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.[1][2] Die Borfaser ist ideal für Konstruktionsverbundstoffe von Weltraumsystemen, da sie Strahlungsabschirmung, mechanische Festigkeit und Leichtbau gewährleistet.[3] Auf dieses Eigenschaftsprofil hat Claude P. Talley im Jahr 1959 hingewiesen.[4]

Herstellung

Der Herstellungsprozess beruht auf dem Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung von Anton Eduard van Arkel,[5][6] 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.[7] 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, besser handhabbar und kostengünstiger ist.[8] Wasserstoff dient als Träger- und Reduktionsgas. Die Umsetzung erfolgt wie folgt:

${\displaystyle \mathrm {2BCl_{3}+3\ H_{2}\longrightarrow 2B+6HCl} }$

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

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.[10][11][12]

Verwendung

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.[13][14] Die Leitwerke der Kampfflugzeuge F-14 und F-15 wurden mit Borfaser-verstärktem Epoxidharz hergestellt,[15] da zu dem Zeitpunkt der Entwicklung die Verwendung von Kohlenstofffasern zu teuer gewesen wäre.[16]

Einzelnachweise

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.
15. P. K. Mallick: Fiber-Reinforced Composites – Materials, Manufacturing and Design. In: Mechanical Engineering. 2. Auflage. Band 83. Dekker, New York 1993, ISBN 0-8247-9031-6, S. 7 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche). 
16. Ned Patton: The String and Glue of Our World – Understanding Composite Materials. McFarland, 2023, ISBN 978-1-4766-4994-8, S. 65 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).