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Borfaser Die ist eine künstlich hergestellte anorganische Mischfaser als Sekundärfaser deren Primärfaser eine monofile W

Borfaser

Die Borfaser ist eine künstlich hergestellte anorganische Mischfaser als Sekundärfaser, deren Primärfaser eine monofile Wolfram-Mikrofaser ist und deren Fasermantel durch Abscheidung von Bor (als Hüllschicht) in eine Borfaser umgewandelt wird. Die Borfaser ist ideal für Konstruktionsverbundstoffe von Weltraumsystemen, da sie Strahlungsabschirmung, mechanische Festigkeit und Leichtbau gewährleistet. Auf dieses Eigenschaftsprofil hat Claude P. Talley im Jahr 1959 hingewiesen.

Herstellung Bearbeiten

Der Herstellungsprozess beruht auf dem Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung von Anton Eduard van Arkel, wobei Bor aus gasförmigen Verbindungen auf einen heißen Kernfaden abgelagert wird. Als Kernfäden sind Wolfram- aber auch Kohlenstofffäden am geeignetsten, die zur Herstellung der Borfaser-Filamenten am Ein- und Ausgang des als Reaktionskammer dienenden geschlossenen Glasbehälters über Quecksilberkontakt elektrisch aufgeheizt werden. Die Kernfäden werden dabei einzeln von Speicherspulen kontinuierlich mittels Aufwickelns der fertigen Borfasern auf Spulen durch den Reaktionsbehälter gezogen. Bei der Prozesstemperatur von 1350° müssen die Fäden noch ihre Festigkeit behalten. Als Gas-Präkursor verwendet man meist Bortrichlorid, weil es im Vergleich zu anderen Halogenen konsistenter, handhabbarer und kostengünstiger ist. Wasserstoff dient als Träger- und Reduktionsgas. Die Umsetzung erfolgt wie folgt:

Die komplizierte Herstellung hat auch Einfluss auf die Preise von Borfaserfilamenten, die bei einem Durchmesser von ca. 100 µm (4,0 mil) zwischen ca. 2500 und 3170 USD/kg liegen.

Eigenschaften Bearbeiten

Die Borfaser mit einem Wolframkernfaden wird kommerziell häufig mit einem Durchmesser von 102 µm erzeugt. Der Querschnitt ist kreisrund. Die Dichte liegt bei 2,61 g/cm³. Sie weist Elastizitätsmoduln bis zu 428 GPa. bei Zugfestigkeiten von rund 4,0 GPa. Die Druckfestigkeit liegt geschätzt bei über 6,0 GPa. Die Knoophärte weist einen Wert von 3200 Knoop auf.

Verwendung Bearbeiten

Borfasern werden überwiegend als Prepregs mit Epoxiden angeboten und finden insbesondere für Materialien in Luft- und Raumfahrt und im Sportartikelbereich (Schaft des Golfschlägers, Hockeyschläger, Fliegenfischerruten, Fahrradrahmen) Anwendung. Als Verstärkungsfasern in Metallmatrices wie Aluminiumlegierungen und Titan ermöglichen sie höhere Einsatztemperaturen und ein besseres Ermüdungsverhalten.

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. Günter Schnegelsberg: Handbuch der Faser – Theorie und Systematik der Faser. Deutscher Fachverlag, Frankfurt am Main, 1999, ISBN 3-87150-624-9, S. 482.
  2. Erwin Riedel, Christoph Janiak: Anorganische Chemie. Walter de Gruyter, Berlin/Boston 2015, ISBN 978-3-11-035526-0, S. 591.
  3. Anthony R. Bunsell (Hrsg.): Handbook of Properties of Textile and Technical Fibers. 2. Auflage. Elsevier Ltd. 2018, ISBN 978-0-08-101272-7, S. 930.
  4. C. P. Talley: Mechanical Properties of Glassy Boron, J. Appl. Phys 30, 1114(1959).
  5. E. Fitzer, J. Schlichting: Anorganische Fasern. Herstellung, Eigenschaften und Verwendung. In: Materialwissenschaft und Werkstofftechnik. Volume 11, Issue 9, 1980, S. 330–341, doi:10.1002/mawe.19800110910.
  6. Patent DE440658: Verfahren zum Niederschlagen von Bor. Angemeldet am 2. Juni 1911, veröffentlicht am 12. Juni 1926, Anmelder: N.V.Philips` Gloeilampenfabrieken, Erfinder: Eduard van Arkel.‌
  7. Patent US3574649: PROCESS FOR PRODUCING CONTINUOS BORON FILAMENTS. Angemeldet am 24. Februar 1967, veröffentlicht am 13. April 1971, Anmelder: United Aircraft Corporation, Erfinder: Roy Fanti, Urban E. Kuntz.‌
  8. Manfred Flemming, Gerhard Ziegmann, Siegfried Roth: Faserverbundbauweisen – Fasern und Matrices. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1995, ISBN 978-3-642-63352-2, S. 120f.
  9. Preisliste von Borprodukten der Specialty Materials Inc.. Abgerufen am 1. Dezember 2021.
  10. Manfred Flemming, Gerhard Ziegmann, Siegfried Roth: Faserverbundbauweisen – Fasern und Matrices. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1995, ISBN 978-3-642-63352-2, S. 127.
  11. Anthony R. Bunsell (Hrsg.): Handbook of Properties of Textile and Technical Fibers. 2. Auflage. Elsevier Ltd. 2018, ISBN 978-0-08-101272-7, S. 931.
  12. Eigenschaften von Borfasern nach Angaben der Specialty Materials Inc.. Abgerufen am 1. Dezember 2021.
  13. Manfred Flemming, Gerhard Ziegmann, Siegfried Roth: Faserverbundbauweisen – Fasern und Matrices. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1995, ISBN 978-3-642-63352-2, S. 130.
  14. Anwendung von Borfasern. Abgerufen am 2. Dezember 2021.
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Veröffentlichungsdatum:
Die Borfaser ist eine kunstlich hergestellte anorganische Mischfaser als Sekundarfaser deren Primarfaser eine monofile Wolfram Mikrofaser ist und deren Fasermantel durch Abscheidung von Bor als Hullschicht in eine Borfaser umgewandelt wird 1 2 Die Borfaser ist ideal fur Konstruktionsverbundstoffe von Weltraumsystemen da sie Strahlungsabschirmung mechanische Festigkeit und Leichtbau gewahrleistet 3 Auf dieses Eigenschaftsprofil hat Claude P Talley im Jahr 1959 hingewiesen 4 Inhaltsverzeichnis 1 Herstellung 2 Eigenschaften 3 Verwendung 4 EinzelnachweiseHerstellung BearbeitenDer Herstellungsprozess beruht auf dem Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung von Anton Eduard van Arkel 5 6 wobei Bor aus gasformigen Verbindungen auf einen heissen Kernfaden abgelagert wird Als Kernfaden sind Wolfram aber auch Kohlenstofffaden am geeignetsten die zur Herstellung der Borfaser Filamenten am Ein und Ausgang des als Reaktionskammer dienenden geschlossenen Glasbehalters uber Quecksilberkontakt elektrisch aufgeheizt werden Die Kernfaden werden dabei einzeln von Speicherspulen kontinuierlich mittels Aufwickelns der fertigen Borfasern auf Spulen durch den Reaktionsbehalter gezogen 7 Bei der Prozesstemperatur von 1350 mussen die Faden noch ihre Festigkeit behalten Als Gas Prakursor verwendet man meist Bortrichlorid weil es im Vergleich zu anderen Halogenen konsistenter handhabbarer und kostengunstiger ist 8 Wasserstoff dient als Trager und Reduktionsgas Die Umsetzung erfolgt wie folgt 2 B C l 3 3 H 2 2 B 6 H C l displaystyle mathrm 2BCl 3 3 H 2 longrightarrow 2B 6HCl nbsp Die komplizierte Herstellung hat auch Einfluss auf die Preise von Borfaserfilamenten die bei einem Durchmesser von ca 100 µm 4 0 mil zwischen ca 2500 und 3170 USD kg liegen 9 Eigenschaften BearbeitenDie Borfaser mit einem Wolframkernfaden wird kommerziell haufig mit einem Durchmesser von 102 µm erzeugt Der Querschnitt ist kreisrund Die Dichte liegt bei 2 61 g cm Sie weist Elastizitatsmoduln bis zu 428 GPa bei Zugfestigkeiten von rund 4 0 GPa Die Druckfestigkeit liegt geschatzt bei uber 6 0 GPa Die Knoopharte weist einen Wert von 3200 Knoop auf 10 11 12 Verwendung BearbeitenBorfasern werden uberwiegend als Prepregs mit Epoxiden angeboten und finden insbesondere fur Materialien in Luft und Raumfahrt und im Sportartikelbereich Schaft des Golfschlagers Hockeyschlager Fliegenfischerruten Fahrradrahmen Anwendung Als Verstarkungsfasern in Metallmatrices wie Aluminiumlegierungen und Titan ermoglichen sie hohere Einsatztemperaturen und ein besseres Ermudungsverhalten 13 14 Einzelnachweise Bearbeiten Gunter Schnegelsberg Handbuch der Faser Theorie und Systematik der Faser Deutscher Fachverlag Frankfurt am Main 1999 ISBN 3 87150 624 9 S 482 Erwin Riedel Christoph Janiak Anorganische Chemie Walter de Gruyter Berlin Boston 2015 ISBN 978 3 11 035526 0 S 591 Anthony R Bunsell Hrsg Handbook of Properties of Textile and Technical Fibers 2 Auflage Elsevier Ltd 2018 ISBN 978 0 08 101272 7 S 930 C P Talley Mechanical Properties of Glassy Boron J Appl Phys 30 1114 1959 E Fitzer J Schlichting Anorganische Fasern Herstellung Eigenschaften und Verwendung In Materialwissenschaft und Werkstofftechnik Volume 11 Issue 9 1980 S 330 341 doi 10 1002 mawe 19800110910 Patent DE440658 Verfahren zum Niederschlagen von Bor Angemeldet am 2 Juni 1911 veroffentlicht am 12 Juni 1926 Anmelder N V Philips Gloeilampenfabrieken Erfinder Eduard van Arkel Patent US3574649 PROCESS FOR PRODUCING CONTINUOS BORON FILAMENTS Angemeldet am 24 Februar 1967 veroffentlicht am 13 April 1971 Anmelder United Aircraft Corporation Erfinder Roy Fanti Urban E Kuntz Manfred Flemming Gerhard Ziegmann Siegfried Roth Faserverbundbauweisen Fasern und Matrices Springer Verlag Berlin Heidelberg 1995 ISBN 978 3 642 63352 2 S 120f Preisliste von Borprodukten der Specialty Materials Inc Abgerufen am 1 Dezember 2021 Manfred Flemming Gerhard Ziegmann Siegfried Roth Faserverbundbauweisen Fasern und Matrices Springer Verlag Berlin Heidelberg 1995 ISBN 978 3 642 63352 2 S 127 Anthony R Bunsell Hrsg Handbook of Properties of Textile and Technical Fibers 2 Auflage Elsevier Ltd 2018 ISBN 978 0 08 101272 7 S 931 Eigenschaften von Borfasern nach Angaben der Specialty Materials Inc Abgerufen am 1 Dezember 2021 Manfred Flemming Gerhard Ziegmann Siegfried Roth Faserverbundbauweisen Fasern und Matrices Springer Verlag Berlin Heidelberg 1995 ISBN 978 3 642 63352 2 S 130 Anwendung von Borfasern Abgerufen am 2 Dezember 2021 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Borfaser amp oldid 218456631