硼纤维复合材料

硼纤维复合材料，硼纤维的较大直径，意味着它实际上不可能用玻璃纤维、Kevlar纤维和碳纤维所使用的某种手段来织成织物。然而，可以用聚酯的纬纱将平行的硼纤维连接一起，形成干态单向预成形体。硼的预浸料是单向的，并带有一层纤细的聚酯纤维织品材料（类似于结构胶膜），这在处理过程中对预浸料提供某些横向强度，树脂从预成形体的一侧浸入，最终经过工艺处理形成一种高性能的复合材料。

硼纤维复合材料作为新材料领域中的后起之秀得到了长足的发展，无论从复合材料的发展速度、应用范围，还是从它对现代科学技术与经济的推动作用来看，硼纤维复合材料所取得的成就已达到或超过了人类历史上所使用过的任何类型的材料。

简介硼纤稚环氧树脂复合材料于1966年开始用作飞机的平衡板和发动机的叶片，一向被美国视为航空构件的理想材料。但是，由于生产规模、发展潜力等方面的限制，硼纤稚远远不像碳纤稚那样为世界各国所重视。

玻璃纤维复合材料的主要缺点之一是比弹性模量低，虽然在航空工业上早已获得广泛应用，但以承做飞机的二类精构零件为宜。因此，兼有高比弹性模量和高比强度的硼纤维从其发明开始，立刻受到航空工业的重视，发展相当迅速。硼纤维增强的复合材料，以硼纤-环氧树脂和硼纤维-铝发展较快，两者均用在飞机制造业上。据悉，美国海军和格拉玛公司（Grumman）合作，对F-14战斗机从设计开始就考虑采用硼纤维复合材料，其中计划用硼纤维增强环氧树脂作飞机的机体，用硼纤维-铝复合材料作发动机。铝蜂窝夹板的外皮是由7.6厘米宽的硼纤维-环氧树脂带制成的，宽19.5厘米、长300厘米。

作为消融材料，硼纤维复合材料也获得了实际应用。据悉，有人用硼纤维-环氧树脂复合材料试制了一种直径45厘米、长60厘米再返大气层用的圆筒装置，和铝制品相比，其优点是：①内容量大，有效负荷增加；②重量减轻；③空气动力稳定性提高了。1

数据分析（1）物理性能，例如纤维体积或面积质量，不是通过试验确定的。复合材料密度值是按照混合定律得到的。

（2）不包括单层拉伸数据，因为试样产生不可接受的失效模式。

（3）层压板拉伸测试采用领结形（bowtie）试样，该试样不是试验方法所推荐的。

（4）压缩测试方法（ASTM D695）不是通常手册材料所推荐的方法，但由于该纤维的不同特性，所以对该材料使用这种方法。

（5）-59℃（-75°F）干态条件下层压板拉伸模量的两个数据点、82℃（180°F）湿态条件下层压板拉伸强度（和极限应变）的一个数据点和-54℃（-65°F）单层纵向压缩强度的一个数据点被剔除。测试异常可能导致应变以及随后的模量测量错误。低的破坏应力和应变可能是因为破坏发生在夹持处或其他异常。

（6）手册推荐的方法不能用于纤维控制性能的正则化。对于单层压缩数据未报告实际的厚度值，且强度是基于所提供的名义厚度得出的。对于层压板拉伸。正则化的性能同样基于名义厚度（性能 =实测值×实测厚度/名义厚度）。

处理与工艺性能硼是一种努氏硬度值达3200kg/mm2的极坚硬的材料，其硬度超过碳化钨与一氮化钛（1800～1880kg/mm2），仅次于钻石（7000kg/mm2）。固化的硼复合材料可用钻石工具进行切割、钻孔和机械加工，而其预浸料则可用常规的钢刀切割。在实践中，钢刀实际不能切割坚固的纤维；然而，通过一到两次平缓的加压就可以将纤维切断。尽管可以用模板切割出复杂的外形，但已证明，激光切割是切割大量非矩形硼铺层的最有效方法。

目前市场上供应的硼纤维有若干种。除了两种纤维直径，预浸料可以配有120℃或175℃固化的环氧树脂。除了前文已提到过的可成形性有所降低外，硼预浸料的处理与加工方式与更常用的碳预浸料相似。2

制造方法首先将硼纤维进行表面处理，再制半成品。

1．硼/环氧预浸渍带

将涂有涂层的硼纤维平行排列，背面用很薄（0.003cm厚）的104型稀松的平纹玻璃布来掌握纤维间的间隔和使预浸带的侧面完整，目前可制成50%纤维体积含量的预浸带，宽度有0.64cm、7.6cm、15.2cm或121.9cm。其固化温度为177℃或121℃，也可在室温固化。预浸带在-18℃贮存几年，性能不变。

2．“干编织”带

硼纤维平行排列，横向用玻璃纤维或铝丝编织的带，这种干带形式的优点是，能保持硼/环氧氧预浸带的形式，可以废除冰冻储存，又可简化硼润复合材料制造的几个工序，所以干编织带已引起极大的注意，特别是制备122cm宽的材料更有效果。3

性能硼纤维环氧复合材料的比强度和比模量高，约是钢的3倍。层压板性能见下表。

硼纤维/环氧层压板在-54℃时的性能与室温的性能相似，说明其低温性能很好。

硼复合材料与其他飞机部件的材料进行比较，除剪切强度外，50%体积含硼/环氧复合材料的拉伸强度，模量和压缩强度都高于其他材料，所以是飞机部件的最选材料，但价格较高。3

应用纤维制作过程表明，纤维是在一种昂贵的前体细丝上生成的单丝，而这种基本方法自20世纪60年代早期以来并无改变。这就是硼纤维要比碳纤维更加昂贵的主要原因（硼/环氧树脂预浸料的价格约为等量碳/环氧树脂预浸料的12倍）。硼纤维的这种高昂价格，对国防应用的影响并不大，因为它具有优异的比力学性能，所以被选作F-14和F-15的尾翼蒙皮，并用于B-1轰炸机的几个构件。但是，在20世纪70年代，当碳纤维的产量迅速上升，碳纤维的价格大幅下降，从而，除了特殊的应用外，在大多数一般的飞机上，碳纤维变得比硼纤维更加合算。

适于硼/环氧树脂的一种应用情况，是作为对有缺陷金属结构的修理材料。例如，当考虑对飞机构件进行修理时，所需要的硼/环氧树脂总量一般不大，从而，其较高的材料价格就不是个关键的因素。硼/环氧树脂的高比拉伸与比压缩性能非常适合于修理应用。碳/环氧树脂也可适于这些应用情况，但是这种材料有严重的缺点。由于修理件是用高温固化胶粘贴到结构上的，碳/环氧树脂的热膨胀系数低，导致修理后的结构中出现较高的残余应力。这些残余应力可能增大缺陷处的局部应力。此外，碳纤维是导电的，这对于用涡流无损探测方法透过修理材料来核查损伤有无扩展起到妨碍作用。硼纤维与铝不形成电耦合，因此，不存在因硼修理而引起铝飞机结构腐蚀的问题。2

本词条内容贡献者为:

杨晓红 - 副教授 - 西南大学