Металлические композиционные и гибридные материалы : гибридные наноструктурные материалы

МИНИС ТЕРС ТВО НАУКИ И ВЫСШ ЕГО О Б РА З О ВА Н И Я РФ

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

ИНСТИТУТ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ

Кафедра металловедения и физики прочности

Москва  2018

С.О. Рогачев
В.А. Белов

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ 
И ГИБРИДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

ГИБРИДНЫЕ НАНОСТРУКТУРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Учебное пособие

Допущено Федеральным Учебно-методическим объединением 
по укрупненной группе специальностей и направлений 22.00.00 
«Технологии материалов» в качестве учебного пособия  
при подготовке бакалавров, обучающихся по направлению  
«Материаловедение и технологии материалов»

№ 3388

УДК 620.22-419.8 
Р59

Р е ц е н з е н т ы: 
д-р физ.-мат. наук, проф. С.Д. Калошкин,  
канд. физ.-мат. наук Р.В. Сундеев (МИРЭА)

Рогачев С.О.
Р59  
Металлические композиционные и гибридные материалы. Гибридные наноструктурные материалы : учеб. пособие / 
С.О. Рогачев, В.А. Белов. – М. : Изд. Дом НИТУ «МИСиС», 
2018. – 74 с.
ISBN 978-5-906953-92-6

Приведено описание основных классов композиционных и гибридных 

металлических материалов, их особенности, механизмы повышения механической прочности. Подробно рассмотрены деформационные методы создания 
металлических композитов и гибридов. Обоснована возможность применения 
пластических деформаций со сверхбольшими степенями (мегапластическая 
деформация) как способа изготовления металлических композитов и гибридов 
с одновременным улучшением их свойств за счет формирования ультрамелкозернистой структуры. Приведены примеры полученных композиционных и 
гибридных материалов с описанием их свойств. 

Предназначено для студентов, обучающихся в бакалавриате по направлению 22.03.01 «Материаловедение и технологии материалов» и профилю 
«Металловедение и термическая обработка металлов». Может быть полезно 
инженерам, аспирантам и научным сотрудникам, профессиональная деятельность которых связана с созданием композиционных и гибридных материалов 
различного назначения. 

УДК 620.22-419.8

 С.О. Рогачев, 

В.А. Белов, 2018
ISBN 978-5-906953-92-6
 НИТУ «МИСиС», 2018

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ....................................................................................................4
1. Понятие композиционных и гибридных материалов ........................6
2. Классификация композиционных материалов .................................13
2.1. Зернистые композиционные материалы ...................................... 14
2.2. Волокнистые композиционные материалы .................................. 18
2.3. Слоистые композиционные материалы ........................................ 23
3. Металлические композиционные материалы, полученные 
деформационными методами .................................................................28
3.1. Способы изготовления композиционных и гибридных 
материалов .............................................................................................. 28
3.2. Использование традиционных деформационных методов 
для создания композиционных и гибридных материалов  ................ 21
3.3. Использование больших пластических деформаций 
для создания композиционных и гибридных материалов ................. 49
Вопросы для самоконтроля ....................................................................68
Библиографический список ...................................................................71

Введение

В настоящее время ученые-материаловеды продолжают изучать 
и использовать возможности, заложенные в идею создания композиционных материалов (композитов). Композиционный материал 
содержит не менее двух химически разнородных компонентов, разделенных границей, т.е. не смешивающихся. В широком смысле к 
композитам можно отнести любой материал с неоднородной структурой. «Классические» композиты состоят из матрицы и армирующих 
элементов.
Композиционные материалы характеризуются набором свойств, 
отличных от свойств отдельных компонентов композита. При этом в 
композите проявляются достоинства составляющих его компонентов, 
а не их недостатки. Одной из основных целей создания композиционных материалов конструкционного назначения является достижение 
высокого сопротивления разрушению.
По структуре композиты подразделяются на зернистые, волокнистые и слоистые, а также комбинированные. По материалу-основе 
композиты классифицируют на полимерные, керамические, углерод-
углеродные и металлические.
Особым типом композиционного материала является так называемый гибридный материал. Он представляет собой комбинацию 
из двух или более разнородных материалов с заранее заданной геометрией, размером и расположением. В отличие от композиционного 
материала, который в первую очередь должен характеризоваться высокой прочностью и сопротивлением разрушению, гибридный материал должен обладать широкой функциональностью.
В пособии акцент сделан на металлические композиционные и 
гибридные материалы, их особенности, свойства, сферы применения, способы получения и пути их дальнейшего развития. Композиционные и гибридные материалы различных типов по удельным 
прочности и жесткости, жаропрочности, сопротивлению усталости 
и другим механическим и эксплуатационным свойствам превосходят 
все известные конструкционные материалы.
Большинство природных материалов являются композиционными: 
стволы деревьев, кости человека и животных, минералы и др. Именно 
изучение природных материалов позволило человеку еще в древние 
времена создавать искусственные композиты для различных целей, 
например в строительстве.

Многообразие типов композиционных и гибридных материалов 
предполагает наличие широкого набора различных технологий их 
изготовления. Тем не менее многие из этих технологий не освоены 
в промышленности и применимы только в лабораторных условиях. 
С этой точки зрения весьма перспективным способом изготовления 
металлических композиционных и гибридных материалов, в том числе в промышленности, являются методы пластической деформации 
(горячее прессование, экструзия и др.). В последние годы развивается 
направление, связанное с использованием пластических деформаций 
со сверхвысокими степенями (мегапластическая деформация) как 
способа изготовления композитов с одновременным формированием 
наноструктуры в их компонентах в целях достижения более высоких 
свойств композита или получения новых свойств.
Композиционные и гибридные материалы, бесспорно, являются 
самым широким классом конструкционных материалов. За счет выбора компонентов композиционного материала, изменения их геометрии, объемной доли армирующих элементов в матричном материале, а также за счет самой технологии изготовления композиционного 
материала его свойства можно варьировать в значительных пределах. 
Композиционные материалы находят широкое применение во всех 
сферах промышленности и техники, включая авиа-, автомобиле- и судостроение, космическую отрасль и др. При этом далеко не все возможности, заложенные в идею создания композитов, к настоящему 
времени реализованы.
Пособие призвано продемонстировать читателю возможности, 
заложенные в идею создания композиционных и гибридных материалов, ознакомить как с «классическими» композитами, их типами и 
устройством, так и с совершенно новыми классами композитов и гибридов с уникальными свойствами, созданными в последнее время 
методами пластической и мегапластической деформации.

1. ПОНЯТИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ 
И ГИБРИДНЫХ МАТЕРИАЛОВ

После столетий исследований в области разработки материалов 
ученые и инженеры по-прежнему ищут новые подходы к их созданию. Многие из хорошо известных материалов, таких как металлы, 
керамики или пластмассы, не всегда отвечают требованиям, предъявляемым к ним в различных отраслях промышленности. Зачастую 
индустрия нуждаeтся в многофункциональных материалах с широким комплексом свойств, который невозможно реализовать в рамках 
одного материала. Примером может служить необходимость создания 
сплавов с высокими показателями прочности, пластичности и электропроводности. Традиционные стратегии достижения комплекса 
свойств с использованием одного материала уже во многом исчерпали себя и часто не в состоянии обеспечить желаемые результаты.
Современное материаловедение изучает и широко использует возможности, заложенные в идею создания композиционных материалов (композитов). С давних времен известно, что объекты, состоящие 
из комбинации различных материалов, могут обладать улучшенными свойствами по сравнению с теми же объектами, полученными из 
какого-то одного материала.
Композиционными называются такие материалы, которые сочетают в себе не менее двух химически разнородных компонентов (фаз) с 
четкой границей раздела (интерфейсом) между ними, т.е. не смешивающихся [1]. В широком смысле композитом является любой материал 
с гетерогенной (неоднородной) структурой. Однако такое определение 
в принципе позволяет отнести к композитам абсолютное большинство материалов (многофазные стали и сплавы, керамики и др.). Поэтому «классическими» композитами считают только те материалы, 
структура которых представляет собой матрицу (основа композита), 
содержащую в своем объеме упрочняющую (армирующую) фазу (или 
армирующие элементы), часто называемую наполнителем. Матрицу 
и наполнитель связывает граница (поверхность) раздела (интерфейс). 
Матрица придает формы композиционному материалу; от ее свойств 
в большой степени зависят эксплуатационные характеристики, такие 
как рабочие температуры, взаимодействие с окружающей средой и т.д. 
Объем матричного материала в составе композита должен быть не менее 50 %. Наполнитель равномерно распределен в объеме матрицы и 
часто имеет заданную пространственную ориентацию.

Композиционные материалы обладают комплексом свойств, отличающихся от свойств отдельно взятого компонента, входящего в его 
состав. Таким образом в композиционном материале достигается сочетание качественно новых свойств. Любой композит разрабатывается таким образом, что в нем проявляются достоинства составляющих 
его компонентов, а не их недостатки.
С появлением такого рода материалов возникла возможность селективного выбора свойств композитов, необходимых для удовлетворения требований в конкретной области применения. Композиты 
сегодня используются везде – от спортивного инвентаря и игрушек 
до автомобилей и космических аппаратов (тормозные диски, теплоизоляция, лопатки турбин, микросхемы и др.).
Важное значение при проектировании любого композиционного 
материала имеет вопрос о границе раздела между его компонентами. Это обусловлено тем, что состояние границы раздела (в первую 
очередь ее структура и качество соединения) определяет эффективность армирования композита тем или иным наполнителем и в конечном счете влияет на прочность самого композита. Под границей 
раздела подразумевается поверхность контакта матрицы с армирующей фазой. В общем случае эта граница по своему химическому составу и физико-механическим свойствам отличается от таковых для 
матрицы и армирующей фазы. В работе [1] приводится следующее 
определение: «Граница (или поверхность) раздела между матрицей 
и наполнителем – это область изменения химического состава и физико-механических свойств (плотность, прочность, модуль упругости) композита». Она обеспечивает связь матрицы с армирующим 
элементом, необходимую для передачи и распределения нагрузки 
между составляющими композита. Важнейшей характеристикой композиционного материала является стабильность границы раздела, т.е. 
неизменность фазового состава и структуры при заданных условиях 
эксплуатации: давлении, температуре, времени, окружающей среде и внешней нагрузке. Стабильность границы раздела необходима 
для обеспечения высокой эксплуатационной надежности композиционного материала в течение всего срока его службы. Если при использовании композита значительно изменяется фазовый состав границы раздела его компонентов (т.е. происходит образование новых 
химических соединений с увеличением или уменьшением объема) 
и ее структуры (например, значительный рост зерен вследствие собирательной рекристаллизации или возникновение диффузионной 

пористости), то это неминуемо приведет к деградации свойств материала. Такой композит невозможно использовать в качестве конструкционного материала. Для обеспечения дополнительной связи и 
более прочного соединения между компонентами часто необходимо 
некоторое диффузионное взаимодействие между ними. Прочность 
композиционных материалов в большой степени зависит от прочности сцепления элементов наполнителя с матрицей [2]. Можно назвать 
следующие типы связи на границе раздела «матрица – наполнитель».
Механическая связь. Она реализуется в том случае, если поверхность армирующего элемента имеет некоторую шероховатость, а 
химическое взаимодействие между ним и матрицей отсутствует. 
Прочность такой связи обеспечивается только за счет сил трения по 
границе раздела и может существенно увеличиваться при передаче на 
армирующие элементы сжимающих напряжений.
Реакционная связь. Такая связь возникает, если по границе раздела 
в результате химической реакции образуется новое соединение или 
твердый раствор.
Адгезионная связь. Она образуется при растекании расплава менее 
тугоплавкого матричного компонента по поверхности более тугоплавкого армирующего компонента, находящегося в твердом состоянии. 
После охлаждения и кристаллизации расплава между указанными компонентами формируется связь. Указанный процесс возможен 
только при условии хорошего смачивания расплавом армирующей составляющей композита. Такая связь между матрицей и упрочнителем 
достигается в результате действия ван-дер-ваальсовых сил.
Смешанная связь. Это совокупность двух или нескольких вышеперечисленных типов связи, которые могут одновременно реализоваться по поверхности раздела того или иного композита. 
Для композиционного материала конструкционного назначения 
определяющим свойством является прочность и сопротивление разрушению. Процесс разрушения в металлическом материале подразделяют на две стадии: зарождения (инициирования) и развития трещины. Эти процессы рассматриваются с позиции теории дислокаций и 
подробно описаны в работах [3, 4].
Практически все природные материалы по своей сути являются 
композиционными. Такие природные конструкции, как стволы деревьев, кости человека и животных имеют характерную волокнистую 
структуру, т.е. являются природными волокнистыми композитами. 
В деревьях волокна целлюлозы соединены пластичным лигнином, в 

костях тонкие прочные нити фосфатных солей – пластичным коллагеном. Многие другие природные образования также имеют композитную структуру. Например, перламутр состоит из шестиугольных 
пластинок кристаллов карбоната кальция, залегающих в параллельных слоях (рис. 1.1). Эти слои соединены органической матрицей, состоящей из эластичных биополимеров, и поэтому такой материал обладает уникальным сопротивлением к разрушению.

Рис. 1.1. Перламутр и вид пластинок кристаллов карбоната кальция, 
расположенных параллельными слоями [5]

Человек еще в древние времена, наблюдая за природой, использовал композитный принцип при создании различных изделий и конструкций. Известно применение в строительстве кирпичей из глины, 
армированных соломой. Это пример волокнистого композиционного 
материала, в котором роль армирующего элемента выполняли отдельные соломинки. При высокой прочности такой композит обладал 
еще и хорошими теплоизолирующими свойствами. Другой случай – 
упрочнение керамических изделий добавками из козьей шерсти.
Примером научного подхода при создании искусственных композиционных материалов можно считать появление железобетона. Известно, что предел прочности обычного бетона при сжатии намного 
превышает таковой при растяжении. Для повышения прочности бетона при растяжении его заливку производят в опалубку, в которой 
предварительно установлен сварной каркас из стальной арматуры. 
В полученной таким образом композитной железобетонной конструкции растягивающие напряжения воспринимает на себя арматура.
Особым типом композиционного (в широком смысле) материала 
является гибридный материал, который представляет собой комби

нацию из двух или более разнородных материалов с заранее заданной 
геометрией, размером и расположением. При создании гибридного 
материала основной акцент делается обычно не на повышение его 
прочности, а на изменение функциональности. Гибридные материалы 
имеют либо несколько функциональных свойств, либо новые механические, оптические, электрические или магнитные свойства, полученные за счет взаимодействия различных компонентов.
В литературе существует большое количество определений «гибридных» материалов. Например, на страницax журнала «Hybrid 
Materials» можно найти следующее определение: «Гибридные материалы состоят из двух или более компонентов, причем часто один из компонентов имеет неорганическую, а другой органическую природу» [6].
Другое определение гибридных материалов, пришедшее из области материаловедения, было дано Майком Эшби и Ивом Бреше во 
многих статьях, которые принадлежат к наиболее цитируемым работам последнего десятилетия [7, 8]. «Гибридные материалы сочетают 
в себе свойства двух (или более) монолитных материалов или одного 
материала и пустого пространства. Кроме этого, должны быть учтены 
форма и геометрия отдельных компонентов, а также масштаб, на котором они соединены». Главное отличие этого определения от определений, имеющих свое происхождение в химии, состоит в том, что 
дополнительно к выбору материалов авторами рассматривается такой 
новый параметр, как геометрия (включающая в себя взаимное расположение компонентов), с помощью которого можно регулировать 
свойства конечного материала.
Обобщив предложенные в литературе варианты трактовки гибридных материалов, можно сформулировать следующее определение: 
«Гибридный материал представляет собой комбинацию из двух или 
более разнородных материалов с заранее заданной геометрией, размером и расположением, позволяющую получать требуемую совокупность свойств, оптимально выполняющую конкретное инженерное назначение». Таким образом, форма и конфигурация компонентов 
гибрида играют ключевую роль в определении его свойств. Получению нового многофункционального гибридного материала с характеристиками, отличными от характеристик изначальных компонентов, 
способствует также часто имеющее место взаимодействие этих компонентов на молекулярном или наномасштабном уровне. Таким образом, состояние границы раздела между компонентами гибрида имеет 
такое же важное значение, как и в случае «классических» композитов.

Характерными примерами гибридных материалов являются биметаллические, решетчатые и сегментированные структуры [9, 10]. В 
своих работах Эшби предложил учитывать следующие переменные 
дизайна гибридных материалов: выбор компонентов и их относительных объемов, их конфигурацию и способ, которым они соединены 
друг с другом. 
Каждый тип гибридного материала позволяет получить оптимальные свойства для определенного применения. Например, в области 
строительства давно известно, что полые трубы могут быть использованы вместо сплошных стержней, если важнейшим критерием является поведение при изгибе [7]. Другой пример структуры, широко 
применяемой в промышленности, это сэндвич-структуры, которые позволяют оптимизировать механические свойства за счет подходящего 
выбора сердцевины и материала обшивки. Полые балки, двутавровые 
балки и сэндвич-панели обеспечивают большую жесткость на изгиб 
и прочность на единицу длины по сравнению с цельным сечением. За 
последние 10 лет интерес к гибридным материалам значительно вырос 
и появилось много интересных работ в этом направлении [8, 11, 12].
Пример создания гибридного материала вдохновлен геометрическим 
строением стеблей различных растений. На рис. 1.2 показан искусственный «стебель», созданный из волокнистого композиционного материалa 
на основе технического текстиля с оптимизированными механическими 
свойствами и градиентной структурой. Исследования немецких ученых 
показали, что такого типа гибридные материалы обладают многообещающими структурными и функциональными свойствами [13].

Рис. 1.2. Искусственный «стебель» с матрицей  
из полиуретановой пены [13]