硼纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

按照基體的種類，可分為硼纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料和硼纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料兩大類 。

硼纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料主要是硼/環(huán)氧，具有密度低、力學(xué)性能高的優(yōu)點(diǎn)，用于航空、航天器的承力構(gòu)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(qiáng)金屬基復(fù)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(diǎn)主要是密度低和力學(xué)性能高。如硼/鋁密度為2.6kg/，拉伸強(qiáng)度1.25-1.55GPa，模量200-230GPa，比強(qiáng)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(qiáng)度，而硼/鈦可在550-650下工作。制造工藝包括熱壓擴(kuò)散結(jié)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(yīng)，硼纖維一般涂有碳化硼或饋化硅涂層。

硼纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是指以硼纖維為增強(qiáng)劑的復(fù)合材料 。

硼纖維通常是采用化學(xué)氣相沉積法把硼沉積到鎢芯或碳芯上制成的無(wú)機(jī)復(fù)合纖維，直徑50-315m具有高強(qiáng)度、高模量，在復(fù)合材料中起承力作用。基體可為樹脂或金屬，起粘結(jié)纖維和傳遞應(yīng)力的作用。

硼纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的主要用干減輕航空航天結(jié)構(gòu)(如飛機(jī)構(gòu)件及其發(fā)動(dòng)機(jī)架、扇、壓氣機(jī)葉片、衛(wèi)星構(gòu)件、航天飛機(jī)中部機(jī)身析架管等)質(zhì)量，但由干制造成本高，應(yīng)用受到很大限制 。

作為結(jié)構(gòu)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，選擇復(fù)合材料組元的主要目標(biāo)是高比模量和高比強(qiáng)度，硼-鋁復(fù)合材料因此在研究與發(fā)展上受到了很大的重視。對(duì)增強(qiáng)纖維的主要要求是比模量高、比強(qiáng)度高、性能重復(fù)性好、價(jià)格低以及易于制造成復(fù)合材料。玻璃纖維強(qiáng)度較高價(jià)格低廉，但它的模量低易與鋁起反應(yīng)。氧化鋁纖維的比模量和比強(qiáng)度較低且價(jià)格昂貴。碳化硅纖維與鋁的反應(yīng)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(qiáng)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(gè)嚴(yán)重缺點(diǎn)，因?yàn)橛霉虘B(tài)制造方法很難使金屬滲入為數(shù)一萬(wàn)根的纖維束中，而熔融的鋁合金又會(huì)與纖維起劇烈反應(yīng)。

纖維制作過(guò)程表明，纖維是在一種昂貴的前體細(xì)絲上生成的單絲，而這種基本方法自20世紀(jì)60年代早期以來(lái)并無(wú)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(yù)浸料的價(jià)格約為等量碳/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料的12倍）。硼纖維的這種高昂價(jià)格，對(duì)國(guó)防應(yīng)用的影響并不大，因?yàn)樗哂袃?yōu)異的比力學(xué)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(jī)的幾個(gè)構(gòu)件。但是，在20世紀(jì)70年代，當(dāng)碳纖維的產(chǎn)量迅速上升，碳纖維的價(jià)格大幅下降，從而，除了特殊的應(yīng)用外，在大多數(shù)一般的飛機(jī)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(yīng)用情況，是作為對(duì)有缺陷金屬結(jié)構(gòu)的修理材料。例如，當(dāng)考慮對(duì)飛機(jī)構(gòu)件進(jìn)行修理時(shí)，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(jià)格就不是個(gè)關(guān)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(yīng)用。碳/環(huán)氧樹脂也可適于這些應(yīng)用情況，但是這種材料有嚴(yán)重的缺點(diǎn)。由于修理件是用高溫固化膠粘貼到結(jié)構(gòu)上的，碳/環(huán)氧樹脂的熱膨脹系數(shù)低，導(dǎo)致修理后的結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)較高的殘余應(yīng)力。這些殘余應(yīng)力可能增大缺陷處的局部應(yīng)力。此外，碳纖維是導(dǎo)電的，這對(duì)于用渦流無(wú)損探測(cè)方法透過(guò)修理材料來(lái)核查損傷有無(wú)擴(kuò)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(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕的問(wèn)題。

硼纖維環(huán)氧復(fù)合材料的比強(qiáng)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(shí)的性能與室溫的性能相似，說(shuō)明其低溫性能很好。

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