Применение полимерных композиционных материалов в машиностроении

ПРИМЕНЕНИЕ 
ПОЛИМЕРНЫХ 
КОМПОЗИЦИОННЫХ 
МАТЕРИАЛОВ 
В МАШИНОСТРОЕНИИ

Н.И. БАУРОВА
В.А. ЗОРИН

Рекомендовано в качестве учебного пособия
для студентов высших учебных заведений, обучающихся
по направлениям подготовки 15.03.01 «Машиностроение»,
15.03.02 «Технологические машины и оборудование»
(квалификация (степень) «бакалавр»)

Москва
ИНФРА-М
2021

Московский автомобильнодорожный
государственный технический университет (МАДИ)

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

УДК 621(075.8)
ББК 35.71я73
 
Б29

Баурова Н.И.
Б29 
 
Применение полимерных композиционных материалов в машиностроении : учебное пособие / Н.И. Баурова, В.А. Зорин. — Москва : 
ИНФРА-М, 2021. — 301 с. + Доп. материалы [Электронный ресурс]. — (Высшее образование: Бакалавриат). — DOI 10.12737/textbook_5a65d038520df1.41774771.

ISBN 978-5-16-012938-9 (print)
ISBN 978-5-16-106556-3 (online)
Рассмотрены области практического использования полимерных композиционных материалов (ПКМ) в машиностроении при производстве и ремонте 
деталей транспортных, строительных, коммунальных машин, а также строительных конструкций. Показаны способы создания ПКМ с заданными свойствами. Подробно описаны технологические методы производства деталей машин из ПКМ на основе различных типов связующих, содержащих дисперсные 
и волокнистые наполнители. Учебное пособие отличается практической направленностью и поможет специалистам выбрать оптимальное конструкторско-технологическое решение при изготовлении деталей машин из различных 
типов ПКМ.
Соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования последнего поколения.
Для студентов и аспирантов, обучающихся по направлениям подготовки 
15.03.01 «Машиностроение», 15.03.02 «Технологические машины и оборудование», 23.05.01 «Наземные транспортно-технологические средства», 23.05.02 
«Транспортные средства специального назначения», а также для широкого 
круга специалистов.
УДК 621(075.8)
ББК 35.71я73

Р е ц е н з е н т ы:
Кравченко И.Н., доктор технических наук, профессор, профессор кафедры 
«Технический сервис машин и оборудования» ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет — МСХА им. К.А. Тимирязева»;
Петрова Л.Г., доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой 
«Технология конструкционных материалов» ФГБОУ ВО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)»

ISBN 978-5-16-012938-9 (print)
ISBN 978-5-16-106556-3 (online)
©  Баурова Н.И., Зорин В.А., 2018

Материалы, отмеченные знаком 
, доступны 
в электронно-библиотечной системе Znanium.com

Предисловие

Цель издания заключается в изложении в доступной и компактной форме современного состояния науки в области технологии 
применения полимерных композиционных материалов (ПКМ) 
в машиностроении.
В первой главе приведены общие сведения о ПКМ, дана их 
классификация и рассмотрены основные области их применения 
при производстве и ремонте машин.
Вторая глава посвящена особенностям выбора компонентов 
ПКМ и отдельным группам наполнителей. По каждой группе наполнителей освещаются вопросы их практического применения, 
критерии выбора, а также преимущества и недостатки при работе 
с данной группой материалов. Подробно рассмотрено понятие единого конструкторско-технологического решения.
Третья глава посвящена технологиям производства деталей 
машин из ПКМ, содержащих волокнистые наполнители. Классификация технологических методов приводится в зависимости 
от типа волокнистого наполнителя (ткани, непрерывные или рубленные волокна). Отдельно рассматриваются технологии производства препрегов и формование деталей из них.
В четвертой главе рассмотрены технологические методы производства деталей машин из ПКМ, содержащих дисперсные наполнители. Все технологические методы классифицируются по типу используемого связующего (термопластичные или термореактивные), 
поскольку именно от типа полимера зависят все теплофизические 
свойства ПКМ.
Пятая глава посвящена практическим рекомендациям по применению различных типов ПКМ при ремонте машин. В отдельном 
разделе собраны типовые ошибки, которые возникают при ремонте 
машин с использованием ПКМ, приведены причины их возникновения и перечень мероприятий по их недопущению.
В шестой главе рассмотрены вопросы механики процессов разрушения различных типов ПКМ. Основное внимание уделено математическому описанию процессов разрушения.
Седьмая глава посвящена способам определения свойств ПКМ, 
приведено краткое описание методов и особенности анализа полученных результатов для наиболее распространенных ПКМ.
В восьмой главе рассмотрены вопросы контроля качества изделий из ПКМ на различных этапах жизненного цикла. Приведено 

описание методов оценки дефектов структуры ПКМ на микро- 
и макроуровнях. Подробно рассмотрены особенности контроля 
качества исходного сырья при производстве изделий из ПКМ.
Девятая глава книги посвящена аддитивным технологиям в машиностроении. В данной главе отдельно рассмотрены особенности 
аддитивных технологий при склеивании, наплавке, спекании и др.
Издание соответствует требованиям ФГОС ВО последнего поколения по направлениям подготовки 15.03.01 «Машиностроение» 
(бакалавриат), 15.04.01 «Машиностроение» (магистратура); 15.03.02 
«Технологические машины и оборудование» (бакалавриат); 23.05.01 
«Наземные транспортно-технологические средства» (специалитет); 
23.05.02 «Транспортные средства специального назначения» (специалитет).
Данное учеб пособие направлено на формирование следующих 
компетенций (в соответствии с ФГОС ВО последнего поколения):
 
• способность к профессиональной эксплуатации современного 
оборудования и приборов;
 
• способность применять современные методы исследования, 
оценивать и представлять результаты выполненной работы;
 
• готовность к постоянному совершенствованию профессиональной деятельности, принимаемых решений и разработок 
в направлении повышения безопасности;
 
• умение анализировать состояние и динамику развития наземных 
транспортно-технологических машин, их технологического оборудования и комплексов на их базе;
 
• осуществление планирования, постановки и проведения теоретических и экспериментальных научных исследований по поиску и проверке новых идей совершенствования наземных транспортно-технологических машин, их технологического оборудования и создания комплексов на их базе;
 
• разработка вариантов решения проблемы производства наземных транспортно-технологических машин, анализирование 
этих варианты, прогнозирование последствий, поиск компромиссных решений в условиях многокритериальности и неопределенности;
 
• способность выбирать критерии оценки и сравнения проектируемых узлов и агрегатов с учетом требований надежности, технологичности, безопасности и конкурентоспособности;
 
• способность участвовать в разработке технической документации для изготовления наземных транспортно-технологических машин и их технологического оборудования;

 
• умение осуществлять контроль за параметрами технологических 
процессов и качеством производства и эксплуатации наземных 
транспортно-технологических машин и их технологического 
оборудования;
 
• способность разрабатывать меры по повышению эффективности использования оборудования.
В результате изучения данного учебного пособия обучающийся 
будет:
знать
 
• классификацию ПКМ по различным критериальным признакам;
 
• принципы выбора компонентов для ПКМ, используемых в машиностроении;
 
• механизм разрушения ПКМ, содержащих различные типы дисперсных и волокнистых наполнителей;
уметь
 
• разрабатывать технологические процессы производства деталей 
машин из ПКМ, содержащих различные типы волокнистых наполнителей;
 
• разрабатывать технологические процессы производства деталей 
машин из ПКМ на основе дисперсных наполнителей;
 
• разрабатывать технологические процессы ремонта машин с применением различных типов ПКМ;
 
• проводить комплексную оценку эффективности замены традиционных материалов на ПКМ при производстве и ремонте 
машин;
владеть
 
• методами измерения стойкости ПКМ к воздействию эксплуатационных и технологических факторов;
 
• методами контроля качества компонентов ПКМ;
 
• методами неразрушающего контроля изделий из ПКМ.

Введение

Одним из главных создателей ПКМ является природа. Многие 
натуральные природные материалы (кожа, кость, рога, ракушки 
и т.д.), по сути, являются композитами, состоящими из двух разных 
материалов: наполнителя (роль которого выполняют тонкие волокна или дисперсные частицы) и матрицы, или, как чаще говорят, 
связующего (роль которого в природных композитах играют различные типы смол, в том числе и молекулы белка).
С древних времен человек, наблюдая за животным и растительным миром, пытался создавать аналогичные конструкции 
и материалы. Однако по многим параметрам натуральные материалы и конструкции пока еще существенно превосходят свои 
искусственные аналоги. Например, известно, что перья птиц прочнее и при этом существенно легче, чем броня таких современных 
материалов, как кевлар, а по своим значениям удельной прочности 
и длительной стойкости к знакопеременным нагрузкам материал 
птичьего пера может конкурировать с современными алюминиевомагниевыми сплавами [1]. В последнее десятилетие интерес к изучению живой природы существенно увеличился, и уже по принципам природных конструкций спроектированы и созданы многочисленные изделия [2]. Например, при проектировании баллонов 
давления из ПКМ в качестве природного аналога использовали 
кокон тутового шелкопряда [1].
История применения ПКМ берет свое начало с древнейших 
времен, когда человек начал сознательно конструировать новые 
материалы. Уже на ранних стадиях развития цивилизации люди 
использовали для строительства кирпич из глины, в которую замешивалась солома, придававшая повышенную прочность. Использование природных битумов позволило повысить водостойкость природных материалов и изготавливать суда из камыша, пропитанного 
битумом. Прослеживается аналогия между изготовлением боевых 
луков у кочевников с использованием нескольких слоев из дерева, 
рога, шелка, скрепляемых с помощью клея, и современными металлодеревотканевыми слоистыми конструкциями, соединяемыми 
смолами [2].
В истории применения ПКМ в машиностроении можно выделить четыре основных этапа.
Первый этап приходится на начало ХХ в. Он связан с созданием 
техники, в том числе и автомобилей. В 1916 г. произведено первое 

серийное изделие из полимерных материалов, содержащих дисперсные наполнители, — ручка переключателя скоростей автомобиля 
«Роллс-ройс». На этом этапе происходил процесс накопления экспериментальных данных по свойствам наполненных полимеров. 
Первый патент на ПКМ был выдан в 1909 г., в нем было предусмотрено упрочнение синтетических смол природными волокнами [3].
Второй этап приходится на конец 50-х гг. ХХ в. Он связан с разработкой ракетного топлива, которое на 80% состояло из твердых 
частиц горючего, соединенных с помощью эластичного материала. 
Это позволило создать научные основы механики процессов разрушения дисперсно-наполненных полимеров.
Третий этап приходится на конец 70-х гг. ХХ в. Он связан 
с массовым применением полимеров в быту, когда для придания 
им требуемых эксплуатационных свойств и снижения себестоимости в состав полимеров начали вводить жесткие неорганические 
частицы. Начиная с конца 70-х гг. подавляющее большинство термопластичных полимерных материалов имели в своем составе дисперсный наполнитель. На данном этапе разработано много нового 
оборудования для промышленного производства изделий из дисперсно-наполненных ПКМ.
Четвертый этап приходится на конец 80-х гг. ХХ в. Он связан 
с изобретением нанокомпозитов, в которых в качестве наполнителей использовались наноразмерные частицы. На данном этапе 
созданы научные основы адгезионного взаимодействия на межфазной границе. Разработаны новые технологии диспергирования.
В настоящее время в промышленно развитых странах производство изделий из ПКМ неуклонно растет, поскольку применение 
этих материалов позволяет добиться существенного улучшения качества и снижения веса изделий и конструкций, в том числе работающих в экстремальных условиях, при одновременном увеличении их надежности и ресурса [4]. Одним из важнейших условий 
конкурентоспособности ПКМ является оптимальное сочетание их 
технологичности в производстве и применении с высокими эксплуатационными характеристиками (прочностью, жесткостью, 
износостойкостью) и низкой стоимостью.
Для успешного развития дорожно-строительного и автомобильного машиностроения требуется постоянное совершенствование 
существующих и внедрение новых материалов при производстве 
и ремонте деталей машин, которые удовлетворяли бы таким противоречивым требованиям, как надежность, простота технологического процесса производства и возможности автоматизации про

цесса. В настоящее время перспективы развития в этой области 
во многом связаны с использованием ПКМ.
Тенденции замещения металлических деталей машин на детали, изготовленные из ПКМ обусловлены как экономическими, 
так и социальными факторами. Экономические факторы определяют тенденцию повышения топливной экономичности как легковых, так и грузовых автомобилей, что в настоящее время стало 
одним из ведущих направлений современного машиностроения. 
Социальные факторы определяют тенденцию повышения безопасности автомобилей и дорожно-строительных машин (для людей 
и окружающей среды).
Успехи ученых-химиков в области синтеза новых полимерных 
материалов позволили широко применять их в самых различных 
отраслях машиностроения. Дальнейшему расширению использования полимерных материалов препятствует недостаточная осведомленность инженерных и научных работников в вопросах 
их прочности, надежности и долговечности. Эти свойства приобретают особое значение, поскольку они менее изучены по сравнению с такими традиционными конструкционными материалами, 
как металлы.

Глава 1. 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОЛИМЕРНЫХ 
КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ, 
ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В МАШИНОСТРОЕНИИ

1.1. ПОНЯТИЕ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Характерные особенности большинства деталей машин — высокая энергонасыщенность, большая масса, многофункциональность и высокий уровень металлоемкости. Следствием перечисленных особенностей являются значительные экологические 
нагрузки в процессе эксплуатации техники, вызванные токсичными отработавшими газами и эксплуатационными материалами, 
повышенным давлением на грунт, электромагнитными полями, 
высоким уровнем шума, вибрации и др. Устранение данных недостатков в значительной степени может быть достигнуто благодаря 
увеличению доли неметаллических материалов, применяемых в машиностроительном производстве.
Конструкционные материалы принято классифицировать в зависимости от материала матрицы на следующие основные группы:
 
• металлические композиционные материалы (с металлической 
матрицей);
 
• ПКМ (с полимерной матрицей);
 
• резиновые композиционные материалы (с резиновой матрицей);
 
• керамические композиционные материалы (с керамической матрицей).
В данном издании будут рассмотрены ПКМ.
ПКМ — это гетерогенные системы, состоящие из двух или более 
компонентов, различающихся по химическому составу, физикомеханическим характеристикам и разделенные в материале четко 
выраженной границей, причем одни из компонентов являются армирующими составляющими, а другие — связующими их матрицами [4].
Основное назначение наполнителя (рис. 1.1) — армировать, т.е. 
упрочнять матрицу, придавать материалу требуемые специальные 
свойства и уменьшать стоимость детали. От свойств наполнителя 
практически полностью зависят предел прочности при растяжении, 
модуль упругости, твердость, коэффициент трения, износостойкость, теплопроводность, электрические и акустические свойства.

В идеальном случае наполнитель должен обладать следующими 
свойствами:
 
• большим модулем упругости (чем больше, тем лучше);
 
• хорошей адгезией к используемому связующему (сд > 20 МПа).

3

1

2

Рис. 1.1. Простейшая схема ПКМ:

1 — наполнитель; 2 — межфазный слой; 3 — матрица (связующее)

Выбор наполнителя определяется следующими факторами:
 
• предполагаемой технологией формования;
 
• назначением детали и ее эксплуатационными свойствами;
 
• геометрическими особенностями и массой детали;
 
• экономическими факторами.
Основное назначение связующего (см. рис. 1.1) — связывать 
между собой наполнитель, обеспечивать совместную работу всех 
моноволокон (или частиц, если используется дисперсный наполнитель), обеспечить монолитность материала и передачу (распределение) напряжений.
От свойств связующего практически полностью зависят тепло- 
и термостойкость, стойкость к действию различных рабочих сред 
(вода, пар, топливо, масла и др.), ударная вязкость, ударная прочность, стойкость к длительному воздействию знакопеременных нагрузок, ползучесть, релаксация напряжений.
После отверждения (для термореактивных материалов) или застывания (для термопластичных) связующее превращается в матрицу. Матрица представляет собой непрерывную фазу, толщина 
слоя которой может изменяться от 1 до 1000 мкм [5].

Отверждение /
Застывание
Матрица
Связующее

Рис. 1.2. Схема превращения связующего в матрицу