Борные волокна
Волокна бора являются одним из перспективных армирующих материалов композитов с полимерной и металлической матрицами. Волокна бора имеют довольно низкую плотность (2,55…2,65 г/см3), высокую прочность при растяжении sв (до 3500 МПа) и сжатии, высокий модуль упругости
(Е= 380…420 ГПа), высокую твердость и износостойкость (микротвердость
– до 4000 кгс/мм2; твердость по Моосу – 9,3 ед., у алмаза эта твердость равна 10 ед.), высокую температуру плавления (2050°С). Борные волокна имеют большую сдвиговую жесткость (G = 180 ГПа), пониженную тепло- и электропроводность.
Основной метод получения борных волокон – осаждение бора из газовой смеси треххлористого бора (BCl3) и водорода (Н2) на вольфрамовую нить диаметром ~12 мкм при температуре 1000…1100°С под давлением, близким к атмосферному. В результате осаждения образуется сердцевина из боридов вольфрама (WB, W2B5 и WB) диаметром 15…17 мкм, вокруг которой располагается слой поликристаллического бора. Нагрев вольфрамовой нити осуществляется через ртутные электрические контакты, одновременно образующие гидравлические затворы для герметизации камеры реактора. Скорость движения волокна через реактор непрерывного действия составляет 0,8…1 м/мин. В результате осаждения получается бороволокно диаметром, как правило, 100 мкм (иногда 150 и 200 мкм).
Таким образом, борные волокна неоднородны по составу, структуре и анизотропны. Предел прочности сердцевины волокна ниже предела прочности волокна в целом. Сердцевина волокна нагружена большими сжимающими напряжениями, а бор в области, прилегающей к подложке (вольфрамовой нити), – растягивающими. Это приводит к возникновению радиальных трещин в борных волокнах вследствие больших остаточных напряжений, которые растут с увеличением диаметра волокна.
Разрушение волокон бора происходит в основном по дефектам на поверхности волокна. Поверхностное травление позволяет уменьшить дефектность волокна и увеличить его прочность. Еще большего дальнейшего увеличения прочности можно добиться соблюдением абсолютной чистоты реакционной камеры и камеры охлаждения, чтобы свести к минимуму посторонние включения в волокне.
Механические свойства некоторых типов борных волокон приведены в табл. 2.4.
Таблица 2.4
Механические свойства борных волокон
| Марка волокна | Плотность ρ ×10-3, кг/м3 | Диаметр dƒ, мкм | Модуль упругости Е | Средняя прочность на базе 10 мм σƒ | Предельная деформация ε , % |
| ГПа | |||||
| Avco (B/W) | 2,58 2,50 2,50 | 390-400 390-400 | 2,52 3,47 3,39 | 0,6 0,9 0,85 | |
| Hamilton Ltd.division (B/W + SiC) | 2,76 2,76 | 394-403 | 3,80 3,30 | 0,95 0,80 | |
| B/W | 2,5 |
 3
| 2,95-3,5 | 0,75-0,9 |
Для повышения жаростойкости борных волокон, защиты их от воздействия некоторых металлических матриц и повышения адгезии волокон к некоторым матричным материалам волокна покрывают карбидом кремния путем осаждения из парогазовой фазы в среде аргона и водорода. Волокна бора, покрытые тонким слоем карбида кремния, называются борсиком.
Американские фирмы осуществляют также производство борного волокна осаждением бора на углеродное волокно. Аналогичные работы проводятся и в других странах.
Борные волокна выпускаются промышленностью как в виде моноволокон на катушках, так и в виде полуфабрикатов, представляющих собой комплексные армирующие материалы: ленты полотняного переплетения шириной от 50 до 500 мм, основа которых образована борными волокнами, а уток – полиамидными или другими волокнами.
Волокна бора находят широкое применение в производстве композитов на основе полимерной и алюминиевой матриц. Композиты на основе борных волокон и алюминиевой матрицы имеют ряд преимуществ по сравнению с аналогичными материалами с полимерной матрицей. Они, например, могут работать при температуре до 370°С (640 К) и перерабатываться на обычном технологическом оборудовании, применяемом в металлургическом производстве.
Недостатки борных волокон
1. Прочность борных волокон имеет значительный статистический разброс. Коэффициент вариации прочности в зависимости от дефектности структуры поверхности волокон колеблется в пределах 17…36%.
2. Из-за высокой жесткости и большого диаметра борные волокна довольно ограниченно поддаются ткацкой переработке. Их используют только вдоль основы чаще всего лент, иногда тканей. Вдоль утка используют органоволокна (бороорганоленты и ткани), стекловолокна (боростеклоткани и ленты), углеволокна (бороуглеткани, ленты), комбинированные тканые материалы, например, боростеклоткани, ленты и др.