硼纤维及其复合材料

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1、硼纤维及其复合材料■、几—刖5：硼纤维是重要高科技纤维之一，其英文名称为Boronfllament.实际上它是一种复合纤维。通常它是以磚丝和石英为芯材，采用化学气相沉积法制取。最早开发研制硼纤维的是美国空军增强材料研究室（AFML）,其目的是研究轻质、高强度增强用纤维材料，用来制造高性能体系的尖端飞机。随后，又以TextronSystems公司（原名AVCO公司）为中心，面向商业规模生产并继续研发。该公司将硼纤维与环氧树脂进行复合制成BFRP,以及与金属铝等复合制成FRM,面向飞机、宇航用品.体育娱乐用品以及工业用品等方面进行应

2、用研究。现在能生产硼纤维的国家还有瑞士、英国、日本等。一、硼纤维的性能及制备技术1、硼纤维的性能硼是以共价键结合，其硬度仅次于金刚石，把硼直接做成纤维非常困难，硼纤维通常是以磚丝和石英为芯材，采用化学气相沉积法（CVD）在上面包覆硼而得到的复合纤维，因此直径较粗，一般在100urn左右，比重2・62g/cm3,熔点2050°Co弹性模量比玻璃钢高5倍，断裂强度可达280~350kg/mm2o儿乎不受酸、碱和大多数有机溶剂的侵蚀，绝缘性良好，有吸收中子的能力。硼纤维质地柔软，属于耐高温的无机纤维。硼纤维是作为尖端复合材料的增强材料

3、开发出来的，目的是在弹性模量方面超过原有的玻璃纤维［5］。硼纤维的特点是弹性模量高,范围从392000〜411600MPa,但相对密度（约2.6g/cm3）只有钢材的四分之一；尤其是它的压缩强度是其拉伸强度的2倍（6900MPa）,是其他增强纤维中尚未看到的；优良的耐热性，可与金属、塑料或陶瓷制成复合材料用于航天、军工等部门作为高温结构材料使用［6］。硼纤维在和金属复合时，与金属基体之间的润湿性比较好，而且反应性比较低；纤维直径较大因而操作简便。缺点是由于纤维的直径较大，制成复合材料时在纤维纵向容易断裂，而且价格也贵［7〜8］o

4、采用新的较小直径硼纤维（76.2nm）及硼-碳纤维环氧树脂预浸带用于加强低熔点铝合金是B/A1复合材料新的研究热点之一。已开发的小直径硼纤维的优点是更容易弯曲和处理，与标准单纤维（101.6pm）相比，拉伸强度增加约20%,且仍保留了硼纤维固有的高的压缩性能。硼纤维在高温下能与大多数金属起反应而变脆，使用温度超过120（TC时强度显著下降。硼是活性的半金属元素，在常温下为惰性物，除了与铝、镁的反应较小以外，与其它金属很容易起化学反应，为了稳定其性能，纤维表面需预先涂覆》C、SiC涂层，以提高惰性。如与铝复合吋，为了避免高温吋硼和

5、熔融状态下的铝起反应，硼纤维表面预先涂覆一层碳化硅。此法也适用于钛基体［9］o硼纤维的拉伸强度受化学气相沉积过程中产生的缺陷来决定，有以下几种：（1）二硼化钩芯材与硼层界面附近有空隙；（2）在沉积过程中，产生压扁状况；（3）结晶或结晶节生长时，表面有缺陷等。另外，纤维的弹性模量由芯线和纯硼的体积含量所决定［10~11］。表1列出了硼纤维的性能。表1硼纤维的一般性能拉伸强度拉伸弹性模量压缩强度热膨胀系数硬度（努氏）密度MPaGPaMPa10〈/°CKnoopg/cm3360040069004.53200257成本方血，硼纤维复合材

6、料比其它纤维增强复合材料，如石墨、芳纶、s-玻璃等要昂贵得多。2001年10月北京航空材料研究所已建成年产80kg的碳化硼涂层的硼纤维生产线，经核算价格为6000〜7000元人民币/kg,而美国Textron公司1997年无涂层硼纤维报价为2000美元/kg,国产纤维至少可节省80万元人民币。2、硼纤维的制备技术硼纤维一般采用化学气相沉积法（CVD）生产。作为芯材，通常使用直径为12.5pm很细的鹤丝，通过反应管由电阻加热，三氯化硼（BC13）和氢气的化学混合物从反应管的上部进口流入，被加热至1300°C左右，经过化学反应，硼层

7、就在干净的磚丝表面上沉积，制成的硼纤维被导出，缠绕在丝筒上。三氯化硼和氢气的化学反应式为：BCi3+3/2H2►B+3HC1硼纤维直径有100um和140nm两种。纤维直径的人小是通过控制沉积时线速度來实现的。二、硼纤维复合材料硼纤维预浸料硼纤维复合材料通常采用铺层工艺制造，因此，硼纤维需要首先制成预浸料。硼纤维预浸料有两种，在177°C下使用的5505硼/环氧预浸带和121°C下使用的5521硼/坏氧预浸带。两种预浸带宽度都为6.35nun和152.4mm,树脂含量33土2%,挥发物含量1.0%,每厘米长度有硼纤维82-83根

8、。5505和5521硼/环氧预浸带都要求在低温下(-18°C)贮存o5505硼/环氧预浸带的固化规范是：以每分钟2-3°C升温至177°C,在压力为0.34-0.59MPa下，在177°C保温一个半小时。对要求在高温下工作的，为了改进149°C以上的性能，推荐进