硼纤维

在金属丝上沉积硼而形成的无机纤维

硼纤维是指在金属丝上沉积硼而形成的无机纤维。通常用氢和三氯化硼在炽热的钨丝上反应，置换出无定形的硼沉积于钨丝表面获得。属脆性材料。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12.5 um很细的钨丝，通过反应管由电阻加热，三氯化硼(BCl3)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℃左右，经过化学反应，硼层就在干净的钨丝表面上沉积，制成的硼纤维被导出，缠绕在丝筒上。

简介

硼纤维是重要高科技纤维之一，其英文名称为Boron filament，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。在研制过程中，受到美国国防部高度重视与支持。随后，又以Textron Systems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。能生产硼纤维的国家还有瑞士、英国、日本等。

硼纤维的生产方法

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12.5 um很细的钨丝，通过反应管由电阻加热，三氯化硼(BCl3)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℃左右，经过化学反应，硼层就在干净的钨丝表面上沉积，制成的硼纤维被导出，缠绕在丝筒上。

HCl和未反应的H2及BCl3从反应管的底部出口排出，BCI3经过回收工序可再生利用。生产的硼纤维大致有3种，即丝径为75um，100um和140um。丝径大小可通过牵引速度来控制。

此外，生产硼纤维的其他方法有乙硼烷(diborane)的热分解及熔融乙硼烷为原料等生产方法，但经确认，CVD法乃是最经济的方法。

硼纤维的性能

硼纤维在己有的增强纤维中具有独特的性能，尤其是它的压缩强度是其拉伸强度的2倍(6900MPa)，是其他增强纤维尚未看到的。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。硼纤维产生的缺陷有以下几种，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，是由芯线和纯硼的体积含量来决定。

硼纤维的应用

在航空航天领域的应用

在航空方面主要用作飞机的零部件。例如，美国空军飞机F-15和海军飞机F-14的垂直尾翼、稳定器，B-1飞机机翅纵向通材，直升机CH-54B , F-4飞机方向舵，707飞机襟翼，F-5飞机着陆装置门，T-39A飞机机翼箱等都使用硼纤维与环氧树脂复合材料。据介绍，西科尔斯基飞机设计家所设计的直升机以及法国制造的幻影2000飞机，也采用一些硼纤维。硼纤维与铝制的复合管材，可用作直升机的主要结构零件、框架和机壳，大大小小数百根复合管己被标准使用。

作为更进一步的应用，采用硼纤维与环氧树脂带材对飞机金属机体的修补。己经对Lock-heed公司制造的美国军用飞机C-130和C-141等机体的龟裂及金属疲劳部分进行修补，都使用了硼纤维与环氧树脂复合材料作为补钉，己有实际业绩。特别是近年来，商用飞机、客运飞机等同样存在老化问题，也会因长期运行出现龟裂及金属疲劳，这给硼纤维的应用带来生机，有关部门正在深入技术研究。采用硼纤维复合材料修补飞机有以下特点：①不需要分解机体就可进行修补，这样可缩短修理、停飞时间，为航空公司带来效益；②在修补时，不需要铆钉和螺栓等，可用树脂粘接修补，这样可避免因铆钉、螺栓孔穴产生龟裂与应力；③可使用超声波和涡流非破坏性试验检查，不会产生触电；④可延长疲劳寿命，减少维修成本。

在航天方面，可作航天器的结构零件。采用硼纤维与碳纤维混杂结构，具有很高的刚性，使热膨胀系数趋近0，适应宇宙中苛刻环境的变化需要。

在体育及娱乐用品领域的应用

大多数情况都是将硼纤维与碳纤维制成混杂纤维复合材料用于体育及娱乐用品。例如，由硼纤维与碳纤维混杂纤维制成的高尔夫球棒，即像单一碳纤维球棒那样轻，又有钢质球棒那样的打球感，使高尔夫球的飞行距离及飞行方向都很优异；在网球拍及羽毛球拍方面，能改变球拍击中球中心部分；在钓鱼竿方面，采用硼纤维振动传递性强，反应灵敏，还难折断；在滑雪板方面，硼纤维因衰减性优异，减少板的“挠度”，能适应雪面的微妙变化。

在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进行开发。例如，利用硼纤维高导热性和低热膨胀系数等特点，制成硼纤维与铝合金复合金属材料，可用作半导体用冷却基板；利用硼纤维的高硬度(3200Knoop)，开发面向录音剪辑材料及车轮等制品方面应用。此外，硼纤维还具有吸收中子的能力，可适用于核废料搬运及储存用容器。利用硼纤维的高压缩强度，在沥青系碳纤维的强度补强方面也极其有效。

在超导线材上的应用

据介绍，日本国的青山学院秋光纯教授，于2001年发现了新的超导物质金属系MgB2，该超导物质的超导温度为-234℃(热力学温度39K )，而金属材料至今的记录，热力学温度为23K，MgB2要高出近2倍，突然间引人注目。

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