第九章含硼纤维课件

第九章含硼纤维1第九章含硼纤维1主要内容第一节硼纤维第二节氮化硼纤维2主要内容第一节硼纤维2第一节硼纤维硼纤维其本质来说是一种脆性材料。它的原子序数为5，相对原子质量为10.81，熔点在2000℃以上，属半导体材料，其硬度仅次于金刚石，很难直接制成纤维状。一般是通过在超细的芯材（载体）上化学气相沉积硼来获得表层为硼、含有异质芯材的复合纤维。硼纤维（BF）是高强度和高模量的无机纤维。芯材通常选用钨丝或碳丝，也可用涂碳或涂钨的石英纤维。3第一节硼纤维硼纤维其本质来说是一种脆性材料。它的原子序数为第一节硼纤维美国于1956年最早制成硼纤维样品。1961年美国提出硼纤维研制课题。1963年，制成了可用于复合材料的硼纤维。1964年，改进了镀层设备，加强了自动化，并在当年生产出454kg硼纤维，其平均强度为206~245MPa。1966年在航天工业上获得应用。我国自20世纪70年代初开始实验室研究，在国家高技术研究计划资助下，目前的研究水平与国际研究水平已比较接近。4第一节硼纤维美国于1956年最早制成硼纤维样品。4硼纤维是应航空航天领域对材料日益严苛的要求而发展起来的。最早应用于高级复合材料的增强体，比玻璃纤维的弹性模量约高5~7倍，且拉伸强度和压缩强度也高，不仅可以以纤维形式使用，且可以作为环氧树脂、铝和钛的增强体。第一节硼纤维5硼纤维是应航空航天领域对材料日益严苛的要求而发展起来的。第一一、硼纤维的制备第一节硼纤维1、卤化法将BCl3和H2加热到1000℃以上，硼还原到钨丝或其他纤维状芯材上制得的连续单丝，芯材的直径一般为3.5~50μm。该方法工艺成熟，制得的硼纤维性能高，成本也高（钨丝价格贵，沉积温度高）。6一、硼纤维的制备第一节硼纤维1、卤化法6一、硼纤维的制备第一节硼纤维1、卤化法（1）卤化物制备钨芯BF的工艺工程

用作芯材的钨丝现在NaOH中用电化学方法进行表面清洗及减小直径处理，控制直径约为13μm，然后进入清洗室清除表面存在的氧化物等，将其放入温度为1120~1200℃的第一沉积室，使氢和三氯化硼混合物按下式反应：

2BCl3+3H2=2B+6HCl7一、硼纤维的制备第一节硼纤维1、卤化法7一、硼纤维的制备第一节硼纤维1、卤化法（1）卤化物制备钨芯BF的工艺工程

反应产物硼即沉积在钨丝上并向钨丝中扩散，与钨发生固态反应形成WB4、δ-WB等硼化物。此阶段仅有少量硼沉积。此后将钨丝放入第二沉积室，温度控制在1200~1300℃，硼的沉积速度加快，最后制得硼纤维。8一、硼纤维的制备第一节硼纤维1、卤化法8一、硼纤维的制备第一节硼纤维1、卤化法（1）卤化物制备钨芯BF的工艺工程

为避免硼纤维增强金属时发生不良的界面反应，通常在纤维表面覆以涂层，因此在第二沉积室后设有涂覆室，通入H2、BCl3及CH4，反应生成的碳化硼沉积于纤维表面。反应式如下：4BCl3+4H2+

CH4=B4C+12HCl9一、硼纤维的制备第一节硼纤维1、卤化法9一、硼纤维的制备第一节硼纤维1、卤化法（2）卤化物制备碳芯BF的工艺工程

制造硼-碳芯纤维是将清洗室改为裂解石墨室，直径为33μm的煤沥青纤维通过裂解石墨室，在碳纤维上涂一层裂解石墨，然后进入硼沉积室碳纤维表面沉积硼。制备碳芯硼纤维时，反应室温度高于制备钨丝硼纤维，沉积速率提高40%，使碳芯硼纤维成本降低。10一、硼纤维的制备第一节硼纤维1、卤化法10一、硼纤维的制备第一节硼纤维2、有机金属法有机金属法是将硼的有机金属化合物如三乙基硼或硼烷系的化合物（B2H6或B5H4）进行高温分解，使硼沉积到底丝上。因为沉积温度低于600℃，可采用Al丝作底丝，所以硼纤维的生产成本大大降低，但使用温度和性能也随之降低。11一、硼纤维的制备第一节硼纤维2、有机金属法11二、硼纤维的结构与性能第一节硼纤维硼纤维是复合纤维：中心是钨丝，直径12~25μm；钨丝外是B-W区，元素B向W表面扩散，反应形成WB、W2B5、WB4等；外表是无定形碳。钨芯硼纤维表面具有玉米棒子似的结构，表面相当粗糙，呈瘤状形态，故与树脂具有较好的结合强度。涂B3C4后，可是表面光滑性增加。12二、硼纤维的结构与性能第一节硼纤维硼纤维是复合纤维二、硼纤维的结构与性能第一节硼纤维而碳芯硼纤维，由于碳芯经裂解气体处理，表面比较光滑，沉积硼后仍然保持光滑表面，从而使它与树脂的结合力较低，使复合材料的横向强度下降。13二、硼纤维的结构与性能第一节硼纤维而碳芯硼纤维，由二、硼纤维的结构与性能第一节硼纤维在200℃左右硼纤维性能基本不变；而在330℃、1000小时硼纤维强度将损失70％；而加热到650℃时硼纤维强度将完全丧失。

它可作为树脂基复合材料增强体，不宜作为金属基复合材料增强体，常温下，硼纤维惰性高；高于650℃时，硼纤维会与金属反应。14二、硼纤维的结构与性能第一节硼纤维在200℃左右硼二、硼纤维的结构与性能第一节硼纤维硼纤维性能的主要特点是弹性模量高，直径大，其复合材料纵向压缩强度高于任何纤维复合材料。但由于成本高，密度大，以及纤维直径大、质硬、不能编织，导致成型性较差，故目前已被碳纤维取代，很少用它制备树脂基复合材料，主要用于金属基复合材料如硼/铝及硼/钛复合材料。15二、硼纤维的结构与性能第一节硼纤维硼纤维性能的主要特点三、硼纤维的应用第一节硼纤维⑴硼纤维增强塑料与金属最初用于B1轰炸机和F14战斗机，B/Al的韧性是铝合金的3倍，质量仅为铝合金的2/3。⑵硼纤维与铝复合时一般带有SiC涂层，可用于发动机的风扇叶片、压气机叶片和一些飞机与卫星的构件；能减重22～66％。16三、硼纤维的应用第一节硼纤维⑴硼纤维增强塑料与金属最初用三、硼纤维的应用第一节硼纤维⑶硼纤维增强钛时需经B4C涂层，主要用于制作航空发动机压气机叶片和工作温度550～650℃的耐热零件。⑷硼纤维受其价格高的限制而未获得更广泛的应用。17三、硼纤维的应用第一节硼纤维⑶硼纤维增强钛时需经B4C涂第二节氮化硼纤维氮化硼纤维是20世纪60年代由美国研制成功的。氮化硼纤维的制造方法是先将B2O3熔融纺成的前驱体纤维在高温800℃氨蒸汽中进行氮化处理制得氮化硼纤维，然后在2000℃下热牵伸烧结而成。反应式如下：

B2O3+2NH3=2BN+3H2O由于氮化反应过程中气态的氨与固态的B2O3之间的反应为非均相反应，所以制得的氮化硼纤维质量不均匀。此法得到的氮化硼纤维拉伸强度为200MPa，拉伸模量为345GPa。18第二节氮化硼纤维氮化硼纤维是20世纪60年代由美国研制成功第二节氮化硼纤维还可由硼纤维制取氮化硼纤维。方法是：先将硼纤维加热到560℃作氧化处理后，再将得到的氧化硼纤维在1000~1400℃的NH3气氛中氮化约6h制得氮化硼纤维。通常，氮化硼纤维在N2中可使用到2000℃，最高可达2500℃，晶粒尺寸和失重没有明显变化，其熔点为3000℃。经分析结果推测，氮化硼纤维具有六元氮硼环结构，加之B-N键强，使得氮化硼具有突出的耐热性和抗氧化性。19第二节氮化硼纤维还可由硼纤维制取氮化硼纤维。19第二节氮化硼纤维

在空气中，氧化开始温度为850℃，当B2O3膜形成后，使用温度可达1300℃。美国金刚砂公司试制的氮化硼纤维，密度为1.8~1.9g/cm³，单丝直径6μm，拉伸强度和模量分别为830MPa和210GPa。氮化硼纤维能耐常用酸碱的腐蚀，对400℃的氯化锂、氯化钾共溶液以及铝、铁等熔体都有良好的抗侵蚀能力。与高温工程陶瓷等基体有良好的化学相容性。因氮化硼纤维是少数能被熔融铝润湿的材料之一，故可用于制造金属铝基复合材料。还可以做熔融铝及铁的过滤材料，以及制成耐化学侵蚀、防原子和中子的防护服等。20第二节氮化硼纤维在空气中，氧化开始温度为850℃，当B2第十章晶须21第十章晶须21主要内容硼酸铝晶须钛酸钾晶须氧化锌晶须碳晶须磷酸钙晶须22主要内容硼酸铝晶须22第十章晶须晶须：是指由高纯度单晶生长而成的直径几微米，长度几十微米的单晶纤维材料。

由于其原子结构排列高度有序，结构完整难以容纳大晶体中常存的缺陷，故其机械强度近似等于原子间价键力的理论强度，是一类力学性能十分优异的新型复合材料补强增韧材料。23第十章晶须晶须：是指由高纯度单晶生长而成的直径几微米，长度第十章晶须根据化学成分不同，晶须可分为陶瓷晶须和金属晶须两类。陶瓷晶须包括氧化物（BeO、Al2O3）晶须、非氧化物（SiC、Si3N4、SiN）晶须；金属晶须包括Cu、Cr、Fe、Ni晶须等。24第十章晶须根据化学成分不同，晶须可分为陶瓷晶须和金属晶须两第十章晶须晶须的制造包括焦化法（制造SiC晶须）、气液固法（制造SiC和碳晶须）、气相反应法（制造碳、石墨晶须）、电弧法（制造碳、石墨晶须）。晶须特别适用于增强金属与陶瓷。目前除了SiC晶须已获得应用外，又继续开发出硼酸铝、钛酸钾等晶须，因此新型晶须的研究是当前颇为热门的课题。25第十章晶须晶须的制造包括焦化法（制造SiC晶须）、气液固法第一节硼酸铝晶须外观：白色针状分子量：1056.88直径：0.5－1um长度：5－30um相对密度：2.90-2.94拉伸强度：8Gpa

莫氏硬度：7弹性模量：400Mpa耐热性：1420℃~1460℃

热膨胀系数：4.2×10－6/℃26第一节硼酸铝晶须外观：白色针状分子量：1056.第一节硼酸铝晶须硼酸铝晶须外观：白色针状

27第一节硼酸铝晶须硼酸铝晶须第一节硼酸铝晶须制备方法：①熔融法，即将Al2O3与B2O3在2100℃熔化，再缓冷析出晶须；②气相法，即将B2O3

在1000~1400℃气态的氟化铝气氛中通入水蒸气，使之起反应生成硼酸铝晶须；③内熔剂法，即用B2O3

和高硼酸钠作熔剂与Al2O3

在1200~1400℃下反应生成；28第一节硼酸铝晶须制备方法：28第一节硼酸铝晶须制备方法：④适用于工业化生产的外熔剂法，即在Al2O3与B2O3

中加入仅作为熔剂的金属氧化物、碳酸盐或硫酸盐，加热到800~1000℃可得到2Al2O3·B2O3，进一步加热到1000~1200℃则得到92Al2O3·2B2O3

。但这种方法得到的晶须制品需进一步进行解纤处理。我国于20世纪90年代初也研制出这种晶须，目前正在开发应用中。29第一节硼酸铝晶须制备方法：29第二节钛酸钾晶须钛酸钾晶须是在1948年美国偶然发现的一种接近理论强度的单晶纤维。该种晶须是一种廉价而性能较好的晶须，由于用它增强铝的复合材料有很好的切削加工性能而受到关注。30第二节钛酸钾晶须钛酸钾晶须是在1948年美国偶然发现的一种第二节钛酸钾晶须制备方法：①烧结法，把K2CO3和TiO2混合物在一定时间内烧结，可得到高收率的单晶纤维，但结晶性不太好；②熔融法，将原料熔融、冷却来培育晶须，但单晶的收率较低；③热水法，在高压下使原料在热水中反应而生长晶体；④溶剂法，使原料在溶剂中反应，可得到高收率的单晶纤维，结晶性好。31第二节钛酸钾晶须制备方法：31第二节钛酸钾晶须性能：钛酸钾晶须直径约为0.2~1.5μm，长度为10~100μm，硬度低，抗磨损性较差，与铝相容性较差，所制备的铝基复合材料强度和模量较低。钛酸钾晶须增强铝基复合材料可以采用压铸法制造，也可以采用包覆铝的钛酸钾晶须与铝粉混合，再进行挤压的方法来制造。32第二节钛酸钾晶须性能：32第二节钛酸钾晶须性能：钛酸钾晶须经过表面处理后具有亲油性，纤维细，渗透压低，与溶液亲和性良好，耐碱性好，可作为过滤器材料和隔膜材料。钛酸钾晶须耐老化性好，有良好的抗磨损性能，可以代替石棉制作汽车热塑性复合材料，加入晶须后，熔融树脂的黏度上升不快，成型后纤维长度几乎不变短，可以像无填料一样利用注射和压铸工艺制得形状复杂的制品。33第二节钛酸钾晶须性能：33第二节钛酸钾晶须性能：钛酸钾晶须较软，对成型加工设备和金属模具的磨损小。可以用硅烷偶联剂对晶须进行表面处理，进一步改善制品的加工性和物理性能。这种晶须的最大缺点是容易与熔融的铝液发生界面反应而生成γ-Al2O3和TiO2

，有待研究解决。34第二节钛酸钾晶须性能：34第三节氧化锌晶须四针状氧化锌晶须是晶须家族中目前发现的唯一具有规整结构的四针状晶须。正是由于其独特的结构，除其可较大幅度提高复合材料的力学性能外，还可赋予材料功能性。35第三节氧化锌晶须四针状氧化锌晶须是晶须家族中目前发现的唯一第三节氧化锌晶须作为增强体，能起到使复合材料具有各向同性的作用，从力学上考虑，这种形式的增强体将会明显改善复合材料的强度。由于ZnO本身有一定压电性能，所以其复合材料具有吸振效果；另外ZnO具有导电性，能使其增强聚合物的复合材料作为抗静电和屏蔽材料使用。36第三节氧化锌晶须作为增强体，能起到使复合材料具有各向同性的普通氧化锌晶须四针状氧化锌晶须37普通氧化锌晶须四针状氧化锌晶须37第三节氧化锌晶须制备方法：①将表面含有一层氧化膜的锌粉先在惰性气氛中加热气化，然后再与含氧气体接触制备T-ZnO晶须。②将表面含有一层氧化膜的锌粉在含氧的气氛中直接加热气化获得T-ZnO晶须。③将表面含有一层氧化膜的锌粉与沸石混合后，在含氧的气氛中加热气化制备T-ZnO晶须。④将锌粉和碳粉混合后，在空气中加热制备T-ZnO晶须。38第三节氧化锌晶须制备方法：38第三节氧化锌晶须性能：①高的形态规整性及尺寸均一性。②各向同性。③半导体性质。④吸收紫外线。⑤高密度。39第三节氧化锌晶须性能：39第四节碳晶须碳晶须属于非金属晶须，含碳量99.84%，含氢量0.15%，为针状单晶。直径从亚微米至数微米，长为数十微米并具有高度的结晶完整性。由于碳晶须的位错密度低、孔隙率低、表面缺陷少以及不存在晶界，故具有极高的强度。40第四节碳晶须碳晶须属于非金属晶须，含碳量99.84%，含氢第四节碳晶须41制备方法：

碳晶须的制备采用气相合成法，即在管式炉中以氢气为载体通入苯、甲烷或乙烯，在有铁、钴、镍等催化剂存在下将基极加热到1050~1100℃而制得碳丝。其制备工艺类似于气相生长碳纤维。第四节碳晶须41制备方法：第四节碳晶须42性能：

碳晶须的拉伸强度为690~3335MPa，弹性模量为300~412GPa，延伸率为0.2~0,8%；在空气中可耐700℃，在惰性气体中可耐3000℃；热膨胀系数小；受中子照射尺寸变化小；耐磨性、自润滑性优良；与生物体的适应性好。作为高性能复合材料增强体，可增强金属、橡胶和水泥；可作为电子材料、原子能工业材料应用等。第四节碳晶须42性能：第五节磷酸钙晶须43磷酸钙晶须由于具有良好的生物活性和生物相容性，对人体无毒副作用，成为生物材料最佳的增强材料。与其他晶须相比，它不仅能克服陶瓷材料的脆性，而且具有良好的生物相容性及骨传导作用。第五节磷酸钙晶须43磷酸钙晶须由于具有44制备方法：①琼脂凝胶生长法

是将琼脂溶解于沸腾的Ca（NO3）2溶液中，然后冷却到室温使凝胶凝固。之后将一定浓度的（NH4）2HPO4溶液小心地倒入凝胶中，在室温下使钙离子和磷酸根离子反应生成羟基磷灰石晶须。若在琼脂凝胶系统中加入F-，F-会取代羟基磷灰石晶须中的羟基基团，从而提高了磷酸钙晶须的结晶度和热稳定性。第五节磷酸钙晶须44制备方法：第五节磷酸钙晶须45制备方法：①琼脂凝胶生长法

该法是合成晶体的一种有效的方法。工艺简单，生长过程容易控制。

缺点是该晶须为中空纤维，并呈折线形生长，结晶度差，含有一定的钙缺陷，力学性能差。第五节磷酸钙晶须45制备方法：第五节磷酸钙晶须46制备方法：②均匀沉淀法

通过控制离子在体系中的释放速度，使晶须按一定方式生长的方法。在制备过程中首先制备含钙和磷酸根的均匀饱和溶液，然后通过对溶液的pH值的控制，达到控制离子在体系中的释放速度或成核速度，使晶核生长。其中含钙原料主要有Ca（OH）2、乳酸钙、草酸钙等，含磷酸根原料主要有磷酸、磷酸铵等以及其他有机磷化合物。该法是制备具有较好结晶度的羟基磷灰石晶须的一种新方法。第五节磷酸钙晶须46制备方法：第五节磷酸钙晶须47制备方法：③玻璃结晶法

是利用磷酸盐玻璃结晶形成纤维状β-Ca（PO3）2的特性以及超磷酸钙玻璃的化学不稳定性，将磷酸盐玻璃在一定温度下结晶并通过浸渍法将化学不稳定的可溶性玻璃溶出，从而形成β-Ca（PO3）2

纤维。第五节磷酸钙晶须47制备方法：第五节磷酸钙晶须48制备方法：④水热法

水热法合成羟基磷灰石晶须的研究是近几年才开始的。该法是将原料放在高压釜较热的底部，晶种悬挂在温度较低的上端，将高压釜内填充适当的溶剂介质，釜内由于温差上下部产生对流，这样可将高温饱和溶液带至晶种区形成过饱和而结晶，使得通常难溶或不溶的物质在高温高压下溶解且重新结晶。第五节磷酸钙晶须48制备方法：第五节磷酸钙晶须49制备方法：④水热法

该法合成的羟基磷酸钙晶须直径1~4μm，长径比为5~35，再经800~900℃，1h热压烧结，可制得多孔羟基磷灰石陶瓷。

该法制得的晶须纯度高，形状单一且有较高的结晶度。第五节磷酸钙晶须49制备方法：第五节磷酸钙晶须第九章含硼纤维50第九章含硼纤维1主要内容第一节硼纤维第二节氮化硼纤维51主要内容第一节硼纤维2第一节硼纤维硼纤维其本质来说是一种脆性材料。它的原子序数为5，相对原子质量为10.81，熔点在2000℃以上，属半导体材料，其硬度仅次于金刚石，很难直接制成纤维状。一般是通过在超细的芯材（载体）上化学气相沉积硼来获得表层为硼、含有异质芯材的复合纤维。硼纤维（BF）是高强度和高模量的无机纤维。芯材通常选用钨丝或碳丝，也可用涂碳或涂钨的石英纤维。52第一节硼纤维硼纤维其本质来说是一种脆性材料。它的原子序数为第一节硼纤维美国于1956年最早制成硼纤维样品。1961年美国提出硼纤维研制课题。1963年，制成了可用于复合材料的硼纤维。1964年，改进了镀层设备，加强了自动化，并在当年生产出454kg硼纤维，其平均强度为206~245MPa。1966年在航天工业上获得应用。我国自20世纪70年代初开始实验室研究，在国家高技术研究计划资助下，目前的研究水平与国际研究水平已比较接近。53第一节硼纤维美国于1956年最早制成硼纤维样品。4硼纤维是应航空航天领域对材料日益严苛的要求而发展起来的。最早应用于高级复合材料的增强体，比玻璃纤维的弹性模量约高5~7倍，且拉伸强度和压缩强度也高，不仅可以以纤维形式使用，且可以作为环氧树脂、铝和钛的增强体。第一节硼纤维54硼纤维是应航空航天领域对材料日益严苛的要求而发展起来的。第一一、硼纤维的制备第一节硼纤维1、卤化法将BCl3和H2加热到1000℃以上，硼还原到钨丝或其他纤维状芯材上制得的连续单丝，芯材的直径一般为3.5~50μm。该方法工艺成熟，制得的硼纤维性能高，成本也高（钨丝价格贵，沉积温度高）。55一、硼纤维的制备第一节硼纤维1、卤化法6一、硼纤维的制备第一节硼纤维1、卤化法（1）卤化物制备钨芯BF的工艺工程

用作芯材的钨丝现在NaOH中用电化学方法进行表面清洗及减小直径处理，控制直径约为13μm，然后进入清洗室清除表面存在的氧化物等，将其放入温度为1120~1200℃的第一沉积室，使氢和三氯化硼混合物按下式反应：

2BCl3+3H2=2B+6HCl56一、硼纤维的制备第一节硼纤维1、卤化法7一、硼纤维的制备第一节硼纤维1、卤化法（1）卤化物制备钨芯BF的工艺工程

反应产物硼即沉积在钨丝上并向钨丝中扩散，与钨发生固态反应形成WB4、δ-WB等硼化物。此阶段仅有少量硼沉积。此后将钨丝放入第二沉积室，温度控制在1200~1300℃，硼的沉积速度加快，最后制得硼纤维。57一、硼纤维的制备第一节硼纤维1、卤化法8一、硼纤维的制备第一节硼纤维1、卤化法（1）卤化物制备钨芯BF的工艺工程

为避免硼纤维增强金属时发生不良的界面反应，通常在纤维表面覆以涂层，因此在第二沉积室后设有涂覆室，通入H2、BCl3及CH4，反应生成的碳化硼沉积于纤维表面。反应式如下：4BCl3+4H2+

CH4=B4C+12HCl58一、硼纤维的制备第一节硼纤维1、卤化法9一、硼纤维的制备第一节硼纤维1、卤化法（2）卤化物制备碳芯BF的工艺工程

制造硼-碳芯纤维是将清洗室改为裂解石墨室，直径为33μm的煤沥青纤维通过裂解石墨室，在碳纤维上涂一层裂解石墨，然后进入硼沉积室碳纤维表面沉积硼。制备碳芯硼纤维时，反应室温度高于制备钨丝硼纤维，沉积速率提高40%，使碳芯硼纤维成本降低。59一、硼纤维的制备第一节硼纤维1、卤化法10一、硼纤维的制备第一节硼纤维2、有机金属法有机金属法是将硼的有机金属化合物如三乙基硼或硼烷系的化合物（B2H6或B5H4）进行高温分解，使硼沉积到底丝上。因为沉积温度低于600℃，可采用Al丝作底丝，所以硼纤维的生产成本大大降低，但使用温度和性能也随之降低。60一、硼纤维的制备第一节硼纤维2、有机金属法11二、硼纤维的结构与性能第一节硼纤维硼纤维是复合纤维：中心是钨丝，直径12~25μm；钨丝外是B-W区，元素B向W表面扩散，反应形成WB、W2B5、WB4等；外表是无定形碳。钨芯硼纤维表面具有玉米棒子似的结构，表面相当粗糙，呈瘤状形态，故与树脂具有较好的结合强度。涂B3C4后，可是表面光滑性增加。61二、硼纤维的结构与性能第一节硼纤维硼纤维是复合纤维二、硼纤维的结构与性能第一节硼纤维而碳芯硼纤维，由于碳芯经裂解气体处理，表面比较光滑，沉积硼后仍然保持光滑表面，从而使它与树脂的结合力较低，使复合材料的横向强度下降。62二、硼纤维的结构与性能第一节硼纤维而碳芯硼纤维，由二、硼纤维的结构与性能第一节硼纤维在200℃左右硼纤维性能基本不变；而在330℃、1000小时硼纤维强度将损失70％；而加热到650℃时硼纤维强度将完全丧失。

它可作为树脂基复合材料增强体，不宜作为金属基复合材料增强体，常温下，硼纤维惰性高；高于650℃时，硼纤维会与金属反应。63二、硼纤维的结构与性能第一节硼纤维在200℃左右硼二、硼纤维的结构与性能第一节硼纤维硼纤维性能的主要特点是弹性模量高，直径大，其复合材料纵向压缩强度高于任何纤维复合材料。但由于成本高，密度大，以及纤维直径大、质硬、不能编织，导致成型性较差，故目前已被碳纤维取代，很少用它制备树脂基复合材料，主要用于金属基复合材料如硼/铝及硼/钛复合材料。64二、硼纤维的结构与性能第一节硼纤维硼纤维性能的主要特点三、硼纤维的应用第一节硼纤维⑴硼纤维增强塑料与金属最初用于B1轰炸机和F14战斗机，B/Al的韧性是铝合金的3倍，质量仅为铝合金的2/3。⑵硼纤维与铝复合时一般带有SiC涂层，可用于发动机的风扇叶片、压气机叶片和一些飞机与卫星的构件；能减重22～66％。65三、硼纤维的应用第一节硼纤维⑴硼纤维增强塑料与金属最初用三、硼纤维的应用第一节硼纤维⑶硼纤维增强钛时需经B4C涂层，主要用于制作航空发动机压气机叶片和工作温度550～650℃的耐热零件。⑷硼纤维受其价格高的限制而未获得更广泛的应用。66三、硼纤维的应用第一节硼纤维⑶硼纤维增强钛时需经B4C涂第二节氮化硼纤维氮化硼纤维是20世纪60年代由美国研制成功的。氮化硼纤维的制造方法是先将B2O3熔融纺成的前驱体纤维在高温800℃氨蒸汽中进行氮化处理制得氮化硼纤维，然后在2000℃下热牵伸烧结而成。反应式如下：

B2O3+2NH3=2BN+3H2O由于氮化反应过程中气态的氨与固态的B2O3之间的反应为非均相反应，所以制得的氮化硼纤维质量不均匀。此法得到的氮化硼纤维拉伸强度为200MPa，拉伸模量为345GPa。67第二节氮化硼纤维氮化硼纤维是20世纪60年代由美国研制成功第二节氮化硼纤维还可由硼纤维制取氮化硼纤维。方法是：先将硼纤维加热到560℃作氧化处理后，再将得到的氧化硼纤维在1000~1400℃的NH3气氛中氮化约6h制得氮化硼纤维。通常，氮化硼纤维在N2中可使用到2000℃，最高可达2500℃，晶粒尺寸和失重没有明显变化，其熔点为3000℃。经分析结果推测，氮化硼纤维具有六元氮硼环结构，加之B-N键强，使得氮化硼具有突出的耐热性和抗氧化性。68第二节氮化硼纤维还可由硼纤维制取氮化硼纤维。19第二节氮化硼纤维

在空气中，氧化开始温度为850℃，当B2O3膜形成后，使用温度可达1300℃。美国金刚砂公司试制的氮化硼纤维，密度为1.8~1.9g/cm³，单丝直径6μm，拉伸强度和模量分别为830MPa和210GPa。氮化硼纤维能耐常用酸碱的腐蚀，对400℃的氯化锂、氯化钾共溶液以及铝、铁等熔体都有良好的抗侵蚀能力。与高温工程陶瓷等基体有良好的化学相容性。因氮化硼纤维是少数能被熔融铝润湿的材料之一，故可用于制造金属铝基复合材料。还可以做熔融铝及铁的过滤材料，以及制成耐化学侵蚀、防原子和中子的防护服等。69第二节氮化硼纤维在空气中，氧化开始温度为850℃，当B2第十章晶须70第十章晶须21主要内容硼酸铝晶须钛酸钾晶须氧化锌晶须碳晶须磷酸钙晶须71主要内容硼酸铝晶须22第十章晶须晶须：是指由高纯度单晶生长而成的直径几微米，长度几十微米的单晶纤维材料。

由于其原子结构排列高度有序，结构完整难以容纳大晶体中常存的缺陷，故其机械强度近似等于原子间价键力的理论强度，是一类力学性能十分优异的新型复合材料补强增韧材料。72第十章晶须晶须：是指由高纯度单晶生长而成的直径几微米，长度第十章晶须根据化学成分不同，晶须可分为陶瓷晶须和金属晶须两类。陶瓷晶须包括氧化物（BeO、Al2O3）晶须、非氧化物（SiC、Si3N4、SiN）晶须；金属晶须包括Cu、Cr、Fe、Ni晶须等。73第十章晶须根据化学成分不同，晶须可分为陶瓷晶须和金属晶须两第十章晶须晶须的制造包括焦化法（制造SiC晶须）、气液固法（制造SiC和碳晶须）、气相反应法（制造碳、石墨晶须）、电弧法（制造碳、石墨晶须）。晶须特别适用于增强金属与陶瓷。目前除了SiC晶须已获得应用外，又继续开发出硼酸铝、钛酸钾等晶须，因此新型晶须的研究是当前颇为热门的课题。74第十章晶须晶须的制造包括焦化法（制造SiC晶须）、气液固法第一节硼酸铝晶须外观：白色针状分子量：1056.88直径：0.5－1um长度：5－30um相对密度：2.90-2.94拉伸强度：8Gpa

莫氏硬度：7弹性模量：400Mpa耐热性：1420℃~1460℃

热膨胀系数：4.2×10－6/℃75第一节硼酸铝晶须外观：白色针状分子量：1056.第一节硼酸铝晶须硼酸铝晶须外观：白色针状

76第一节硼酸铝晶须硼酸铝晶须第一节硼酸铝晶须制备方法：①熔融法，即将Al2O3与B2O3在2100℃熔化，再缓冷析出晶须；②气相法，即将B2O3

在1000~1400℃气态的氟化铝气氛中通入水蒸气，使之起反应生成硼酸铝晶须；③内熔剂法，即用B2O3

和高硼酸钠作熔剂与Al2O3

在1200~1400℃下反应生成；77第一节硼酸铝晶须制备方法：28第一节硼酸铝晶须制备方法：④适用于工业化生产的外熔剂法，即在Al2O3与B2O3

中加入仅作为熔剂的金属氧化物、碳酸盐或硫酸盐，加热到800~1000℃可得到2Al2O3·B2O3，进一步加热到1000~1200℃则得到92Al2O3·2B2O3

。但这种方法得到的晶须制品需进一步进行解纤处理。我国于20世纪90年代初也研制出这种晶须，目前正在开发应用中。78第一节硼酸铝晶须制备方法：29第二节钛酸钾晶须钛酸钾晶须是在1948年美国偶然发现的一种接近理论强度的单晶纤维。该种晶须是一种廉价而性能较好的晶须，由于用它增强铝的复合材料有很好的切削加工性能而受到关注。79第二节钛酸钾晶须钛酸钾晶须是在1948年美国偶然发现的一种第二节钛酸钾晶须制备方法：①烧结法，把K2CO3和TiO2混合物在一定时间内烧结，可得到高收率的单晶纤维，但结晶性不太好；②熔融法，将原料熔融、冷却来培育晶须，但单晶的收率较低；③热水法，在高压下使原料在热水中反应而生长晶体；④溶剂法，使原料在溶剂中反应，可得到高收率的单晶纤维，结晶性好。80第二节钛酸钾晶须制备方法：31第二节钛酸钾晶须性能：钛酸钾晶须直径约为0.2~1.5μm，长度为10~100μm，硬度低，抗磨损性较差，与铝相容性较差，所制备的铝基复合材料强度和模量较低。钛酸钾晶须增强铝基复合材料可以采用压铸法制造，也可以采用包覆铝的钛酸钾晶须与铝粉混合，再进行挤压的方法来制造。81第二节钛酸钾晶须性能：32第二节钛酸钾晶须性能：钛酸钾晶须经过表面处理后具有亲油性，纤维细，渗透压低，与溶液亲和性良好，耐碱性好，可作为过滤器材料和隔膜材料。钛酸钾晶须耐老化性好，有良好的抗磨损性能，可以代替石棉制作汽车热塑性复合材料，加入晶须后，熔融树脂的黏度上升不快，成型后纤维长度几乎不变短，可以像无填料一样利用注射和压铸工艺制得形状复杂的制品。82第二节钛酸钾晶须性能：33第二节钛酸钾晶须性能：钛酸钾晶须较软，对成型加工设备和金属模具的磨损小。可以用硅烷偶联剂对晶须进行表面处理，进一步改善制品的加工性和物理性能。这种晶须的最大缺点是容易与熔融的铝液发生界面反应而生成γ-Al2O3和TiO2

，有待研究解决。83第二节钛酸钾晶须性能：34第三节氧化锌晶须四针状氧化锌晶须是晶须家族中目前发现的唯一具有规整结构的四针状晶须。正是由于其独特的结构，除其可较大幅度提高复合材料的力学性能外，还可赋予材料功能性。84第三节氧化锌晶须四针状氧化锌晶须是晶须家族中目前发现的唯一第三节氧化锌晶须作为增强体，能起到使复合材料具有各向同性的作用，从力学上考虑，这种形式的增强体将会明显改善复合材料的强度。由于ZnO本身有一定压电性能，所以其复合材料具有吸振效果；另外ZnO具有导电性，能使其增强聚合物的复合材料作为抗静电和屏蔽材料使用。85第三节氧化锌晶须作为增强体，能起到使复合材料具有各向同性的普通氧化锌晶须四针状氧化锌晶须86普通氧化锌晶须四针状氧化锌晶须37第三节氧化锌晶须制备方法：①将表面含有一层氧化膜的锌粉先在惰性气氛中加热气化，然后再与含氧气体接触制备T-ZnO晶须。②将表面含有一层氧化膜的锌粉在含氧的气氛中直接加热气化获得T-ZnO晶须。③将表面含有一层氧化膜的锌粉与沸石混合后，在含氧的气氛中加热气化制备T-ZnO晶须。④将锌粉和碳粉混合后，在空气中加热制备T-ZnO晶须。87第三节氧化锌晶须制备方法：38第三节氧化锌晶须性能：①高的形态规整性及尺寸均一性。②各向同性。③半导体性质。④吸收紫外线。⑤高密度。88第三节氧化锌晶须性能：39第四节碳晶须碳晶须属于非金属晶须，含碳量99.84%，含氢量0.15%，为针状单晶。直径从亚微米至数微米，长为数十微米并具有高度的结晶完整性。由于碳晶须的位错密度