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第九章 其他无机纤维增强材料 第一节 硼纤维 第二节 碳化硅纤维 * 硼纤维是一种新型的无机纤维。通常所指的硼纤维是一种复合纤维，常见的复合形式有B/W和B/SiO2两种，前者是硼沉积在细钨丝上，后者是硼沉积在涂碳和涂钨的石英纤维上。 1 硼纤维的制备 硼纤维的制备方法:通行采用气相沉积法(CVD),即在一根受热的纤芯上。 例如在超细的钨丝上，用氢气还原三氯化硼，生成无定形的硼，并沉积在芯材的表面，形成立径大约100μm的硼纤维。其化学反应式如下： 硼纤维的制造技术主要集中在三个方面： (1)采用了新的芯材取代了价格昂贵的钨质纤芯 最有代表性的是采用涂碳(或钨)的石英玻璃纤维芯材。用此种纤维制备硼纤维的特点:具有高温膨胀性能好、降低硼纤维的表现密度、提高它的比弹性模量。 (2)改进化学气相沉积法及其有关设备 在沉积过程中，随着纤维直径的增加，以及芯材与硼在高温下的化学反应，电阻值变化很大，甚至由于局部电阻增大出现“亮点”,造成硼的不均匀沉积，影响硼纤维的质量。所以采取了辅助外部加热装置和射频加热装置,实现了反应温度的均匀分布。 (3)硼纤维的后处理 后处理技术：主要包括化学处理和表面涂层处理两个方面 化学处理法的目的是把影响纤维性能， 表面涂层处理目的是增加硼纤维的辅助保护层,使其在高温下不与基质材料(金属基)起反应。 2 硼纤维的性能及其应用 硼纤维的性能:与其他增强材料相比，硼纤维具有较低的密度、较高的强度、很高的弹性模量和熔化温度,以及良好的高温强度保留率。例如弹性模量比玻璃纤维高出4倍。硼纤维的强度超过了钢的强度。其性能见表1。 表1 硼纤维的主要性能 2.4～2.6 密度（g/cm3） 1.5 线膨胀系数（10-6K-1） 400 拉伸弹性模量（GPa） ＞3.45 拉伸强度（GPa） 典型值 性能 硼纤维的应用：硼纤维在航天工业上用作结构材料，也在航空工业中得到了应用，例如，B-1洲际战略轰炸机、F-14和F-15等军用飞机中，都使用硼纤维来增强钛合金的部件。 在高温高速下运转的内燃机转子的叶片，如果使用硼纤维来增强，可以提高叶片的使用寿命和转动速度。硼纤维还可以作为中子的减速剂，在原于能工业以及防中子弹等方面。 碳化硅纤维有三种形态上:晶须、异芯纤维和先驱体纤维。 碳化硅(SiC)纤维的先驱体是聚碳硅烷(PCS)。 高性能的 纤维的制备：聚碳硅烷经熔融纺丝、不熔化处理、以及1200℃以上的高温热解。 1 碳化硅(SiC)纤维制备 聚碳硅烷(PCS)经熔融纺丝，可以得到10μm～15μm的有机纤维。 碳化硅(SiC)纤维制备：在一定温度下，是纤维表面的Si-H键与氧作用，生成不熔的交联结构，再经不熔化处理SiC纤维的PCS纤维，在氮气的保护下，在一定张力下，以100℃/h ～300℃/h的升温速率，从室温升到1250℃ ，然后停止加热，让其自然冷却，可得到黑色有金属光泽的SiC纤维。 2 碳化硅纤维的性能 (1)力学性能优异 碳化硅纤维是由均匀分散的微晶构成，凝聚力很大，应力能沿着致密的粒子界面分散，因此具有优异的力学性能。例如碳化硅纤维，纤维直径为l0μm～15μm,抗张强度为2500MPa～3000MPa，弹性模量为180GPa～200GPa，断裂伸长率1.5％，密度为2.55g/cm3，热膨胀系数(轴向)为3.1×10-6℃-1。 (2)耐热氧化性能好 在1000℃以下，其力学性能基本上没有变化，因此可以在高温下长时间使用,当在1300℃以上；由于微晶的增大，使力学性能降低。 (3)化学稳定性好 碳化硅纤维具有良好的化学稳定性在80℃的6mol／L HCl、9mol／L H2SO4、7mol／L HNO3、30％NaOH水溶液中浸蚀24h ，后纤维质量损失均在1％以下，纤维力学性能基本不变。 (4)与金属有良好的浸润性 在1000℃以下，碳化硅纤维几乎不与金属发生反应，直到1100℃以上才与某些金属发生反应。因此，它可与多种金属复合，并有良好的浸润性。 碳化硅纤维与各种金属在高温下的反应活性见表2。 (5)耐辐照性能和吸波性能好 0 0 0 0 0 2610 Mo △ △ 0 0 1875 Cr △ △ △ △ △ 1668 Ti △ 0 0 0 0 1537 Fe × △ △ 0 0 1495 Co × × 0 0 0 1453 Ni 0 0 0 0 0 0 1083 Cu 0 0 0 0 961 Ag 0 0 0 660 Al 1200 1100 1000 950 900 850 800 750 650 620 530 450 处理温度（℃）（在H2中1h） 金属熔点（℃） 金属 表2 碳化硅纤