Борное волокно, его состав, свойства и области применения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Алтайский государственный технический университет

им. И.И. Ползунова»

Факультет специальных технологий

Кафедра современных специальных материалов

Реферат

«Борное волокно, его состав, свойства и области применения»

по дисциплине «Волокнистые композиционные материалы»

Студент группы

Д.С. Попов

Руководитель к.т.н., доцент

С. В. Ананьин должность, ученая степень

Барнаул 2020

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ БОРНЫХ ВОЛОКОН

2. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА БОРНЫХ ВОЛОКОН

2.1 Недостатки борных волокон

3. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ БОРНЫХ ВОЛОКОН

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Технологический прогресс, с одной стороны, порождает необходимость разработки новых конструкционных материалов, а с другой, в значительной степени обуславливается результатами этих разработок. Новые материалы открывают возможности для реализации новых конструкционных идей. В настоящее время перспективы прогресса в машиностроении связывают с углеродными и борными волокнами.

На данный момент, очень широко используются композиционные материалы, это позволяет снизить вес конструкций. Бор чрезвычайно твёрдое вещество уступает только алмазу, нитриду бора (боразону), карбиду бора.

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. Волокна бора являются одним из перспективных армирующих материалов композитов с полимерной и металлической матрицами. Использование борных волокон в композитах позволяет обеспечивать высокий уровень прочностных, усталостных характеристик и высокое значение модуля упругости.

Борные волокна выпускаются промышленностью как в виде моноволокон на катушках, так и в виде полуфабрикатов, представляющих собой комплексные армирующие материалы.

1. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ БОРНЫХ ВОЛОКОН

Температура плавления бора 2200 °С, что исключает возможность получения борных волокон из расплава фильерным и даже «штабиковым» способами, используемыми в производстве кварцевых волокон. Волокна бора получают восстановлением водородом треххлористого бора или разложением бороводородов с одновременным осаждением образующегося металлического бора на нагретую подложку - металлическую проволоку (обычно вольфрамовую), углеродную или кварцевую нить с токопроводящим покрытием.

Наиболее распространенной технологией получения борных волокон является количественное осаждение бора из газовой фазы. Обычно используют газовую смесь водорода Н2 и трихлорида бора ВCl3, осаждая бор на раскаленную пропускаемым током вольфрамовую нить диаметром 12,5 мкм. В промышленных масштабах выпускают волокна диаметром 100, 140 и 200 мкм. Более толстые или более тонкие борные волокна выпускают в объемах опытных партий.

Борные волокна производят в реакторе, схематически показанном на рис. 1. Вольфрамовую основу помещают в вертикальную стеклянную шахту внутренним диаметром около 10 мм. Для обеспечения электрического контакта с вольфрамом и для герметизации реактора (газовая смесь в реакторе находится при атмосферном давлении) шахта с обоих конов закрыта наполненными ртутью емкостями, служащими затворами. В верхней части реактора вольфрамовая основа нагревается в атмосфере инертных газов и очищается ими. В другой части реактора вольфрамовая основа нагревается до температуры 1350 ? в атмосфере эквимолярной смеси H2 и BCl3, в которой и происходит осаждение бора на вольфрамовую проволоку.

Этот процесс проводится в одну или несколько стадий. Нагрев волокна осуществляется электрическим током, пропускаемым через основу. Обычно используется постоянный ток или сочетание постоянного тока с УВЧ-током.

УВЧ-нагрев используют в случае необходимости точно поддерживать температурный профиль по сечению волокна при получении бороволокон большого диаметра (больше 200 мкм). Длина реактора составляет около 2 м, а скорость получения борных волокон не превышает 907 г в неделю.

Рисунок 1 - Схема реактора для осаждения бора на вольфрамовую проволоку:

1 - исходная паковка вольфрамовой проволоки; 2 - секция очистки вольфрама; 3 - секция осаждения бора в одну или несколько стадий; 4 - приемная бобина для борного волокна

Химическая реакция, приводящая к выделению элементарного бора, идет по схеме:

.

Химическое равновесие препятствует однонаправленности этой реакции (1) и приводит к тому, что только 2 % ВСl3 разлагается с осаждением бора на основу. Непрореагировавший ВС13 конденсируют при температуре 80 °С, НС1 отделяют от Н2, а водород либо выпускают в атмосферу, либо вновь включают в технологический цикл. Для получения высококачественного волокна требуется очень точно соблюдать технологические режимы в реакторе. Если осаждение ведется при параметрах, отклоняющихся от оптимальных, расстояние между кристаллами бора возрастает, что приводит к образованию слабых участков в волокне и ухудшает его дальнейшую переработку. При очень высоких скоростях осаждения практически весь бор кристаллизуется и прочность волокна оказывается ниже 1379 МПа. Слишком большое уменьшение скорости осаждения также приводит к падению прочности волокна. Следовательно, чтобы получить продукцию с максимально хорошими свойствами и большим выходом, необходимо строго выдерживать оптимальные условия в реакторе.

Заметим, что температурный профиль в процессе осаждения бора из газовой фазы на боровольфрамовое волокно неравномерен
по длине волокна в реакторе, так как по мере осаждения бора меняется электрическое сопротивление волокна. Электросопротивление, температура волокна и скорость осаждения бора уменьшаются от начала к концу реактора. Температурный профиль может поддерживаться почти постоянным, если применить двух - (или более) стадийную схему подведения электрического тока к волокну, а также использовать для поддержания и контроля выделяемой на каждой стадии электрической энергии УВЧ - технику (т. е. частоты от 30 до 100 МГц). Скорость выхода конечной продукции возрастает при выравнивании профиля температуры волокна. Однако с возрастанием этой скорости выше определенного предела прочность полученного волокна падает. В некоторых случаях поверхность волокна подвергают травлению для устранения микродефектов, понижающих его прочность. Волокна длиной до 3000 м сматывают на бобины диаметром около 200 мм. Параметры процесса изготовления борного волокна - температура, чистота и концентрация реагентов, их соотношение - в значительной мере определяют структуру осажденного бора, а, следовательно, и свойства волокон.

2. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА БОРНЫХ ВОЛОКОН

Поверхность борных волокон имеет зернистую структуру, что является результатом того, что в процессе получения волокон первоначально бор осаждается на активных центрах (зародышах осаждения), имеющихся на поверхности вольфрамовой подложки. Затем осаждение происходит послойно с образованием зерен, размеры которых постепенно увеличиваются, что приводит к их смещению с четким проявлением границ раздела. Сердцевина борных волокон состоит из смеси боридов вольфрама (W2B5 и WB4). борный волокно плавление напряжение

Микроскопическими исследованиями установлено, что на поверхности борных волокон имеются трещины, которые обуславливают снижение прочности. Причины возникновения трещин: отклонение скорости осаждения от заданной, остаточные напряжения, возникающие в процессе осаждения бора и подобные (высокая температура осаждения, наличие примесей в газовой фазе)

Среди металлических волокон, которые можно использовать в качестве наполнителей, волокна бора обладают наиболее высокими показателями удельной прочности и жесткости, поскольку их плотность в 3 раза ниже плотности стали. Исключение составляют бериллиевые волокна, но токсичность осложняет их использование в производстве композиционных материалов.

Плотность осажденного бора составляет 2,2 г/см3, в то время как сердцевина диаметром около 16 мкм состоит из боридов вольфрама переменной плотности (8-15 г/см3). Прочность при растяжении волокон бора возрастает незначительно с увеличением толщины оболочки из бора.

Однако плотность волокон резко уменьшается по мере уменьшения содержания вольфрама, особенно при толщине оболочки до 80 мкм. Естественно, что при этом удельная прочность волокон возрастает особенно интенсивно. По мере дальнейшего увеличения толщины оболочки удельные значения прочности и жесткости возрастают очень мало, но резко понижается гибкость волокон. Диаметр стандартных борных волокон колеблется в пределах от 90 до 110 мкм.

Гетерогенная структура борного волокна (наружная оболочка из металлического бора микрокристаллической структуры и сердечник из кристаллических боридов переменного состава) способствует возникновению высоких напряжений сжатия в сердечнике и растяжения в оболочке, достигающих 80 - 100 кгс/мм2. Поверхность борного волокна образована множеством «зерен» осажденного бора, имеющих форму неправильных многоугольников с площадью от 2 до 80 мкм2.

Разрушающее напряжение при растяжении волокон зависит от их длины и диаметра и изменяется в широких пределах в зависимости от степени дефектности. Разрушающее напряжение борных волокон при изгибе, определенное при огибании их вокруг стержней-шаблонов, примерно вдвое превышает прочность при растяжении. Разброс показателей прочности и жесткости промышленных борных волокон, оцениваемый коэффициентами вариаций, изменяется в пределах от 18 до 40% для прочности от 5 до 12% для модуля упругости.

Борные волокна разрушаются как хрупкие материалы, зависимость напряжение - деформация линейна до момента разрушения. С повышением температуры прочность и модуль упругости волокна бора незначительно снижаются вплоть до 400 - 450°С, после чего начинается резкое снижение показателей. Изменяется характер деформационных кривых; уменьшается предел пропорциональности и появляются пластические деформации, которые возрастают с температурой.

При 300 °С (температурный предел эксплуатации современных конструкций из боропластиков) падение показателей механических свойств волокон бора составляет от 10% до 15%. Резкое снижение разрушающего напряжения волокна при изгибе начинается после прогрева при 200 °С, что связано с охрупчиванием поверхностного слоя. При 500 °С прочность волокон составляет 40 % от исходной. При выдержке волокон бора при 200 °С в воздушной среде в течение 1000 часов прочность при растяжении не изменяется. При нагревании в течение 120 часов при 400 °С разрушающее напряжение при растяжении снижается до 200 кгс/мм2, в течение 1000 часов - до 100 кгс/мм2. При температурах выше 400 °С начинается заметное окисление поверхности волокон.

В бескислородной среде термическая стойкость борных волокон достаточно высокая. Для предотвращения окислительной деструкции волокон на их поверхность наносят тугоплавкие покрытия из карбида кремния, карбида бора и др., толщина которых составляет несколько микрон.

Механические свойства борных волокон достаточно высоки, они представлены в таблице 3.

Таблица 3. Свойства борных волокон

Борные волокна относятся к полупроводникам, поэтому при их введении в полимерный композит последнему придаются пониженные тепло- и электропроводящие свойства. Таким образом, ПКМ, армированные борными волокнами, используются преимущественно для производства изделий, обладающих комплексом специфических свойств.

2.1 Недостатки борных волокон

Прочность борных волокон имеет значительный статистический разброс. Коэффициент вариации прочности в зависимости от дефектности структуры поверхности волокон колеблется в пределах от 17 до 36 %.

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.

3. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ БОРНЫХ ВОЛОКОН

Волокна бора применяются в качестве армирующих наполнителей в полимерных и алюминиевых матрицах. Из-за высокой стоимости волокна его применение ограничено. Наиболее эффективно бороалюминиевый композит используется в конструкциях космических аппаратов. Основная масса произведенных волокон идет на изготовление лент-препрегов с эпоксидной смолой в качестве матрицы. Такие ленты могут использоваться в авиации для изготовления следующих частей: горизонтальный и вертикальный стабилизаторы, хвост, каркас лонжерона, элементы крепежа.

Борные волокна широко используются в спортивном инвентаре: удочки, теннисные ракетки, лыжи, клюшки. Однако основное назначение борных волокн - изготовление металлических композиционных материалов на основе алюминия в качестве матрицы, которые успешно применяются в виде трубчатых распорок для каркасов космических аппаратах многоразового использования.

Высокие механические свойства борных волокон, полученных методом осаждения бора, привлекли к этим волокнам внимание многих конструкторов. В результате борные волокна получили широкое распространение.

Их применение в сочетании с алюминиевой матрицей в самолетостроении способствовало снижению массы различных узлов военных и гражданских самолетов. Частично боропластики используются в конструкциях самолета так же, как углепластики, снижая, в то же время, стоимость конструкции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Борные волокна на сегодняшний день остаются одним из наиболее востребованным армирующим материалом с высокими механическими характеристиками, работающим при сжатии и растяжении. Основная масса произведенных волокон идет на изготовление лент и препрегов с эпоксидной смолой в качестве матрицы. Преимущества борных волокон состоят не только в том, что они обладают высокими показателями удельных механических свойств, но и в том, что их использование возможно в сочетании как со связующими, ранее разработанными для стеклопластиков, так и с алюминием.

Появление высокопрочных высокомодульных волокон, обладающих низкой плотностью, и композиционных материалов на их основе позволило изменить многие конструкции в авиастроении.

Снижение стоимости борных волокон делают экономически целесообразным внедрение волокнистых полимерных композиционных материалов в машиностроение, судостроение и медицину.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Туранов Р.А. Композиционные материалы с использование бора в авиастроении // Современные наукоемкие технологии. - 2013. - № 8-2. - С. 230 - 231;

2. Справочник/ В. В. Васильев, В. Д. Протасов, В. В. Болотин и др.; Под общ. Ред. В. В. Васильева, - М.: Машиностроение, 1990. - 512 с.

3. Справочник по композиционным материалам: Под ред. Дж. Любина; Пер. с англ. А. Б. Геллера; Под ред. Б. Э. Геллера. - М.: Машиностроение, 1988. - 448 с.

4. Углеродные волокна: Пер. с япон. / Под. ред. С. Симамуры. - М.: Мир, 1987. - 304 с.

Размещено на Allbest.ru