الیاف بور چیست و چه کاربردهایی دارد؟

دکتر شاهین کاظمی – دکتری مهندسی شیمی نساجی و علوم الیاف، دانشگاه صنعتی امیرکبیر

فلز بور:

الیاف بور چیست :: فلز بور با نماد شیمیایی B نام یک عنصر شمیایی با عدد اتمی ۵ است. این عنصر از شبه فلزها است و چون در اثر دگرگونیهای هستهای ستارگان ایجاد نمیشود، فراوانی کمی در پوسته زمین و منظومه خورشیدی دارد. ترکیبات رایجی از این عنصر که به صورت طبیعی در زمین ایجاد میشوند، در آب محلول اند. بور از کانیهای بور به کمک عمل آوری صنعتی مانند تبخیر به دست میآید.

عنصر بور در سطح زمین به صورت آزاد یافت نمیشود و همیشه با مادهای دیگر ترکیب شیمیایی شده است. در صنعت تهیه بور بسیار خالص با سختی روبرو است چون این عنصر تمایل زیادی به تشکیل پیوند پایدار با دیگر عنصرها مانند کربن دارد. چندین حالت شکلی از بور وجود دارد. جامد آمورف آن گَرد قهوهای رنگ و بلور آن سیاه است و در دمای محیط هدایت الکتریکی کمی دارد. در نیمه رساناهای صنعتی از کمی از بور به عنوان ناخالصی استفاده میکنند.

بیشترین کاربرد صنعتی بور در سفیدکنندههای سدیم پربرات و ترکیبات بوره در روکش الیاف شیشه است. پلیمرهای بور و سرامیکها به عنوان مادهای سازهای با مقاومت بالا، وزن کم و پایدار نقشی کلیدی در صنعت دارند. حضور ترکیبات بور در شیشههای با پایه سیلیسی و سرامیکها باعث میشود تا این مواد در برابر تغییرهای ناگهانی دما مقاوم شوند. واکنشگرهای نابی که دارای بور هستند در تهیه برخی ترکیبات آلی کاربرد دارند، همچنین در داروسازی تعدادی از ترکیبهای آلی دارای بور ساخته شده اند یا در دست مطالعه اند.

الیاف بور:

الیاف و فیلامنتهای بور به عنوان یک جز مستحکم کننده بسیار مهم در صنعت کامپوزیت مورد استفاده قرار می گیرند و از آنها جهت تولید بدنه هواپیما، تجهیزات نظامی، دوچرخه های مسابقه، راکت تنیس و … استفاده می شود. با توجه به دمای ذوب بسیار بالای این فلز امکان تولید الیاف آن به صورت ذوب ریسی وجود ندارد و از روشی به نام ته نشینی بخار شیمیایی (CVD-Chemical Vapor Deposition) جهت تولید آنها به صورت الیافی استفاده می شود. در این روش در طی یک واکنش شیمیایی فلز بور بر روی یک فیلامنت میانی (رشته سیم) ته نشین می شود که این فیلامنت میانی می تواند از جنس تنگستن، شیشه و یا گرافیت باشد. فیلامنت تولید شده به این روش دارای قطری در حدود ۰/۱ الی ۰/۲ میلیمتر می باشد و مهمترین ویژگی های آن عبارتند از دانسیته کم، استحکام کششی بسیار زیاد و مدول بسیار عالی. فیلامنت کامپوزیتی بور بسیار سخت و شکننده (۵ برابر سختر از الیاف شیشه) می باشد و به همین دلیل فرایندهای تابندگی و بافندگی آن بسیار سخت است.

از این رو جهت استفاده از این الیاف بایستی ابتدا آنها را در یک رزین غوطه ور نموده و به صورت نوارهایی درآوریم که سپس این نوارها در فرایندهای تولید کامپوزیتها به روشهای پیچش و … مورد استفاده قرار گیرند. همانگونه که مشخص است یکی از مهمترین دلایلی که باعث محدودیت کاربرد این الیاف تنها در صنایع نظامی، هوافضا و تجهیزات ورزشی خاص شده است هزینه بالای تولید آنها می باشد.

بطور کلی در فرایند ته نشینی بخار شیمیایی (CVD) یک ماده به صورت بخار حاوی ذرات بسیار ریز و با چگالی کم بر روی یک ماده هدف که می تواند به صورت سیمی و فیلامنتی باشد ته نشین می شود و به مرور با افزایش ضخامت لایه ته نشین شده فیلامنت مذکور با قطر مورد نیاز تولید می شود. مسلماً ضخامت و تعداد لایه ته نشین شده مهمترین عوامل موثر بر روی استحکام و مدول الیاف نهایی می باشد.

در فرایند تولید الیاف بور مخلوط گازی تری کلرید بور و گاز هیدروژن وارد محفظه دستگاه می شوند و از واکنش آنها به صورت زیر فلز بور بر روی سیم هدف ته نشین شده و اسید هیدروکلریک خارج می شود.

در طی این فرایند اتم های بور حاصله به صورت جامد بر روی سیم تنگستن ته نشین می شوند و به صورت ترکیب W2B5 و یا WB4 در می آیند. در آغاز این فرایند قطر سیم تنگستنی در حدود ۱۰ میکرومتر است که به مرور تا حد ۱۲ میکرومتر افزایش می یابد. البته باید توجه داشت که محصول این فرایند تنش باقیمانده زیادی خواهد داشت زیرا که سیم هدف تحت نیروی فشاری بوده و لایه ته نشین شده بر روی آن تحت تنش کششی است. در شکل ۱ به صورت شماتیک قسمتهای مختلف این دستگاه نشان داده شده است.

شکل ۱- تصویر شماتیک راکتور تولید الیاف بور به روش ته نشینی بخار (CVD)

بطور کلی مهمترین ویژگی های این فرایند عبارتند از:

-محصل تولیدی به صورت تک فیلامنتی است،
-سطح مقطع محصول غالباً به صورت دایروی است،
-قطر محصول در حد ۳۳ الی ۴۰۰ میکرون می باشد که البته غالباً محصولی با قطر ۱۴۰ میکرون مورد تقاضای بازار می باشد،
-با توجه به اینکه بور بسیار شکننده است افزایش قطر میزان انعطاف پذیری محصول را کاهش می دهد،
-با توجه به تفاوت ضریب هدایت حرارتی بور و تنگستن، غالباً در حین فرایند سرد کردن محصول تا دمای اتاق (در هنگام خروج محصول از دستگاه) با مشکل تنش حرارتی باقیمانده در الیاف مواجه هستیم،
-الیاف بور را معمولاً با ترکیب SiC و یا B4C روکش می دهند تا در هنگامیکه از این محصول جهت تولید فلزات آلیاژی و کامپوزیتی استفاده می شود سطح الیاف در تماس مستقیم با مذاب فلزات قرار نگیرد،
-استحکام کششی و فشاری این الیاف بسیار عالی می باشد،
-تا حد دمای ۶۵۰ درجه سانتیگراد منحنی تنش – کرنش این الیاف به صورت خطی است.

در صنعت هوافضا استفاده از الیاف بور با هسته کربنی در تولید کامپوزیتهای خاص بسیار رایج می باشد که تصویری از این کامپوزیت در شکل ۲ آورده شده است. همچنین در شکل ۳ تصویری از الیاف بور در بستری از جنس گرافیت نشان داده شده است.

شکل ۲- تصویر شماتیک الیاف بور دارای هسته کربنی در درون کامپوزیت

شکل ۳- تصویر سطح مقطع الیاف بور در بستر گرافیتی

خصوصیات الیاف بور

الیاف بور برای اولین بار در حدود ۳۵ سال پیش به عنوان یک لیف با استحکام و مدول بسیار زیاد، دانسیته کم در صنعت هوافضا مورد استفاده قرار گرفت و پس از آن به مرور استفاده از این الیاف در سایر صنایع کامپوزیتی نیز رایج گردید. در بیشتر موارد قطر این الیاف در حدود ۱۰۰ میکرون است، اما الیافی با قطر ۱۴۲ میکرون نیز به صورت تجاری تولید می شود که مشخصات آن در جدول ۱ آورده شده است.

جدول ۱- خصوصیات الیاف بور (با واحدهای مختلف)

فرایند تجاری تولید الیاف بور دارای مراحل متعدد و پیچیدگی های خاصی است که در فلوچارت شکل ۴ بطور کلی مراحل مختلف تولید کامپوزیت نیترید بور (BN) به روش ته نشینی بخار به نمایش در آمده است.

شکل ۴- مراحل مختلف تولید کامپوزیت نیترید بور (BN) به روش ته نشینی بخار (CVD)

ارزیابی خصوصیات الیاف بور

در شکل ۵ تصاویر میکروسکوپی الکترونی پویشی (SEM-Scanning Electron Microscopy) الیاف نیترید بور هشت وجهی با بزرگنمایی های مختلف به نمایش درآمده است. همانطور که در این شکل مشخص است بر روی سطح این الیاف ذرات براده شکلی مشاهده می شود که از مشخصه های ویژه الیاف تولید شده به روش ته نشینی بخار می باشد. تصویر C در این شکل دارای بزرگنمایی ۱۰ هزار برابر بوده و الیافی با قطر ۲-۱ میکرون را نشان می دهد.

شکل ۵- تصاویر میکروسکوپی الکترونی پویشی (SEM) الیاف نیترید بور هشت وجهی با بزرگنمایی های مختلف

از آنجاییکه الیاف بور ذاتاً بسیار شکننده بوده نسبت به نایکنواختی قطر بسیار حساس می باشند، زیرا که تنش متمرکز شده بر روی نواحی نازک این الیاف به دلیل عدم توانایی تغییر شکل پلاستیکی در آنها بسیار بیشتر از تنش اولیه می شود و بدین ترتیب این الیاف سریعاً در یک یا چند ناحیه دچار ترک می شوند.

جهت ارزیابی بهتر خصوصیات مکانیکی این الیاف تعدادی از این خصوصیات در مقایسه با سایر الیاف تجاری که در صنعت کامپوزیت مورد استفاده قرار می گیرند در جدول ۲ آورده شده است. همانگونه که از این جدول مشخص است مدول این الیاف بسیار بیشتر از سایر رقبا بوده و استحکام آن در حد سایر رقبا می باشد. (چگالی مندرج در این جدول مربوط به چگالی بور خالص است)

جدول ۲- مقایسه مشخصات الیاف رایج در صنعت کامپوزیت

در شکل ۶ نتایج حاصل از آزمایشات مختلف بر روی این الیاف را نشان می دهد. تصاویر ‘a الی ‘d مربوط به آزمایشات طیف سنجی مادون قرمز (FTIR-Fourier Transform Infra Red) در شرایط مختلف و همچنین آزمایش پراش پرتو اشعه ایکس می باشد که در هر کدام از آنها با ارزیابی موقعیت پیکهای مختلف می توان تغییرات صورت گرفته در ساختار را مورد ارزیابی قرار داد.

در شکل ۷ نمودار گرماسنجی تفاضلی پویشی (DSC-Differential Scanning Calorimetry) به همراه نمودار تغییرات وزنی در حین حرارت دهی – پایداری حرارتی (TGA-Thermal Gravimetric Analysis) نمایش داده شده است. به کمک این نمودارها می توان تغییرات فازها، دمای انتقال شیشه ای، دمای ذوب، دمای تبلور و … را به راحتی متوجه شد. در شکل ۸ نتایج آزمایش رزونانس مغناطیسی هسته (NMR-Nuclear Magnetic Resonance) این الیاف در کنار نتایج آزمایش سنجش خصوصیات دینامیکی-مکانیکی به نمایش درآمده است. این طیف ها مربوط به ساختار پلی بورات است که توسط فرایند سل-ژل تولید شده است.

شکل ۷- تصویر (a): طیف DTA حرارت دهی با نرخ ۱۰ درجه سانتیگراد به ازای هر دقیقه در هوای پلی بورات لیتیوم از محلول sol-1 و همچنین محلول sol-2 (ژل خشک شده از تری متوکسی بوروکسین)
تصویر (b): طیف TGA حرارت دهی با نرخ ۱۰ درجه سانتیگراد به ازای هر دقیقه نمونه های تصویر a

در شکل ۹ نمودار تغییرات خصوصیات فیزیکی الیاف بور تحت عملیات پخت قرار گرفته به نمایش گذاشته شده است و در شکل ۱۰ قابلیت نفوذ حرارت در این الیاف در دماهای مختلف نشان داده شده است.

شکل ۹- تصویر (a) : نمودار تغییرات تنش برشی بین لایه ای در مقابل تغییر طول کامپوزیت رزین فنولیک اصلاح شده بور / الیاف سیلیکونی
تصویر (b) : گراف پخت رزین فنولیک اصلاح شده بور / الیاف سیلیکونی

شکل ۱۰- تصویر (a) : قابلیت نفوذ حرارت در مقابل تغییرات دما جهت رزین فنولیک اصلاح شده بور / الیاف سیلیکونی پخت شده
تصویر (b) : نمودار تغییرات گرانروی رزین فنولیک اصلاح شده بور در مقابل زمان در دماهای ۱۶۰، ۱۸۰ و ۲۰۰ درجه سانتیگراد

کاربرد الیاف بور

همانگونه که گفته شد مهمترین کاربرد این الیاف در تولید ساختارهای کامپوزیتی به عنوان عامل ایجادکننده استحکام در بستر پلیمری است. در تولید لوله های کامپوزیتی که عمدتاً در ساخت ابزار وزرشی نظیر بدنه دوچرخه، راکت، چوب گلف و … مورد استفاده قرار می گیرد به خوبی می توان از این کامپوزیتها استفاده نمود. مهمترین ویژگی های قابل انتظار از این کامپوزیتها عبارتند از وزن کم، استحکام زیاد، چقرمگی، انعطاف پذیری و قابلیت جذب نیروی ضربه، مقاومت در برابر خوردگی و … .

علاوه بر این استفاده از این کامپوزیتها در ساخت تجهیزات صنایع هوافضا و ملزومات نظامی نیز بسیار رایج است.

در شکل ۱۱ تعدادی از کاربردهای این کامپوزیتها در ساخت تجهیزات ورزشی نشان داده شده است و در جدول ۳ مزایا و معایب انواع مختلف الیاف مستحکم کننده کامپوزیتها آورده شده است.

شکل ۱۱- تصویر (a) : استفاده از الیاف بور جهت ساخت بدنه دوچرخه
تصویر (b) : تصویر سطح مقطع کامپوزیت نشیمنگاه دوچرخه از جنس گرافیت/اپوکسی
تصویر (c) : تصویر سطح مقطع کامپوزیت پایین دوچرخه از جنس گرافیت/اپوکسی
تصویر (d) : تصویر سطح مقطع کامپوزیت نشیمنگاه دوچرخه از حنس الیاف بور
تصویر (e) : نوارهای تولید شده از الیاف بور جهت تولید کامپوزیتها

جدول ۳- مزایا و معایب استفاده از الیاف مختلف در کامپوزیتها

مرجع:
Singha, K., Anupam, K., Maity, S., Chakraborty, A., Ray, A., Singha, M., “Study on boron fiber: A review”, Chemical Fibers International, May, 2/2013, pp. 80-84.

منبع : شماره ۲۱ مجله کهن

————————————————————————————