硼纖維

硼纖維是重要高科技纖維之一，其英文名稱為Boron filament，實際上它是一種複合纖維。通常它是以鎢絲和石英為芯材，採用化學氣相沉積法製取。最早開發研製硼纖維的是美國空軍增強材料研究室(AFML)，其目的是研究輕質、高強度增強用纖維材料，用來製造高性能體系的尖端飛機。在研製過程中，受到美國國防部高度重視與支持。隨後，又以Textron Systems公司(原名AVCO公司)為中心，面向商業規模生產並繼續研發。該公司將硼纖維與環氧樹脂進行復合製成BFRP，以及與金屬鋁等複合製成FRM ,面向飛機、宇航用品、體育娛樂用品以及工業用品等方面進行應用研究。能生產硼纖維的國家還有瑞士、英國、日本等 ^[1]  。

硼纖維一般採用化學氣相沉積法(CVD)生產。作為芯材，通常使用直徑為12.5 um很細的鎢絲，通過反應管由電阻加熱，三氯化硼(BCl₃)和氫氣的化學混合物從反應管的上部進口流入，被加熱至1300℃左右，經過化學反應，硼層就在乾淨的鎢絲表面上沉積，製成的硼纖維被導出，纏繞在絲筒上。

HCl和未反應的H₂及BCl₃從反應管的底部出口排出，BCI₃經過回收工序可再生利用。生產的硼纖維大致有3種，即絲徑為75um，100um和140um。絲徑大小可通過牽引速度來控制。

此外，生產硼纖維的其他方法有乙硼烷(diborane)的熱分解及熔融乙硼烷為原料等生產方法，但經確認，CVD法乃是最經濟的方法。

硼纖維在己有的增強纖維中具有獨特的性能，尤其是它的壓縮強度是其拉伸強度的2倍(6900MPa)，是其他增強纖維尚未看到的。硼纖維的拉伸強度受化學氣相沉積過程中產生的缺陷來決定。硼纖維產生的缺陷有以下幾種，①二硼化鎢芯材與硼層界面附近有空隙；②在沉積過程中，產生壓扁狀況；③結晶或結晶節生長時，表面有缺陷等。另外，纖維的彈性模量，是由芯線和純硼的體積含量來決定 ^[2]  。

在航空方面主要用作飛機的零部件。例如，美國空軍飛機F-15和海軍飛機F-14的垂直尾翼、穩定器，B-1飛機機翅縱向通材，直升機CH-54B , F-4飛機方向舵，707飛機襟翼，F-5飛機着陸裝置門，T-39A飛機機翼箱等都使用硼纖維與環氧樹脂複合材料。據介紹，西科爾斯基飛機設計家所設計的直升機以及法國製造的幻影2000飛機，也採用一些硼纖維。硼纖維與鋁製的複合管材，可用作直升機的主要結構零件、框架和機殼，大大小小數百根複合管己被標準使用。

作為更進一步的應用，採用硼纖維與環氧樹脂帶材對飛機金屬機體的修補。己經對Lock-heed公司製造的美國軍用飛機C-130和C-141等機體的龜裂及金屬疲勞部分進行修補，都使用了硼纖維與環氧樹脂複合材料作為補釘，己有實際業績。特別是近年來，商用飛機、客運飛機等同樣存在老化問題，也會因長期運行出現龜裂及金屬疲勞，這給硼纖維的應用帶來生機，有關部門正在深入技術研究。採用硼纖維複合材料修補飛機有以下特點：①不需要分解機體就可進行修補，這樣可縮短修理、停飛時間，為航空公司帶來效益；②在修補時，不需要鉚釘和螺栓等，可用樹脂粘接修補，這樣可避免因鉚釘、螺栓孔穴產生龜裂與應力；③可使用超聲波和渦流非破壞性試驗檢查，不會產生觸電；④可延長疲勞壽命，減少維修成本。

在航天方面，可作航天器的結構零件。採用硼纖維與碳纖維混雜結構，具有很高的剛性，使熱膨脹係數趨近0，適應宇宙中苛刻環境的變化需要。

大多數情況都是將硼纖維與碳纖維製成混雜纖維複合材料用於體育及娛樂用品。例如，由硼纖維與碳纖維混雜纖維製成的高爾夫球棒，即像單一碳纖維球棒那樣輕，又有鋼質球棒那樣的打球感，使高爾夫球的飛行距離及飛行方向都很優異；在網球拍及羽毛球拍方面，能改變球拍擊中球中心部分；在釣魚竿方面，採用硼纖維振動傳遞性強，反應靈敏，還難折斷；在滑雪板方面，硼纖維因衰減性優異，減少板的“撓度”，能適應雪面的微妙變化。

由於硼纖維強度高，質量輕，物性好，可面向工業製品方面進行開發。例如，利用硼纖維高導熱性和低熱膨脹係數等特點，製成硼纖維與鋁合金複合金屬材料，可用作半導體用冷卻基板；利用硼纖維的高硬度(3200Knoop)，開發面向錄音剪輯材料及車輪等製品方面應用。此外，硼纖維還具有吸收中子的能力，可適用於核廢料搬運及儲存用容器。利用硼纖維的高壓縮強度，在瀝青系碳纖維的強度補強方面也極其有效。

據介紹，日本國的青山學院秋光純教授，於2001年發現了新的超導物質金屬系MgB₂，該超導物質的超導温度為-234℃(熱力學温度39K )，而金屬材料至今的記錄，熱力學温度為23K，MgB₂要高出近2倍，突然間引人注目 ^[3]  。