Борные и боросиликатные волокна, получение и применение

1. Основные свойства и обоснование выбора борных и боросиликатных волокон
Борные волокна представляют собой моноволокна, анизотропные и неоднородные по структуре, имеющие диаметр 5÷200 мкм, которые обладают весьма ценным сочетанием свойств. Так, лучшие образцы борного волокна имеют высокие физико-механические показатели: прочность 350 кгс/мм2, модуль упругости 42·103 кгс/мм2,плотность 2,6 г/см3, твердость по шкале Мооса – более 9, температура плавления 2050оС. Однако, сравнительно большой диаметр борного волокна является его недостатком, так как вследствие проявления масштабного эффекта волокно имеет пониженную гибкость.
Композиты на основе борных и боросиликатных волокон имеют высокие прочностные (при растяжении и сжатии) и усталостные характеристики, а также высокий модуль упругости. Физико-механические свойства волокон бора, карбида кремния и борсика приведены в таблице 1.
…

2. Технология получения борных и боросиликатных волокон
Непрерывное борное волокно получают методом осаждения бора из газовой фазы на вольфрамовую нить-подложку. В качестве исходных компонентов применяются галогениды бора, преимущественно BCl3, и водород. При высокой температуре происходит восстановление бора.
Реакция восстановления бора из хлоридов водородом протекает в соответствии с выражением:
2ВСl3 + 3Н2  2В + 6НСl.
Образующийся элементарный бор (всего 2% от ВС13) осаждается на подложку.
Аналогично протекает реакция восстановления бора из бромидов и иодидов. При осаждении бора из его гидридов используют их термическое разложение:
BхHy  xB + y/2 H2.
При получении силикатных волокон, в качестве исходных компонентов применяется смесь метилтрихлорсилана CH3SiCl3, аргона и водорода. Образование осаждающегося карбида кремния протекает по реакции:
CH3SiCl3 SiC+ 3HCl.
Аппаратурное оформление процесса получения борного и SiC-волокна аналогичны.
…

3. Основные области применения борных и боросиликатных волокон
Высокие механические свойства борных волокон, полученных методом осаждения бора, привлекли к этим волокнам внимание многих конструкторов. В результате борные волокна получили широкое распространение: в авиации, ракетной технике из-за большой удельной прочности и жесткости. При изготовлении балок, панелей, роторов компрессоров. Применяются в компрессорах газотурбинных двигателей, что приводит к уменьшению массы лопаток на 25-40 %, диска ротора – на 10-15 %, число оборотов двигателя увеличивается в 1.4 раза, к.п.д. больше на 3-5 %, расход топлива меньше на 10-15 %. Прочность труб из борных волокнитов 200-225 кГ/мм2, а из стекловолокнитов 144 кГ/мм2.
Волокна бора так же находят широкое применение в производстве композитов на основе полимерной и алюминиевой матриц.
…

4. Методы контроля качества полученного изделия
Качество борных волокон, в первую очередь их прочность определяется дефектами трех типов: поверхностными, объемными и дефектами на поверхности раздела оболочки и сердцевины.
Поверхностные дефекты можно устранить травлением и тогда наблюдается значительный прирост прочности борного волокна. Поверхностные дефекты возникают в борных волокнах с грубой поверхностью, содержащей наросты, неровности и поверхностные трещины. Прочность таких волокон низка и составляет 140-280 кгс/мм2.
Объемными дефектами являются включения крупных кристаллов бора и других примесей. Они снижают прочность волокон до 200-300 кгс/мм2.
Трещины и пустоты на поверхности раздела сердцевины и оболочки снижают прочность до 280 кгс/мм2. Усовершенствуя технологический процесс, можно избежать появления поверхностных и объемных дефектов, однако устранить дефекты поверхности раздела очень трудно.
…

Заключение
Стеклопластики успешно применяются в обшивках и обтекателях самолетов и других конструкциях, но в узлах, несущих нагрузку, не могут быть применены из-за недостаточной жесткости.
Среди неорганических волокон, имеющих исключительные высокомеханические свойства, наиболее подходящими для данных целей являются борные волокна. Их использование в композитах позволяет обеспечивать высокий уровень прочностных, усталостных характеристик и высокое значение модуля упругости, а их полупроводниковые свойства приводят к понижению тепло- и электропроводности.
Волокна бора используют в производстве композитов с алюминиевыми и полимерными матрицами. Композиты с алюминиевыми матрицами имеют ряд преимуществ, например их могут эксплуатировать при температурах до 640К и перерабатывать на обычном технологическом оборудовании, используемом в металлургической промышленности.
Наряду с борными волокнами, в последнее время широко производятся и применяются боросиликатные волокна.
…