Specialty Materials公司的硼碳复合材料创新

美国Specialty Materials公司是全球领先的供应商，专门提供高品质的硼纤维、碳化硅纤维和先进复合材料。他们的高性能纤维已经在多个领域得到应用，包括航空、航天、体育用品和工业应用等，这些领域都需要出色的机械性能和物理性能。

公司的先进材料已经成功应用于许多不同的案例，如通用原子公司的“捕食者”无人飞行器（UAV）等。这些应用正在革命性地改变军用和侦察飞机、燃气轮机发动机部件、自行车车架、飞行杆、曲棍球棒、压缩管以及下一代光伏太阳能电池的制造工艺。


Hy-Bor®硼纤维/碳纤维（硼/碳）复合材料


该公司开发Hy-Bor®复合材料是通过将特种硼纤维与碳纤维相结合的一种高性能材料，可提供优异的碳纤维增强效果。Hy-Bor®复合材料的典型优势在于其具有优异的压缩强度，高压缩强度使得Hy-Bor®可以最大限度地降低复合材料层密度和制造成本。


上图中第一种产品为硼纤维复合材料，随后是两种Hy-Bor®硼/碳复合材料、三种碳纤维树脂基复合材料和三种玻璃纤维树脂基复合材料，从图中可以看出随着硼纤维的引入，两种Hy-Bor®硼/碳复合材料具有明显的高压缩强度优势。


当使用Hy-Bor®时，设计师可以减少厚度，从而在减轻重量的情况下获得更高的性能。与纯碳纤维复合材料解决方案相比，Hy-Bor®可以通过减少加工工艺并通过减重来降低制造成本。基于这些原因，Hy-Bor®被用于通用原子公司的捕食者无人机的翼梁帽。


由于其高抗压强度、高刚度刚度以及零热膨胀系数(CTE)，Hy-Bor®复合材料也可以用于太空应用；此外，Hy-Bor®还可以通过使用不同类型的碳纤维和树脂系统进行定制。


硼纤维的魅力何在？


1、强度比普通金属高4~8倍


硼纤维是指在金属丝上沉积硼而形成的无机纤维。通常用氢和三氯化硼在炽热的钨丝上反应，置换出无定形的硼沉积于钨丝表面获得，属脆性材料。硼纤维一般采用化学气相沉积法生产。硼纤维本身就是一种复合材料，作为芯材，通常使用直径为12.5um很细的钨丝通过玻璃反应室，钨丝电阻加热后引起反应室内三氯化硼与氢气反应，而使元素硼沉积在钨丝上，形成一层包套，缠绕在丝筒上。这就是所谓的硼纤维，它的直径已达到100200μ。硼纤维的拉伸强度超过了高强度钢，达到34.32MPa，密度只有2.59/em，强度比普通金属（钢、铝等）高4~8倍。


目前硼纤维最大的用途是与环氧树脂或铝制成复合材料，用于航空和航天，如管道支柱和电子零件的散热/冷却板：风扇叶片、机翼皮革、起落架等，飞机发动机的发动机。也可用于制造网球拍、羽毛球拍、钓竿、滑雪板、自行车架、高尔夫球杆等先进运动器材。硼具有较高的中子吸收能力，可用于建造防辐射掩蔽场所、核废料运输桶和器皿。硼/环氧具有独特的微波吸收和反射能力，仅限于天线和雷达。


2、航空领域最早使用的高性能纤维之一


硼纤维是航空领域最早使用的高性能纤维之一。美国空军增强材料研究室最早开发和研制硼纤维(AFML)，其目的是研究用于制造高性能系统的尖端飞机的轻质、高韧性增强纤维材料。现在，商业规模生产和持续研究是以美国TextronSystems为中心的。不幸的是，由于硼纤维与碳纤维相比，杜邦公司的凯芙拉纤维产量更小，成本更高，因此没有达到与上述高性能纤维相同的市场覆盖范围。但是硼纤维仍然以其独特的性能在航空航天等领域占有一席之地。航运业主要用于飞机的零部件。


两代Hy-Bor®硼/碳复合材料产品的发展


1、第一代（Gen1）Hy-Bor®产品


公司Gen1 Hy-Bor®产品使用日本三菱MR40碳纤维、Newport 301（NCT301）250°F固化环氧树脂以及公司生产的硼纤维（直径4mm）相复合。除了三菱MR40碳纤维以外，Hy-Bor®复合材料可以被制造成包含任何市售碳纤维的预浸料。通过改变预浸料中硼纤维的间距，可以实现材料性能和成本的定制化，从而满足各种苛刻应用。


Hy-Bor®复合材料作为一种硼纤维和商用碳纤维预浸料的混合材料，可以显著提高弯曲和压缩性能、提高开孔压缩强度，并且在考虑压缩关键设计中可以减少碳纤维层的数量，其性能可根据不同的硼纤维使用量（比如硼纤维数量208根）和碳纤维预浸料配置进行定制。


2、第二代（Gen2）Hy-Bor®产品


Gen 2 Hy-Bor®复合材料是下一代高端混合复合材料，根据终端应用领域，使用了日本东丽T1100G中模量碳纤维、直径4mm的硼纤维（208 FPI）以及各种树脂系统。


Gen2 Hy Bor®复合材料的主要优势包括：a）、含硼体积约为40%；b）、二代 Hy-Bor®产品中可提供硼纤维的压缩强度（>400 ksi） ；c）、硼纤维提高了所有碳纤维复合材料的压缩相关性能；d）、由于碳纤维嵌入到硼纤维内部，因此Hy-Bor®可以实现高达70%的纤维体积。


除此以外，Gen2 Hy Bor®复合材料还采用更高温度的树脂。树脂应用需要考虑有氧和无氧环境，因为所有聚合物都会氧化，在表面温度为350°F的情况下，飞行寿命为120,000小时的2.4马赫飞机需要使用聚酰亚胺，因为BMI双马树脂、环氧树脂和氰酸酯缺少热氧化稳定性。


该公司目前正与日本东丽、美国威奇托州立大学国家航空研究所（NIAR）合作，为国家先进材料性能中心（NCAMP）数据库鉴定几款第2代Hy-Bor®复合材料，其中东丽公司提供树脂选项包括：


· TC380：新开发的具有增强热/湿性能的增韧环氧树脂


· RS-8HT：具有优异高温性能的400°F固化BMI


· TC420：具有增强耐腐蚀性的氰酸酯树脂


· RS-3C：具有韧性和热/湿性能平衡的氰酸酯树脂


· RS-51：具有优异高温性能的聚酰亚胺


关于Specialty Materials


特种材料公司/Specialty Materials（美国马萨诸塞州洛厄尔市）是一家高品质硼和碳化硅纤维产品、先进复合材料和高纯度硼纳米粉的供应商。该公司是一家经过认证的女性所有的小企业，并获得了美国小企业管理局颁发的2020年度国家分包商奖。


Specialty Materials将增强其含有硼和碳纤维的Hy-Bor预浸料组合。Hy-Bor被用作碳纤维复合材料结构中的选择性增强材料，以减轻重量并提高航空航天、太空、体育用品和其他需要高性能材料的应用的压缩性能。


该公司在Hy-Bor产品组合中最新添加的单丝硼纤维与东丽（日本东京）东丽T800和T1100中模量（IM）碳纤维以及最先进的东丽增韧环氧树脂、氰酸酯、双马来酰亚胺和聚酰亚胺树脂系统，用于陆地和天体应用。具体性能是高度可调的，包括硼纤维的面密度，用于有针对性地利用压缩强度大于475 ksi和模量大于32 msi的复合材料。


除硼纤维外，Specialty Materials还提供一系列碳化硅单丝纤维，用于美国制造的金属和陶瓷基复合材料应用。


文章来源： 钱鑫博士，赛奥碳纤维，成都正西液压
原文链接：https://www.xianjichina.com/special/detail_551962.html
来源：贤集网
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