硼纖維增強復合材料優(yōu)點及應用

硼纖維增強樹脂基復合材料主要是硼/環(huán)氧，具有密度低、力學性能高的優(yōu)點，用于航空、航天器的承力構件及高爾夫球桿等體育用品，但材料成本高，性能不如碳/環(huán)氧。硼纖維增強金屬基復合材料中，硼纖維體積含最約為50%。金屬基體主要有鋁合金鎂合金、鈦合金等。這類材料的優(yōu)點主要是密度低和力學性能高。如硼/鋁密度為2.6kg/，拉伸強度1.25-1.55GPa，模量200-230GPa，比強度和比剛度約為欽合金、鋁合金及合金鋼的3-5倍，在200-400下仍能保持較高強度，而硼/鈦可在550-650下工作。制造工藝包括熱壓擴散結合、液態(tài)滲透或擠壓鑄造等。為防止硼纖維與金屬基體發(fā)生有害反應，硼纖維一般涂有碳化硼或饋化硅涂層。

按照基體的種類，可分為硼纖維增強樹脂基復合材料和硼纖維增強金屬基復合材料兩大類 。

硼纖維通常是采用化學氣相沉積法把硼沉積到鎢芯或碳芯上制成的無機復合纖維，直徑50-315m具有高強度、高模量，在復合材料中起承力作用?；w可為樹脂或金屬，起粘結纖維和傳遞應力的作用。

硼纖維增強復合材料是指以硼纖維為增強劑的復合材料 。

硼纖維增強復合材料的主要用干減輕航空航天結構(如飛機構件及其發(fā)動機架、扇、壓氣機葉片、衛(wèi)星構件、航天飛機中部機身析架管等)質量，但由干制造成本高，應用受到很大限制 。

作為結構應用來說，選擇復合材料組元的主要目標是高比模量和高比強度，硼-鋁復合材料因此在研究與發(fā)展上受到了很大的重視。對增強纖維的主要要求是比模量高、比強度高、性能重復性好、價格低以及易于制造成復合材料。玻璃纖維強度較高價格低廉，但它的模量低易與鋁起反應。氧化鋁纖維的比模量和比強度較低且價格昂貴。碳化硅纖維與鋁的反應比硼小，并已作為硼纖維的涂層使用，但其密度比硼高30%，且強度較低。高模量石墨纖維似乎很有吸引力，但它以紗線形式出現(xiàn)卻是一個嚴重缺點，因為用固態(tài)制造方法很難使金屬滲入為數(shù)一萬根的纖維束中，而熔融的鋁合金又會與纖維起劇烈反應。

纖維制作過程表明，纖維是在一種昂貴的前體細絲上生成的單絲，而這種基本方法自20世紀60年代早期以來并無改變。這就是硼纖維要比碳纖維更加昂貴的主要原因（硼/環(huán)氧樹脂預浸料的價格約為等量碳/環(huán)氧樹脂預浸料的12倍）。硼纖維的這種高昂價格，對國防應用的影響并不大，因為它具有優(yōu)異的比力學性能，所以被選作F-14和F-15的尾翼蒙皮，并用于B-1轟炸機的幾個構件。但是，在20世紀70年代，當碳纖維的產量迅速上升，碳纖維的價格大幅下降，從而，除了特殊的應用外，在大多數(shù)一般的飛機上，碳纖維變得比硼纖維更加合算。

適于硼/環(huán)氧樹脂的一種應用情況，是作為對有缺陷金屬結構的修理材料。例如，當考慮對飛機構件進行修理時，所需要的硼/環(huán)氧樹脂總量一般不大，從而，其較高的材料價格就不是個關鍵的因素。硼/環(huán)氧樹脂的高比拉伸與比壓縮性能非常適合于修理應用。碳/環(huán)氧樹脂也可適于這些應用情況，但是這種材料有嚴重的缺點。由于修理件是用高溫固化膠粘貼到結構上的，碳/環(huán)氧樹脂的熱膨脹系數(shù)低，導致修理后的結構中出現(xiàn)較高的殘余應力。這些殘余應力可能增大缺陷處的局部應力。此外，碳纖維是導電的，這對于用渦流無損探測方法透過修理材料來核查損傷有無擴展起到妨礙作用。硼纖維與鋁不形成電耦合，因此，不存在因硼修理而引起鋁飛機結構腐蝕的問題。

硼纖維環(huán)氧復合材料的比強度和比模量高，約是鋼的3倍。層壓板性能見下表。

硼纖維/環(huán)氧層壓板在-54℃時的性能與室溫的性能相似，說明其低溫性能很好。

硼復合材料與其他飛機部件的材料進行比較，除剪切強度外，50%體積含硼/環(huán)氧復合材料的拉伸強度，模量和壓縮強度都高于其他材料，所以是飛機部件的最選材料，但價格較高。