Fibras de Boro

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Introdução 
Reforços não precisam necessariamente ser na forma de fibras longas. Pode-se ter-los sob a forma de partículas, flocos, bigodes, fibras curtas, fibras contínuas ou folhas. Acontece que a maioria dos reforços usados ​​em compósitos tem uma forma fibrosa porque os materiais são mais fortes e rígidos na forma fibrosa do que em qualquer outra forma.
Especificamente, nesta categoria, estamos mais interessados ​​no chamado fibras, que possuem muito alta resistência e rigidez muito alta juntamente com um muito densidade baixa. O leitor deve perceber que muitas fibras naturais podem ser e são usados ​​em situações que envolvem estresses não muito altos (Chawla 1976; Chawla e Bastos 1979). A grande vantagem neste caso, claro, é seu baixo custo.
O uso de fibras como materiais de engenharia de alto desempenho baseia-se em três características importantes (Dresher 1969):
1. Um diâmetro pequeno em relação ao tamanho do grão ou outra unidade microestrutural. Este permite que uma fração maior da força teórica seja atingida do que é possível em um formulário a granel. Este é um resultado direto do chamado efeito de tamanho; quanto menor o tamanho, menor a probabilidade de ter imperfeições no material. Figura 2.1 mostra que a força de uma fibra de carbono diminui à medida que seu diâmetro aumenta (de Lamotte e Perry 1970). Embora esta figura mostre uma queda linear força com o aumento do diâmetro da fibra, uma relação não linear não é incomum. A figura 2.1 deve ser tomada apenas como um indicador geral de tendência.
2. Um alto formato (comprimento / diâmetro, l / d), que permite uma fração muito grande a carga aplicada a ser transferida através da matriz para a fibra rígida e forte (ver Rachar. 10).
3. Um alto grau de flexibilidade, que é realmente uma característica de um material que tem um baixo módulo ou rigidez e um pequeno diâmetro. Essa flexibilidade permite o uso de uma variedade de técnicas para fazer compósitos com essas fibras. 
Em seguida, consideramos o conceito de flexibilidade e, em seguida, descrevemos o processos de fiação de fibra.
Fibras de Boro
O boro é um material intrinsecamente frágil. É produzido comercialmente por vapor químico deposição de boro (CVD) em um substrato, isto é, a fibra de boro como produzida é ela própria fibra composta.
Em vista do fato de que altas temperaturas são necessárias para este depósito processo, a escolha do material de substrato que vai formar o núcleo do a fibra de boro é limitada. Geralmente, um fio de tungstênio fino é usado para essa finalidade.
Um substrato de carbono também pode ser usado. As primeiras fibras de boro foram obtidas por Weintraub (1911) por meio da redução de um haleto de boro com hidrogênio em um substrato de fio quente.
O verdadeiro impulso na fabricação de fibras de boro, no entanto, veio em 1959, quando Talley Talley 1959; Talley et al. 1960) usaram o processo de redução de halogenetos para obter fibras de boro amorfas de alta resistência. Desde então, o interesse no uso de fortes, mas fibras leves de boro como um possível componente estrutural na indústria aeroespacial e estruturas tem sido contínua, embora se deva admitir que esse interesse periodicamente encerado e diminuído em face da concorrência bastante dura de outras fibras avançadas chamadas, em particular, as fibras de carbono.
Fabricação
Fibras de boro são obtidas por CVD em um substrato. Existem dois processos:
1. Decomposição térmica de um hidreto de boro. Este método envolve baixo temperaturas e, assim, fibras de vidro revestidas com carbono podem ser usadas como substrato. As fibras de boro produzidas por este método, no entanto, são fracas devido à falta de aderência entre o boro e o núcleo. Essas fibras são muito menos densas devido aos gases aprisionados.
2. Redução do haleto de boro. O gás hidrogênio é usado para reduzir o trihalogeneto de boro:
2BX3 + 3H2 → 2B + 6HX; (2.2)
onde X denota um halogéneo: Cl, Br ou I.
Neste processo de redução de halogenetos, as temperaturas envolvidas são muito altas e, assim, é necessário um material refratário, por exemplo, um metal de alto ponto de como tungstênio, como substrato. Acontece que esses metais também são muito pesados. Este processo, no entanto, conquistou o processo de redução térmica, apesar da desvantagem de um substrato de alta densidade (a densidade do tungstênio é de 19,3 g / cm3) principalmente porque este processo dá fibras de boro de uma qualidade muito alta e uniforme.
A figura 2.7 mostra um esquema de produção de filamentos de boro pela técnica CVD, e a Fig. 2.8 mostra uma instalação comercial de produção de filamentos de boro; cada vertical reator mostrado nesta figura produz monofilamento de boro contínuo.
No processo de redução de BCl3, um fio de tungstênio muito fino (10-12 mm de diâmetro) é puxado para dentro de uma câmara de reação em uma extremidade através de um selo de mercúrio e para fora na outra extremidade através de outro selo de mercúrio. Os selos de mercúrio atuam como contatos elétricos para o aquecimento da resistência do arame do substrato quando os gases (BCl3 + H2) passam através da câmara de reação, onde reagem no substrato do fio incandescente. o
O reator pode ser um reator de um ou vários estágios, vertical ou horizontal. O BCl3 é um produto químico caro e apenas cerca de 10% é convertido em boro nesta reação. Assim, uma recuperação eficiente do BCl3 não utilizado pode resultar num considerável abaixamento do custo do filamento de boro.
Há uma temperatura crítica para a obtenção de uma fibra de boro com propriedades e estrutura ótimas (van Maaren et al., 1975). A desejável forma amorfa do boro ocorre abaixo desta temperatura crítica, enquanto que acima desta temperatura também ocorrem formas cristalinas de boro que são indesejáveis ​​do ponto de vista das propriedades mecânicas, como veremos na Sect. 2.3.2. 
Com o arame de substrato estacionária no reator, essa temperatura crítica é de cerca de 1.000ºC. Em um sistema onde o fio está em movimento, essa temperatura crítica é mais alta e aumenta com a velocidade do fio. Geralmente, há um diagrama do tipo mostrado na Fig. 2.9, que mostra as várias combinações de temperatura do fio e velocidade de trefilação do fio para produzir um determinado diâmetro de fibra de boro. As fibras formadas na região acima da linha tracejada são relativamente fracas porque contêm formas indesejáveis ​​de boro como resultado da recristalização. 
A explicação para esta relação entre a temperatura crítica e a velocidade do arame é que o boro é depositado em um estado amorfo e quanto mais rapidamente o arame é retirado do reator, maior é a temperatura permitida. Obviamente, maior velocidade de trefilação também resulta em um aumento taxa de produção e custos mais baixos.
A deposição de boro num substrato de monofilamento de carbono (~ 35 mm de diâmetro) envolve a pré-cobertura do substrato de carbono com uma camada de grafite pirolítica. Este revestimento acomoda as deformações de crescimento que resultam durante a deposição de boro (Krukonis 1977). O conjunto do reator é um pouco diferente do boro no substrato de tungstênio, porque o grafite pirolítico é aplicado on-line.
Estrutura e Morfologia
A estrutura e morfologia das fibras de boro dependem das condições de deposição: temperatura, composição de gases, dinâmica de gás e assim por diante. Enquanto teoricamente, as propriedades mecânicas são limitadas apenas pela força da ligação atômica, na prática, há sempre defeitos estruturais e morfológicos irregularidades presentes que diminuem as propriedades mecânicas. Gradientes de temperatura e rastrear concentrações de elementos de impureza causam inevitavelmente irregularidades. Irregularidades ainda maiores são causadas por flutuações na energia, instabilidade no fluxo de gás e quaisquer outras variáveis induzidas pelo operador.
Estrutura
Dependendo das condições de deposição, o boro elementar pode existir em vários polimorfos cristalinos. A forma produzida pela cristalização do fundido ou CVD acima de 1.300 C é b-romboédrico. A temperaturasinferiores a esta, se cristalina o boro é produzido, a estrutura mais comumente observada é a-romboédrica.
As fibras de boro produzidas pelo método CVD descrito anteriormente têm uma estrutura que geralmente é chamada amorfa. Esta designação é baseada no padrão de difração de raios-X característico produzido pelo filamento no Debye-Scherrer método, isto é, halos grandes e difusos com espaçamentos d de 0,44, 0,25, 0,17, 1,4, 1,1, e 0,091 nm, típico de material amorfo (Vega-Boggio e Vingsbo 1978). 
Estudos de difração de elétrons, no entanto, levaram a concluir que este "amorfo"
o boro é realmente uma fase nanocristalina com um diâmetro de grão da ordem de 2 nm
(Krukonis 1977). 
Baseado em estudos de raios-X e difração de elétrons, pode-se concluir que o boro é realmente b-romboédrico nanocristalino. Na prática, a presença de fases microcristalinas (cristais ou grupos de cristais observáveis ​​no elétron microscópio) constitui uma imperfeição na fibra que deve ser evitada. Maior e imperfeições mais graves geralmente resultam da superação da temperatura crítica de deposição (ver Seção 2.3.1) ou da presença de impurezas nos gases.
Quando a fibra de boro é feita por deposição em um substrato de tungstênio, como é geralmente caso, dependendo das condições de temperatura durante a deposição, o núcleo pode consistir, além do tungstênio, de uma série de compostos, como W2B, WB,
W2B5 e WB4 (Galasso et al. 1967). Secção transversal de fibra de boro (100 mm de diâmetro) é mostrado na Fig. 2.10a, enquanto a Fig. 2.10b mostra esquematicamente as várias subpartes da seção transversal. As várias fases de boreto de tungstênio são formadas por difusão de boro em tungstênio. Geralmente, o núcleo de fibra consiste apenas em WB4 e W2B5.
Em aquecimento prolongado, o núcleo pode ser completamente convertido em WB4. Como boro difunde-se no substrato de tungstênio para formar boretos, o núcleo se expande a partir de original 12,5 mm (diâmetro original do fio de tungstênio) a 17,5 mm. 
O revestimento de SiC mostrado na Fig. 2.10b é um revestimento de barreira usado para prevenir qualquer reação adversa entre B e a matriz, como Al, a altas temperaturas. A camada de barreira de SiC é depositada por vapor sobre boro usando uma mistura de hidrogénio e metildiclorossilano.
Morfologia
A superfície da fibra de boro mostra uma estrutura de “espiga de milho” consistindo de nódulos separados por limites (Fig. 2.11). O tamanho do nódulo varia durante o curso da fabricação. De um modo muito geral, os nódulos começam como núcleos individuais no substrato e depois crescem para fora em uma forma cônica até que um diâmetro do filamento de 80-90 mm seja alcançado, acima do qual os nódulos parecem diminuir de tamanho. Ocasionalmente, novos cones podem formar nucleação no material, mas eles sempre se originam em uma interface com uma partícula estranha ou inclusão.
Tensões Residuais
As fibras de boro possuem tensões residuais inerentes que têm sua origem no processo de deposição química de vapor. Tensões de crescimento nos nódulos de boro, tensões induzidas pela difusão de boro no núcleo de tungstênio e tensões geradas pela diferença no coeficiente de expansão do boro depositado e núcleo de boreto de tungstênio, todos contribuem para as tensões residuais e, portanto, podem ter um influência considerável nas propriedades mecânicas das fibras. O padrão de tensão residual através da seção transversal de uma fibra de boro é mostrado na Fig. 2.12 (Vega-Boggio e Vingsbo, 1978). 
As tensões de compressão na superfície da fibra são devidas à ação de resfriamento envolvida na extração da fibra da câmara (Vega-Boggio e Vingsbo, 1978). Morfologicamente, o aspecto mais visível dessas tensões internas é a fissura radial freqüentemente observada na seção transversal dessas fibras. A rachadura vai de dentro do núcleo até dentro da superfície externa. Alguns trabalhadores, no entanto, duvidam da preexistência deste crack radial (Krukonis 1977). Eles acham que a rachadura aparece durante o processo de fratura da fibra de boro.
Características de fratura
É bem conhecido que materiais frágeis mostram uma distribuição de forças em vez de um único valor. Imperfeições nesses materiais levam a concentrações de tensão muito superiores aos níveis de estresse aplicados. Como o material frágil não é capaz de se deformar plasticamente em resposta a essas concentrações de tensão, a fratura ocorre em um ou mais desses locais. 
A fibra de boro é de fato um material muito quebradiço, e as rachaduras se originam em defeitos preexistentes localizados na interface de núcleo de boro ou na superfície. A Figura 2.13 mostra a característica fratura frágil de uma fibra de boro e a fissura radical. Vale ressaltar aqui que a trinca radial não se estende até a superfície da fibra. Isso ocorre porque a camada superficial da fibra de boro é na compressão; veja a Figura 2.12. 
Os defeitos superficiais da fibra de boro provêm da superfície nodular que resulta do crescimento de cones de boro. Em particular, quando um nódulo se torna grosso devido a um crescimento exagerado em torno de uma partícula contaminante, uma rachadura pode resultar deste grande nódulo e enfraquecer a fibra.
Propriedades e Aplicações de Fibras de Boro
Muitos pesquisadores investigaram as propriedades mecânicas das fibras de boro (Krukonis 1977; Vega-Boggio e Vingsbo 1978; Galasso et al. 1967; Galasso e Paton 1966; DeBolt 1982; Wawner 1967; DiCarlo 1985). Devido à natureza composta da fibra de boro, tensões internas complexas e defeitos como vazios e descontinuidades estruturais resultam da presença de um núcleo e do processo de deposição. Assim, não se esperaria que a fibra de boro mostrasse a intrínseca força do boro. A resistência à tração média da fibra de boro é de 3 a 4 GPa, enquanto o módulo de Young está entre 380 e 400 GPa.
Uma ideia da força intrínseca do boro pode ser obtida em um teste de flexão (Wawner 1967). Na flexão, supondo que o núcleo e a interface estejam próximos do eixo neutro, os esforços críticos de tração não se desenvolveriam no núcleo ou na interface. Testes de flexão em fibras de boro levemente gravados para remover quaisquer defeitos superficiais deram uma força de 14 GPa. Sem gravura, a força era metade desse valor. A Tabela 2.3 fornece um resumo das características da fibra de boro (DiCarlo 1985). A fibra de boro de 142 mm de diâmetro produzida comercialmente apresenta uma resistência média à tração de 3,8 GPa. 
Os valores de resistência à tração e energia de fratura das fibras de maior diâmetro como as recebidas e algumas de produção limitada tiveram melhora após o polimento químico, como mostrado na Tabela 2.3. Fibras com força maior que 4 GPa tiveram sua fratura controlada por um núcleo de boreto de tungstênio, enquanto fibras com forças de 4 GPa ou menos foram controladas por falhas na superfície das fibras. O tratamento de alta temperatura, indicado na Tabela 2.3, melhorou as propriedades das fibras, colocando uma tensão compressiva axial permanente na bainha.
O boro tem uma densidade de 2,34 g / cm3 (cerca de 15% inferior à do alumínio).
A fibra de boro com um núcleo de tungsténio tem uma densidade de 2,6 g / cm3 para uma fibra com 100 mm de diâmetro. Seu ponto de fusão é de 2.040 ° C, e possui um coeficiente de expansão térmica 8,3 10 6 C 1 até 315 C.
Compósitos de fibra de boro estão em uso em vários aviões militares dos EUA, especialmente o F-14 e o F-15, e no ônibus espacial dos EUA. Eles também são usados ​​para enrijecer eixos de golfe, raquetes de tênis, quadros de bicicletas e para fazer correções de reparo para PMCs. Uma grande vantagem da fibra de boro sobre outras fibras de alto desempenho são suas propriedades relativamente melhores na compactação. Isso decorre de seu diâmetro maior. Um comercial produto chamado Hy-Bor usa uma mistura de fibras de carbono e boro em um matriz epóxi, em que as propriedades melhoradas na compressão resultam das fibras de boro. Um grande obstáculo ao uso generalizado da fibra de boro é seu alto custo comparado com o de outras fibras.Introdução 
 
 
Reforços não precisam necessariamente ser na forma de fibras longas. Pode
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sob a forma de partículas, flocos, bigodes, fibras curtas, fibras contínuas ou folhas. Acontece 
que a maioria dos reforços usados 
em compósitos tem uma forma fibrosa porque os materiais 
são mais fortes e rígidos na forma fibrosa do que em qualquer outra
 
forma.
 
Especificamente, nesta categoria, estamos mais interessados 
no chamado fibras, que 
possuem muito alta resistência e rigidez muito alta juntamente com um muito densidade baixa. 
O leitor deve perceber que muitas fibras naturais podem ser e são usad
os 
em situações que 
envolvem estresses não muito altos (Chawla 1976; Chawla e Bastos 1979). A grande vantagem 
neste caso, claro, é seu baixo custo.
 
O uso de fibras como materiais de engenharia de alto desempenho baseia
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se em três 
características 
importantes (Dresher 1969):
 
 
1.
 
Um diâmetro pequeno em relação ao tamanho do grão ou outra unidade microestrutural. 
Este permite que uma fração maior da força teórica seja atingida do que é possível em 
um formulário a granel. Este é um resultado direto do cha
mado efeito de tamanho; 
quanto menor o tamanho, menor a probabilidade de ter imperfeições no material. Figura 
2.1 mostra que a força de uma fibra de carbono diminui à medida que seu diâmetro 
aumenta (de Lamotte e Perry 1970). Embora esta figura mostre uma 
queda linear força 
com o aumento do diâmetro da fibra, uma relação não linear não é incomum. A figura 
2.1 deve ser tomada apenas como um indicador geral de tendência.
 
2.
 
Um alto formato (comprimento / diâmetro, l / d), que permite uma fração muito grande 
a ca
rga aplicada a ser transferida através da matriz para a fibra rígida e forte (ver Rachar. 
10).
 
3.
 
Um alto grau de flexibilidade, que é realmente uma característica de um material que 
tem um baixo módulo ou rigidez e um pequeno diâmetro. Essa flexibilidade per
mite o 
uso de uma variedade de técnicas para fazer compósitos com essas fibras. 
 
 
Em seguida, consideramos o conceito de flexibilidade e, em seguida, descrevemos o
 
processos de fiação de fibra.
 
 
Introdução 
 
Reforços não precisam necessariamente ser na forma de fibras longas. Pode-se ter-los 
sob a forma de partículas, flocos, bigodes, fibras curtas, fibras contínuas ou folhas. Acontece 
que a maioria dos reforços usados em compósitos tem uma forma fibrosa porque os materiais 
são mais fortes e rígidos na forma fibrosa do que em qualquer outra forma. 
Especificamente, nesta categoria, estamos mais interessados no chamado fibras, que 
possuem muito alta resistência e rigidez muito alta juntamente com um muito densidade baixa. 
O leitor deve perceber que muitas fibras naturais podem ser e são usados em situações que 
envolvem estresses não muito altos (Chawla 1976; Chawla e Bastos 1979). A grande vantagem 
neste caso, claro, é seu baixo custo. 
O uso de fibras como materiais de engenharia de alto desempenho baseia-se em três 
características importantes (Dresher 1969): 
 
1. Um diâmetro pequeno em relação ao tamanho do grão ou outra unidade microestrutural. 
Este permite que uma fração maior da força teórica seja atingida do que é possível em 
um formulário a granel. Este é um resultado direto do chamado efeito de tamanho; 
quanto menor o tamanho, menor a probabilidade de ter imperfeições no material. Figura 
2.1 mostra que a força de uma fibra de carbono diminui à medida que seu diâmetro 
aumenta (de Lamotte e Perry 1970). Embora esta figura mostre uma queda linear força 
com o aumento do diâmetro da fibra, uma relação não linear não é incomum. A figura 
2.1 deve ser tomada apenas como um indicador geral de tendência. 
2. Um alto formato (comprimento / diâmetro, l / d), que permite uma fração muito grande 
a carga aplicada a ser transferida através da matriz para a fibra rígida e forte (ver Rachar. 
10). 
3. Um alto grau de flexibilidade, que é realmente uma característica de um material que 
tem um baixo módulo ou rigidez e um pequeno diâmetro. Essa flexibilidade permite o 
uso de uma variedade de técnicas para fazer compósitos com essas fibras. 
 
Em seguida, consideramos o conceito de flexibilidade e, em seguida, descrevemos o 
processos de fiação de fibra.