硼纤维及其复合材料.pdf

硼纤维是重要高科技纤维之一，其英文名称为，

实际上它是一种复合纤维。通常它是以钨丝和石英为芯材，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,硼纤维通常是以钨丝和石英为芯材,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

100μm左右,比重2.62g/,熔点2050℃。弹性模量比玻璃钢高5

倍,断裂强度可达280～350kg/mm2。几乎不受酸、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,

392000～411600MPa,但相对密度(约2.6g/c)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]。采用新的较小直径硼纤维(76.2μm)及硼-碳纤维环氧树脂预浸

带用于加强低熔点铝合金是B/Al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

(101.6μm)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1200℃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BC、SiC涂层,以

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提高惰性。如与铝复合时,为了避免高温时硼和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]。

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)二硼化钨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。

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