Материаловедение : неметаллические и композиционные материалы

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2162 

Кафедра физического материаловедения

Е.А. Шуваева 
А.С. Перминов 
 

Материаловедение 

Неметаллические  
и композиционные материалы 

Курс лекций 

Допущено учебно-методическим объединением  
по образованию в области металлургии в качестве  
учебного пособия для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению Металлургия 

Москва  2013 

УДК 620.22 
 
Ш95 

Р е ц е н з е н т  
д-р физ.-мат. наук, проф. С.Д. Калошкин 

Шуваева, Е.А. 
Ш95  
Материаловедение : неметаллические и композиционные 
материалы : курс лекций / Е.А. Шуваева, А.С. Перминов. – М. : 
Изд. Дом МИСиС, 2013. – 77 с. 
ISBN 978-5-87623-686-9 

Содержит базовые сведения о неметаллических и композиционных материалах в соответствии с требованиями ФГОС 3-го поколения. Изложены основы материаловедения полимерных материалов – пластмасс, резин и каучуков; основные сведения о неорганических стеклах и керамиках и композиционных материалах на неметаллической и металлической основе.  
Предназначен для студентов-бакалавров, обучающихся по направлениям 
150100 «Материаловедение и технология материалов», 150400 «Металлургия», 220700 «Автоматизация технологических процессов и производств» и 
других, изучающих курсы «Материаловедение», «Материаловедение и технология конструкционных материалов». 
УДК 620.22 

ISBN 978-5-87623-686-9 
© Е.А. Шуваева, 
А.С. Перминов, 2013 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие..............................................................................................4 
1. Органические материалы.....................................................................6 
1.1. Состав, строение  и структура полимерных веществ.................6 
1.2. Классификация полимерных материалов..................................11 
1.3. Каучуки. Строение и свойства основных натуральных  
и синтетических каучуков .................................................................16 
1.4. Резины...........................................................................................23 
1.5. Пластмассы ..................................................................................28 
1.5.1. Достоинства и недостатки пластмасс .................................28 
1.5.2. Производство пластмасс......................................................29 
1.5.3. Классификация пластмасс ...................................................32 
1.5.4. Состав пластмасс ..................................................................35 
1.5.5. Характеристики  основных пластмасс и области  
их применения ................................................................................37 
1.5.6. Изделия из пластмасс...........................................................40 
2. Неорганические стекла ......................................................................43 
3. Керамики – основные представления, получение, свойства, 
применение..............................................................................................48 
4. Композиционные материалы.............................................................56 
4.1. Дисперсно-упрочненные  композиционные материалы..........59 
4.2. Волокнистые композиционные  материалы с одномерным 
упрочнителем......................................................................................62 
4.2.1. Волокниты на основе металлической матрицы.................62 
4.2.2. Волокниты на основе полимерной матрицы......................64 
4.3. Инженерные пластмассы ............................................................66 
4.3.1. Фторопласт............................................................................67 
4.3.2. Полиамид (капролон) ...........................................................67 
4.3.3. Поликарбонат........................................................................68 
4.3.4. Электротехнические изоляционные пластики...................69 
4.4. Прочие виды композитов............................................................71 
Библиографический список...................................................................76 
 

Предисловие 

За последние годы достижения материаловедения обеспечили существенный прогресс в разработке новых неметаллических материалов, применяемых в качестве конструкционных, инструментальных и 
материалов с особыми физическими свойствами. Структурные исследования и изучение взаимосвязей структуры и формирования свойств 
привели к возможности создания материалов, в которых достигаются 
уникальные сочетания физических и механических свойств. Например, получены полимерные материалы с прочностью, существенно 
превышающей даже прочность сталей. Неметаллические и композиционные материалы все в большей степени заменяют традиционные 
металлические материалы. Поэтому изучение современных неметаллических материалов является весьма важной задачей подготовки бакалавров практически всех металлургических, материаловедческих и 
машиностроительных направлений. 
В соответствии с ФГОС 3-го поколения бакалавры направлений 
150100, 150400 и 220700 должны знать основные классы современных материалов, их свойства и области применения, принципы выбора материалов, основные технологические процессы производства 
и обработки материалов, особенности жизненного цикла материалов 
и изделий, закономерности структурообразования, фазовые превращения в материалах, влияние структурных характеристик на свойства материалов. Для освоения этих компетенций в учебных планах 
НИТУ «МИСиС» соответствующих направлений предусмотрены 
дисциплины «Фазовые равновесия и структурообразование» (для 
направления 150100) и «Материаловедение» (для направлений 
150400 и 220700). В курсе «Материаловедение» может быть выделена самостоятельная часть «Неметаллические и композиционные материалы». Анализ современных материаловедческих учебников показал, что на сегодняшний день существует достаточное количество 
различных учебников и учебных пособий, связанных с металлическими материалами, однако удовлетворительного единого описания 
неметаллических и композиционных материалов практически нет. 
В качестве базы для написания части курса лекций, посвященных неметаллическим и композиционным материалам, был проведен анализ 
вопросов к интернет-экзамену, проводимому Научно-исследовательским 

институтом мониторинга качества образования1. На основе круга задаваемых вопросов при мониторинге курсов «Материаловедение» и «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» было выделено несколько наиболее важных тем, которые полностью описаны в 
данном пособии.  
Современное материаловедение изучает взаимосвязь структуры и 
свойств огромного перечня материалов – металлов и сплавов на их 
основе, материалов из органических веществ (лесоматериалы, бумажные материалы, резиновые материалы, органические вяжущие 
материалы), пластмасс, материалов из неорганических минеральных 
веществ (каменные материалы, минеральные материалы, бетоны, 
графитовые материалы, асбестовые материалы, керамические материалы, неорганические стекла), клеящих материалов, герметиков, 
лакокрасочных материалов, смазочных материалов и др. Описание 
всех неметаллических и композиционных материалов из данного перечня не представляется целесообразным. Авторы не претендуют на 
полноту изложения всех вопросов, связанных с материаловедением 
неметаллических и композиционных материалов, сосредотачивая 
свое внимание на основных материалах, предусмотренных учебными 
планами соответствующих направлений. В курсе лекций в основном 
описаны основы строения и свойства конструкционных неметаллических и композиционных материалов, кроме того, приводится описание структуры, свойств и методов получения некоторых материалов с особыми физическими свойствами. 

––––––––– 
1 Интернет-тренажер на сайте www.i-exam.ru, адрес Научно-исследователького института мониторинга качества образования – 424002, Республика Марий Эл, г. ЙошкарОла, ул. Эшпая, д. 155. 

1. ОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ 

1.1. Состав, строение  
и структура полимерных веществ 

Существует огромное количество видов самых различных органических материалов: лесоматериалы; бумажные, резиновые, битумные и дегтевые вещества; асфальтовые растворы и бетоны; различные органические клеи; пластмассы и т.д. У этих материалов очень 
широкая область применения. 
Молекула – наименьшая частица вещества, обладающая основными 
химическими свойствами этого вещества и состоящая из атомов, соединенных между собой химическими связями. Число атомов в молекуле может быть от двух до сотен и тысяч. Молекула полимерного вещества состоит из тысяч и более повторяющихся единиц (одинаковых 
или близких по строению групп атомов), это так называемая макромолекула. Химическое строение макромолекулы можно описать с помощью так называемой структурной единицы – составного звена. Составное звено – выделяемая группа атомов, с помощью которой можно 
описывать строение всей цепи макромолекулы (рис. 1.1). 

  

3

Составное  звено

H
CH

C
C

H
H

⎧
⎫
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
−
−
−
⎨
⎬
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎩
⎭
3

Составное  звено

H
CH

C
C

H
H

⎧
⎫
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
−
⎨
⎬
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎩
⎭
Составное  звено
3

H
H

C
C

H
СH

⎧
⎫
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
−
−
−
⎨
⎬
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎩
⎭

[ ]
Боковая группа

3

Основная  цепь

Боковая  группа

H
CH

C
C

H
H

⎡
⎤
⎣
⎦

−
−
←⎯⎯⎯⎯⎯⎯
⎯

Рис. 1.1. Схема строения линейной макромолекулы полимера 

Макромолекулы могут быть построены из одинаковых по химическому составу (мономеры) или различных (сополимеры) составных 
звеньев. В макромолекулах реализуются следующие виды связей: ковалентные и водородные – между атомами основной цепи; ван-дерваальсово взаимодействие – между атомами основной цепи и боковыми группами, а также между макромолекулами в полимере в целом. 
Полимер – вещество, характеризующееся многократным повторением одного или более составных звеньев, соединенных между со

бой в количестве, достаточном для проявления комплекса свойств, 
который остается практически неизменным при добавлении или удалении одного или нескольких составных звеньев.  
Полимеры с неупорядоченным чередованием групп называются 
нерегулярными, а с упорядоченными – регулярными. 
Макромолекулы полимеров образуют определенную пространственную конфигурацию. По виду различают четыре основные группы конфигурации: линейную, разветвленную, лестничную и сетчатую (рис. 1.2). Иногда [7] выделяют отдельно пространственные, 
паркетные, слоистые – эти три группы можно отнести к сетчатым, 
плоские ленточные можно отнести к лестничным. 
Линейные макромолекулы полимера – длинные зигзагообразные и 
скрученные в спираль цепочки (рис. 1.2, а). Длина линейной макромолекулы в несколько тысяч раз больше ее поперечного сечения. Макромолекулам поэтому присуща гибкость, которая ограничивается жесткими участками – сегментами, состоящими из нескольких звеньев. Такие 
макромолекулы, обладая достаточно высокой прочностью вдоль главной цепи, слабо связаны между собой и обеспечивают высокую эластичность материала. Нагрев вызывает размягчение, а последующее 
охлаждение – затвердевание полимера (полиамид, полиэтилен). 

 

Рис. 1.2. Формы пространственной  
конфигурации макромолекул полимеров:  
а – линейная, б – разветвленная; в – лестничная;  
г – сетчатая, пространственная; д – пространственная; е – паркетная  

а 
б 

в 
г 

д 
е 

Разветвленная макромолекула содержит боковые ответвления 
(рис. 1.2, б), что затрудняет сближение макромолекул и понижает 
межмолекулярное взаимодействие. Полимеры с подобной формой 
макромолекул отличаются пониженной прочностью, повышенной 
плавкостью и рыхлостью (амилопектин). Межмолекулярное взаимодействие имеет физическую природу. Энергия такой связи достигает 
5… 40 кДж/моль. 
Сшитые формы макромолекул (лестничная, сетчатая, рис. 1.2, в, г) 
свойственны более прочным, нерастворимым и неплавким полимерам, которые склонны к набуханию в растворителях и размягчению 
при нагревании (например, редкосетчатая конфигурация характерна 
для резины). 
Полимеры со сшитой трехмерной формой макромолекулы (рис. 1.2, д) 
отличаются хрупкостью и высокой стойкостью к внешним воздействиям 
(неспособны размягчаться и набухать). Примером полимеров с пространственной конфигурацией является янтарь. 
Макромолекулы полимеров обладают гибкостью, т.е. способностью перемещения их отдельных участков друг относительно друга. 
Гибкость ограничивается жесткими участками-сегментами, состоящими из нескольких звеньев главной цепи. Сегменты гибких 
макромолекул содержат 10–20 звеньев. На гибкость макромолекул 
оказывает влияние, с одной стороны, тепловое движение атомов, а с 
другой – энергия связи межмолекулярного взаимодействия. Тепловое 
движение полимерной молекулы связано с изменением ее формы и 
состоит во вращении атомов друг относительно друга при сохраняющихся постоянных валентных углах. В результате полимерная 
цепь редко бывает предельно вытянутой, а чаще имеет зигзагообразную или глобулярную форму (рис. 1.3). 

 

Рис. 1.3. Схематическое  
двумерное изображение кристаллита полиэтилена:  
1 – пластинчатый монокристалл; 2 – аморфная область  

2 

2 

1 

С гибкостью макромолекул полимеров связаны многие свойства 
полимеров, например, обратимая высокоэластическая деформация, 
достигающая десятков сотен процентов, ползучесть. Наиболее четко 
высокая эластичность проявляется в резинах и каучуках. 
Увеличение химической связи между макромолекулами очень 
сильно сказывается на их гибкости. Так, натуральный каучук, вулканизированный 3 % серы, имеет относительное удлинение при разрыве 800…900 %, прочность на разрыв 29…32 МПа. Эбонит (тот же 
каучук, но с 30 % серы) имеет относительное удлинение при разрыве 
менее 20% и прочность на разрыв 52…54 Мпа [2]. Увеличивая количество вулканизатора – серы, мы тем самым повышаем энергию межатомной связи. Повысить энергию межмолекулярной связи можно 
путем увеличения полярности полимерных звеньев. 
Полимеры подразделяют на полярные и неполярные. В макромолекулах неполярных полимеров центры тяжести разноименных зарядов совпадают. У полярной макромолекулы центр тяжести электронов сдвинут в сторону более электроотрицательного атома, а центры 
тяжести разноименных зарядов не совпадают. В результате смещения электронной пары в сторону атома с большей электроотрицательностью молекула поляризуется, т.е. центры ее положительных и 
отрицательных зарядов сдвигаются относительно друг друга на некоторое расстояние, возникает постоянный электрический дипольный момент. Ковалентная связь становится полярной, поэтому полярной становится и сама молекула. Вектор образовавшегося дипольного момента направлен по оси диполя от отрицательного заряда к положительному.  
При наличии полярных ковалентных связей могут образовываться 
и неполярные молекулы, если дипольные моменты этих связей компенсируют друг друга. Например, полиэтилен (рис. 1.4, а) – неполярный материал, хотя наряду с неполярными ковалентными связями 
(между атомами углерода) он содержит и полярные – между атомами 
углерода и водорода. Однако дипольные моменты последних равны 
и направлены противоположно и поэтому компенсируют друг друга. 
Строение молекул, подобное полиэтилену, имеют парафин, политетрафторэтилен (рис. 1.4, б) и многие другие. Таким образом, можно 
заключить, что неполярные полимеры имеют симметричное расположение функциональных групп и дипольные моменты связей атомов взаимно компенсируются.  

H
H

C
C

H
H
n

⎛
⎞
⎜
⎟
⎜
⎟
⎜
⎟
−
−
−
⎜
⎟
⎜
⎟
⎜
⎟
⎝
⎠

     

F
F

C
C

F
F
n

⎛
⎞
⎜
⎟
⎜
⎟
⎜
⎟
−
−
−
⎜
⎟
⎜
⎟
⎜
⎟
⎝
⎠

 

H
H

C
C

H
Cl
n

⎛
⎞
⎜
⎟
⎜
⎟
⎜
⎟
−
−
−
⎜
⎟
⎜
⎟
⎜
⎟
⎝
⎠

     

F
F

C
C

F
Cl
n

⎛
⎞
⎜
⎟
⎜
⎟
⎜
⎟
−
−
−
⎜
⎟
⎜
⎟
⎜
⎟
⎝
⎠

 

Рис. 1.4. Примеры неполярных 
(а – полиэтилен, б – политетрафторэтилен или фторопласт-4)  
и полярных (в – поливинилхлорид, г – политрифторхлорэтилен) 

В случае поливинилхлорида (ПВХ) дипольные моменты полярных 
ковалентных связей между атомами углерода и хлора, с одной стороны, 
и атомами углерода и водорода, с другой, складываются, в результате 
образуется дипольный момент, следовательно полимер в целом становится полярным (рис. 1.4, г). Подобно молекуле ПВХ, молекула политетрафторхлорэтилена также оказывается полярной. В общем случае в 
молекулах полярных полимеров присутствуют или полярные связи 
группировок (–Cl, –F, –OH), или несимметрия в их структуре.  
За счет полярности энергия межмолекулярных связей в ПВХ 
больше, чем в полиэтилене. ПВХ, имея прочность при растяжении 
100…200 Мпа, прочнее полиэтилена (20…45 МПа). Полярные полимеры жесткие, теплостойкие, но в отличие от неполярных их морозостойкость низкая. 
Полярность полимера можно оценить по величине диэлектрической проницаемости ε. Неполярные полимеры – фторопласт и полиэтилен – имеют ε = 2,1, а у полярных полимеров –органического 
стекла, капрона – диэлектрическая проницаемость ε > 3,5 [2]. 
По фазовому состоянию полимеры подразделяют на аморфные, 
например, полиметилметакрилат (органическое стекло) и кристалли
а 
б

в 
г 

ческие, например полиэтилен. Аморфные полимеры представляют 
собой пачки цепных макромолекул. Пачка состоит из многочисленных рядов макромолекул, расположенных последовательно друг за 
другом. Пачки способны перемещаться относительно соседних элементов структуры. 
Аморфные полимеры могут быть построены из молекул, свернутых в глобулы. Глобулярная структура аморфного полимера придает 
им невысокие механические характеристики в связи с хрупким разрушением по границам глобул. Под воздействием температуры глобулы способны распрямляться в линейные образования, что способствует повышению механических свойств полимеров. 
Макромолекулы кристаллизующихся полимеров имеют регулярную 
структуру и отличаются достаточной гибкостью. Формирование в пространстве иных решеток кристаллов начинается с перестроения внутри 
пачек. Гибкие пачки в результате многократного поворота на 180° складываются в ленты [7]. Ленты, в свою очередь, присоединяются друг к 
другу плоскими сторонами и образуют пластины (см. рис. 1.3). Наложение нескольких таких пластин приводит к образованию кристалла. 
Кристаллы полимеров могут формироваться непосредственно из 
расплава при охлаждении. Чаще расплав полимера с понижением 
температуры, переходя в твердое состояние, сохраняет аморфную 
структуру жидкости. Это стеклообразное состояние полимера устойчиво в связи с заторможенностью теплового движения, громоздкостью макромолекул и значительной вязкостью расплава. 
Линейная и разветвленная конфигурации способствуют эластичности.  
Лестничная конфигурация может приводить к повышению теплостойкости, большей жесткости, полимеры с такой конфигурацией 
нерастворимы в стандартных органических растворителях, пример – 
кремнийорганические полимеры. 
Сетчатые полимеры подразделяют на редкосетчатые, например,  
резина) и густосетчатые, так называемые пространственные полимеры. Последние отличаются повышенной теплостойкостью, нерастворимостью, они находятся в стеклообразном (аморфном) состоянии. 

1.2. Классификация полимерных материалов 

Существует несколько подходов к классификации полимерных 
материалов, каждый из которых  учитывает различные факторы: 
структуру, происхождение, состав, физическое состояние, полярность молекул полимера, отношение к нагреву.