硼纤维的特点和制备方法

1、特点和制备方法硼纤维 boron fibre王朔来自无机非1003班什么是硼纤维(boron fiber)? 实为实为钨丝或碳纤维钨丝或碳纤维为芯、表层为硼为芯、表层为硼的的皮芯型复合纤维皮芯型复合纤维。直径有。直径有100100、140140及及200m200m，密度，密度2.302.302.65g/cm2.65g/cm3 3，强度，强度3.23.25.2GPa5.2GPa，模量，模量350350400GPa400GPa。是良好。是良好的增强材料，可与金属、塑料或陶瓷复合，的增强材料，可与金属、塑料或陶瓷复合，制成高温结构用复合材料。制成高温结构用复合材料。硼纤维活性大硼纤维活性大，在制作复

2、合材料时易与基体相互作用，影在制作复合材料时易与基体相互作用，影响材料的使用，故通常在其上涂敷碳化硼、响材料的使用，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。它有什么优缺点呢? 硼纤维是硼纤维是高性能复合材料高性能复合材料重要的重要的纤维增强体纤维增强体之一，之一，属属脆性材料脆性材料，抗拉强度约，抗拉强度约35003500兆帕，弹性模量兆帕，弹性模量400400吉帕，吉帕，密度只有钢材的密度只有钢材的1 14 4，抗压缩性能好。在惰性气体中，抗压缩性能好。在惰性气体中，高温性能良好。在空气中超过高温性能良好。在空气中超过500500时，强度显著降低。时，

3、强度显著降低。硼纤维具有其他陶瓷纤维难以比拟的硼纤维具有其他陶瓷纤维难以比拟的高强度高强度、高模量高模量和和低密度低密度等特点，是制备高性能复合材料用的重要增强纤等特点，是制备高性能复合材料用的重要增强纤维材料。由于其高的比强度和比模量，在维材料。由于其高的比强度和比模量，在航空、航天和航空、航天和军工领域军工领域获得广泛应用。其缺点就是获得广泛应用。其缺点就是价格相对与其他增价格相对与其他增强体复合材料偏高强体复合材料偏高，实际生产生活中大规模推广应用有，实际生产生活中大规模推广应用有一定难度。一定难度。硼纤维的制备方法有哪些呢?化学气相沉积法化学气相沉积法( (卤化法卤化法) )有机金属法

4、有机金属法按按B B原料来源分类原料来源分类化学气相沉积法(卤化法)制备钨芯制备钨芯-BF-BF什么是化学气相沉积法? 预处理预处理: :用作芯材的钨丝先在用作芯材的钨丝先在NaOHNaOH中用电化中用电化学方法进行表面清洗及减小直径处理，控制直径约学方法进行表面清洗及减小直径处理，控制直径约为为1313mm，然后进入清洗室清除表面的氧化物。，然后进入清洗室清除表面的氧化物。W W丝丝( (约为约为1313mm) )清洗室清洗室 HH2 2 12001200沉积室沉积室 2BCl2BCl3 3+3H+3H2 22B+6HCl 13502B+6HCl 1350 涂覆室涂覆室 保护层保护层 B B

5、4 4C C3 3 厚厚2424mm 钨芯钨芯-BF -BF 直径约直径约100100mm制备碳芯制备碳芯-BF-BFt t碳纤维丝碳纤维丝( (约为约为3333mm) )裂解石墨室裂解石墨室(H(H2 2 +CH+CH4 4 ) )沉积室沉积室2BCl2BCl3 3+3H+3H2 22B+6HCl 13502B+6HCl 1350 涂覆室涂覆室 保护层保护层 B B4 4C C3 3 厚厚2424mm 碳芯碳芯-BF -BF 碳芯比钨芯强度降低了碳芯比钨芯强度降低了5%,5%,但是成本但是成本降低了降低了25%.25%.制备设备有机金属法制备硼纤维工艺有机金属法制备硼纤维工艺硼的有机金属化合

6、物硼的有机金属化合物( (三乙基硼三乙基硼/ /硼烷系化合物等硼烷系化合物等) )高温分解高温分解(600(600 底丝底丝 AlAl等等) )AlAl芯芯-BF-BFBF硼纤维的性能比较 复合材料性能与组分性能、组分分布以及组分间的复合材料性能与组分性能、组分分布以及组分间的物理、化学作用有密切关系。物理、化学作用有密切关系。用纤维增强塑料、混凝土、用纤维增强塑料、混凝土、陶瓷基体等，能使整体复合材料的强度、韧性增大，其陶瓷基体等，能使整体复合材料的强度、韧性增大，其抗疲劳、抗冲击性能也能得到很大的改善，其主要抗疲劳、抗冲击性能也能得到很大的改善，其主要原因原因就是就是因为当纤维定向或不定向

7、的分散在复合材料中时，因为当纤维定向或不定向的分散在复合材料中时，基体与纤维是紧密结合的，纤维将限制基体的变形，于基体与纤维是紧密结合的，纤维将限制基体的变形，于是在基体和纤维界面部分产生了剪应力，并通过剪应力是在基体和纤维界面部分产生了剪应力，并通过剪应力将复合材料承受的载荷合理地分配在纤维和基体两种组将复合材料承受的载荷合理地分配在纤维和基体两种组分上。分上。纤维会受到比基体更大的拉应力，这就是纤维起纤维会受到比基体更大的拉应力，这就是纤维起到增强的原因到增强的原因。纤维能阻滞基体微裂纹的扩展也是其增纤维能阻滞基体微裂纹的扩展也是其增强的一个重要原因。强的一个重要原因。 硼纤维增强复合材料

8、机理硼纤维增强复合材料机理硼纤维的增强复合材料a a、硼纤维增强铝基复合材料、硼纤维增强铝基复合材料硼纤维可用于增强铝、镁、铁等金属材料和硼纤维可用于增强铝、镁、铁等金属材料和树脂，但主要用于树脂，但主要用于增强金属材料它是现在唯增强金属材料它是现在唯一实用的金属增强用纤维一实用的金属增强用纤维。铝和硼纤维增强。铝和硼纤维增强体复合，可以把铝及铝合金良好的韧性、延体复合，可以把铝及铝合金良好的韧性、延展性和容易成形的优点与硼纤维的高强度、展性和容易成形的优点与硼纤维的高强度、耐烧蚀和重量轻等优点结合在一起，既克服耐烧蚀和重量轻等优点结合在一起，既克服了了增强体脆性的弱点增强体脆性的弱点，又弥补

9、了，又弥补了基体金属硬基体金属硬度不足和较重度不足和较重的缺点。的缺点。硼纤维增强铝基复合材料硼纤维增强铝基复合材料作为当前纤维强化金属的一个作为当前纤维强化金属的一个较典型的代表，具有较典型的代表，具有高的比强度和比模量高的比强度和比模量以及以及高强度和高强度和刚性刚性、轻重量轻重量、高导热性高导热性和和低热膨胀性低热膨胀性等突出优点，与等突出优点，与金属或树脂构成的复合材料与传统工程材料相比可减重金属或树脂构成的复合材料与传统工程材料相比可减重20% 40%。具有优异的疲劳强度和耐蚀性能，能在。具有优异的疲劳强度和耐蚀性能，能在300或更高的温度下安全工作，主要用于制造对重量或更高的温度下

10、安全工作，主要用于制造对重量和刚度要求高的航空、航天飞行器部件。它的出现为体和刚度要求高的航空、航天飞行器部件。它的出现为体积小、重量轻、高空性能好的飞机，提供了一种理想的积小、重量轻、高空性能好的飞机，提供了一种理想的材料。材料。b b、硼纤维增强环氧树脂复合材料、硼纤维增强环氧树脂复合材料 销售的的硼纤维大多数为销售的的硼纤维大多数为连续的硼连续的硼/ /环氧预浸带环氧预浸带，典型，典型宽度为宽度为6.4152mm6.4152mm。硼纤维并非定向排列，约占复合材料体。硼纤维并非定向排列，约占复合材料体积的积的50%50%。典型的加料方式为每厘米宽度上。典型的加料方式为每厘米宽度上8282根

11、丝以上，树根丝以上，树脂含量占脂含量占3035wt%3035wt%。制造时在预浸带背面贴一单层厚度为。制造时在预浸带背面贴一单层厚度为0.03mm0.03mm的的Style104Style104玻璃纱布。贴玻璃纱布的优点有两点：玻璃纱布。贴玻璃纱布的优点有两点：在处理和铺层时玻璃纱布给预浸带增加了横向整体性，同在处理和铺层时玻璃纱布给预浸带增加了横向整体性，同时在连接时有助于硼纤维保持间距和对准。时在连接时有助于硼纤维保持间距和对准。 硼纤维硼纤维/ /环氧复合材料除了具有高的比强度和比模量之环氧复合材料除了具有高的比强度和比模量之外，相对于炭纤维外，相对于炭纤维/ /环氧复合材料来讲环氧复合

12、材料来讲，还具有较大的热膨还具有较大的热膨胀系数以及不易与铝合金发生电化学腐蚀等特点胀系数以及不易与铝合金发生电化学腐蚀等特点。硼纤维复合材料的应用硼纤维复合材料的应用a a、航空航天领域的应用、航空航天领域的应用由于硼纤维具有独特的机械性能组合，硼纤维增强金属铝复合材料的韧性是铝合金的3倍，而质量仅为铝合金的2/3。所以硼纤维被大量用于军事航空和民用航空方面。其实硼纤维增强复合材料最初就是用在高性能飞机及宇宙飞船的构件上。比如，美国的F-15和F-14飞机的垂直尾翼、稳定器，轰炸机B-1的机翅纵向通材，直升机CH-54B、飞机F-4的方向舵，飞机707的机襟翼，飞机F-5的陆装置门，飞机T-

13、39的机翼箱等都使用硼纤维与环氧树脂复合材料，以及法国制造的幻影2000飞机，也采用了一些硼纤维复合材料。b b、体育用品领域的应用、体育用品领域的应用 在体育用品方面使用的大多数情况都是将在体育用品方面使用的大多数情况都是将硼纤维与碳纤维硼纤维与碳纤维制成混杂纤维复合材料制成混杂纤维复合材料，由硼纤维与碳纤维混杂纤维制成的高，由硼纤维与碳纤维混杂纤维制成的高尔夫球棒，兼有碳纤维球棒轻便和钢质球棒那样的打球感，这尔夫球棒，兼有碳纤维球棒轻便和钢质球棒那样的打球感，这样就使高尔夫球的飞行距离及飞行方向变的更加容易控制；用样就使高尔夫球的飞行距离及飞行方向变的更加容易控制；用硼纤维复合材料制成的网

14、球拍及羽毛球拍，能使击球的感觉和硼纤维复合材料制成的网球拍及羽毛球拍，能使击球的感觉和效果更好；在钓鱼竿上硼纤维的使用，使鱼竿在鱼上钩的时候效果更好；在钓鱼竿上硼纤维的使用，使鱼竿在鱼上钩的时候振动传递性更强，还增加了韧性，难折断；在滑雪板方面，硼振动传递性更强，还增加了韧性，难折断；在滑雪板方面，硼纤维因衰减性优异，减少板的纤维因衰减性优异，减少板的“挠度挠度”，能适应雪面的微妙变，能适应雪面的微妙变化化19,3519,35，滑行过程中更加舒适和安全。，滑行过程中更加舒适和安全。c c、工业制品领域的应用、工业制品领域的应用 由于硼纤维强度高，质量轻，物性好，可面向工业制品方面由于硼纤维强度高，质量轻，物性好，可面向工业制品方面进行开发。进行开发。硼纤维增强金属铝具有高导热系数和低热膨胀系数，可硼纤维增强金属铝具有高导热系数和低热膨胀系数，可用于制造半导体冷却基板；利用硼纤维硬度高的特性（用于制造半导体冷却基板；利用硼纤维硬度高的特性（硬度硬度3200Knoop3200Knoop）制切割轮工具等；硼纤维对中子具有吸收能力可用作制切割轮工具等；硼纤维对中子具有吸收能力可用作核废料的运输、贮存容器等；核废料的运输、贮存容器等；利用硼纤维的高压缩强度，在沥青系利用硼纤维的高压缩强度