8. 5. Борные волокна

Стеклопластики успешно применяются в обшивках и обтекателях самолетов и других конструкциях, но в узлах, несущих нагрузку, не могут быть применены из-за недостаточной жесткости [13].

Таллей (фирма «Тексако эксперимент») в 1959 г. сообщил о получении высокопрочного высокомодульного борного волокна методом химического осаждения бора из газовой фазы Н2 и трихлорида (ВСl₃) на вольфрамовую нить (10 мкм). В промышленных условиях получают волокна -100, 140 и 200 мкм:

2ВСl₃ + 3Н₂  2В + 6НСl.

Химическое равновесие препятствует однонаправленности этой реакции и приводит к тому, что только 2% ВСl₃ разлагается с осаждением бора на основу. Непрореагировавший ВСl₃ конденсируют при температуре –80^оС, НСl отделяют от Н₂, а водород либо выпускают в атмосферу, либо вновь включают в технологический цикл. Высококачественное волокно получают только при оптимальных параметрах в реакторе: температура 1350⁰С, эквимольное соотношение Н₂ и ВСl₃, длина реактора 2 м, а скорость получения борных волокон не превышает 907 г в неделю.

В стоимость 1 кг борного волокна вносят 135 долларов вольфрамовая проволока и 108 долларов трихлорид бора.

В результате осаждения образуется сердцевина из боратов вольфрама (WB, W₂B₂, WB) диаметром 15-17 мкм, вокруг которой располагается слой поликристаллического бора. Диаметр борных волокон 10-250 мкм.

Свойства волокон бора 100 мкм: Gр = 2500-400 МПа, Gиз = 6000-6500 МПа, удлинение – 0,6-1,0%. Большая прочность волокон при изгибе объясняется тем, что наибольшие напряжения при изгибе возникают в поверхностных слоях борной оболочки, граница же раздела, прилегающая к нейтральной оси, практически не нагружена, а именно она и является наиболее слабым местом в составе волокна.

Гетерогенная оболочка бора способствует возникновению высоких напряжений: сжатия в сердечнике и растяжения в оболочке. Это приводит к возникновению радиальных трещин в волокне вследствие больших остаточных напряжений, которые возрастают с увеличением диаметра волокна. Поэтому прочность волокон имеет большой разброс и коэффициент вариации колеблется в пределах 17-30%.

Для повышения жаростойкости борных волокон, в случае использования их для армирования металлических матриц, их покрывают карбидом кремния осаждением из парогазовой фазы в среде аргона и воздуха. Такие волокна называют борсиком.

Разрушение борных волокон и борсика происходит по дефектам на поверхности волокна.

Борные волокна, полученные на вольфраме, имеют высокую стоимость. Для снижения стоимости осаждение проводят на стеклоуглеродное волокно, вырабатываемое из пеков. Такое волокно имеет гладкую поверхность и Gр = 4000 МПа, а иногда 5000 МПа.

Борные волокна применяют в производстве КМ на основе полимерной и алюминиевой матриц.

Борные волокна относятся к числу полупроводников, поэтому КМ на их основе характеризуются более высокими, по сравнению с ПКМ с органическими волокнами, тепло- и электропроводностью.