學作用有密切關系。物理、化學作用有密切關系。用纖維增強塑料、混凝土、用纖維增強塑料、混凝土、陶瓷基體等，能使整體復合材料的強度、韌性增大，其陶瓷基體等，能使整體復合材料的強度、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為當纖維定向或不定向

7、的分散在復合材料中時，因為當纖維定向或不定向的分散在復合材料中時，基體與纖維是緊密結合的，纖維將限制基體的變形，于基體與纖維是緊密結合的，纖維將限制基體的變形，于是在基體和纖維界面部分產生了剪應力，并通過剪應力是在基體和纖維界面部分產生了剪應力，并通過剪應力將復合材料承受的載荷合理地分配在纖維和基體兩種組將復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。纖維會受到比基體更大的拉應力，這就是纖維起纖維會受到比基體更大的拉應力，這就是纖維起到增強的原因到增強的原因。纖維能阻滯基體微裂紋的擴展也是其增纖維能阻滯基體微裂紋的擴展也是其增強的一個重要原因。強的一個重要原因。 硼纖維增強復合材料

8、機理硼纖維增強復合材料機理硼纖維的增強復合材料a a、硼纖維增強鋁基復合材料、硼纖維增強鋁基復合材料硼纖維可用于增強鋁、鎂、鐵等金屬材料和硼纖維可用于增強鋁、鎂、鐵等金屬材料和樹脂，但主要用于樹脂，但主要用于增強金屬材料它是現(xiàn)在唯增強金屬材料它是現(xiàn)在唯一實用的金屬增強用纖維一實用的金屬增強用纖維。鋁和硼纖維增強。鋁和硼纖維增強體復合，可以把鋁及鋁合金良好的韌性、延體復合，可以把鋁及鋁合金良好的韌性、延展性和容易成形的優(yōu)點與硼纖維的高強度、展性和容易成形的優(yōu)點與硼纖維的高強度、耐燒蝕和重量輕等優(yōu)點結合在一起，既克服耐燒蝕和重量輕等優(yōu)點結合在一起，既克服了了增強體脆性的弱點增強體脆性的弱點，又彌補

9、了，又彌補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。的缺點。硼纖維增強鋁基復合材料硼纖維增強鋁基復合材料作為當前纖維強化金屬的一個作為當前纖維強化金屬的一個較典型的代表，具有較典型的代表，具有高的比強度和比模量高的比強度和比模量以及以及高強度和高強度和剛性剛性、輕重量輕重量、高導熱性高導熱性和和低熱膨脹性低熱膨脹性等突出優(yōu)點，與等突出優(yōu)點，與金屬或樹脂構成的復合材料與傳統(tǒng)工程材料相比可減重金屬或樹脂構成的復合材料與傳統(tǒng)工程材料相比可減重20% 40%。具有優(yōu)異的疲勞強度和耐蝕性能，能在。具有優(yōu)異的疲勞強度和耐蝕性能，能在300或更高的溫度下安全工作，主要用于制造對重量或更高的溫度下

10、安全工作，主要用于制造對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，提供了一種理想的積小、重量輕、高空性能好的飛機，提供了一種理想的材料。材料。b b、硼纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料、硼纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料 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)氧預浸帶環(huán)氧預浸帶，典型，典型寬度為寬度為6.4152mm6.4152mm。硼纖維并非定向排列，約占復合材料體。硼纖維并非定向排列，約占復合材料體積的積的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%。制造時在預浸帶背面貼一單層厚度為。制造時在預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)點有兩點：玻璃紗布。貼玻璃紗布的優(yōu)點有兩點：在處理和鋪層時玻璃紗布給預浸帶增加了橫向整體性，同在處理和鋪層時玻璃紗布給預浸帶增加了橫向整體性，同時在連接時有助于硼纖維保持間距和對準。時在連接時有助于硼纖維保持間距和對準。 硼纖維硼纖維/ /環(huán)氧復合材料除了具有高的比強度和比模量之環(huán)氧復合材料除了具有高的比強度和比模量之外，相對于炭纖維外，相對于炭纖維/ /環(huán)氧復合材料來講環(huán)氧復合

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)生電化學腐蝕等特點脹系數(shù)以及不易與鋁合金發(fā)生電化學腐蝕等特點。硼纖維復合材料的應用硼纖維復合材料的應用a a、航空航天領域的應用、航空航天領域的應用由于硼纖維具有獨特的機械性能組合，硼纖維增強金屬鋁復合材料的韌性是鋁合金的3倍，而質量僅為鋁合金的2/3。所以硼纖維被大量用于軍事航空和民用航空方面。其實硼纖維增強復合材料最初就是用在高性能飛機及宇宙飛船的構件上。比如，美國的F-15和F-14飛機的垂直尾翼、穩(wěn)定器，轟炸機B-1的機翅縱向通材，直升機CH-54B、飛機F-4的方向舵，飛機707的機襟翼，飛機F-5的陸裝置門，飛機T-

13、39的機翼箱等都使用硼纖維與環(huán)氧樹脂復合材料，以及法國制造的幻影2000飛機，也采用了一些硼纖維復合材料。b b、體育用品領域的應用、體育用品領域的應用 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合材料制成混雜纖維復合材料，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候振動傳遞性更強，還增加了韌性，難折斷；在滑雪板方面，硼振動傳遞性更強，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”，能適應雪面的微妙變，能適應雪面的微妙變化化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)制品領域的應用、工業(yè)制品領域的應用 由于硼纖維強度高，質量輕，物性好，可面向工業(yè)制品方面由于硼纖維強度高，質量輕，物性好，可面向工業(yè)制品方面進行開發(fā)。進行開發(fā)。硼纖維增強金屬鋁具有高導熱系數(shù)和低熱膨脹系數(shù)，可硼纖維增強金屬鋁具有高導熱系數(shù)和低熱膨脹系數(shù)，可用于制造半導體冷卻基板；利用硼纖維硬度高的特性（用于制造半導體冷卻基板；利用硼纖維硬度高的特性（硬度硬度3200Knoop3200Knoop）制切割輪工具等；硼纖維對中子具有吸收能力可用作制切割輪工具等；硼纖維對中子具有吸收能力可用作核廢料的運輸、貯存容器等；核廢料的運輸、貯存容器等；利用硼纖維的高壓縮強度，在瀝青系利用硼纖維的高壓縮強度