Физико - химические основы технологии композиционных материалов : теоретические основы процессов создания композиционных материалов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

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

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2003 

Кафедра порошковой металлургии и функциональных покрытий

В.И. Костиков 
 
 

Физико-химические основы 
технологии композиционных 
материалов 

Теоретические основы процессов создания 
композиционных материалов 

Учебное пособие 

Допущено учебно-методическим объединением по образованию 
в области металлургии в качестве учебного пособия для студентов 
высших учебных заведений, обучающихся по направлению 
150100 – Металлургия 

Москва  2011 

УДК 620.22-419.8  
 
К72 

Р е ц е н з е н т  
д-р техн. наук, проф. А.Н. Варенков 

Костиков, В. И. 
К72  
Физико-химические основы технологии композиционных материалов :  теоретические основы процессов создания композиционных материалов : учеб. пособие / В.И. Костиков. – М. : Изд. 
Дом МИСиС, 2011. – 240 с. 
ISBN 978-5-87623-389-9 

Представлены классификация и теоретические основы конструирования 
композиционных материалов. Описаны особенности методов контроля 
свойств композиционных материалов и их аппаратурное оформление. Подробно рассмотрены процессы физико-химического взаимодействия между 
компонентами композиционных материалов. Обсуждено влияние результатов этого взаимодействия на физические, механические и химические свойства композитов. Изложены физико-химические основы технологии получения основных армирующих элементов (металлические, стеклянные, углеродные, керамические, борные волокна и нитевидные кристаллы) и матриц (металлы, полимеры, углерод) композиционных материалов. 
Предназначено для студентов, обучающихся по специальностям 150108 
«Порошковая металлургия, композиционные материалы, покрытия», 150701 
«Физико-химия процессов и материалов», а также для магистров и аспирантов, обучающихся по направлению «Металлургия». 

УДК 620.22-419.8 

ISBN 978-5-87623-389-9 
© В.И. Костиков, 2011 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие..............................................................................................6 
Введение....................................................................................................8 
1. Классификация композиционных материалов ................................11 
1.1. Цели и задачи создания композиционных материалов............11 
1.2. Классификация композиционных материалов по виду 
материала матрицы, ориентации и типу арматуры, назначению...12 
1.3. Требования к армирующим волокнам 
и материалу матриц............................................................................14 
2. Теоретические основы конструирования композиционных 
материалов...............................................................................................16 
2.1. Модули нормальной упругости в направлении 
оси волокна и в перпендикулярном направлении ...........................17 
2.2. Коэффициент Пуассона и модуль сдвига 
для однонаправленно армированных композиционных 
материалов...........................................................................................20 
2.3. Прочность композиционных материалов, армированных 
непрерывными и дискретными волокнами......................................23 
2.3.1. Композиционные материалы, армированные 
непрерывными волокнами.............................................................23 
2.3.2. Композиционные материалы, армированные 
дискретными волокнами................................................................33 
2.4. Статистическая прочность композиционных материалов.......42 
2.5. Формирование и развитие трещин в композиционных 
материалах...........................................................................................49 
2.6. Прочность композиционных материалов при сжатии .............54 
3. Методы контроля свойств композиционных материалов...............57 
3.1. Методы определения механических свойств 
армированных композиционных материалов..................................57 
3.1.1. Растяжение ............................................................................58 
3.1.2. Сжатие ...................................................................................62 
3.1.3. Сдвиг......................................................................................64 
3.1.4. Изгиб......................................................................................66 
3.2. Испытания кольцевых образцов.................................................73 
3.2.1. Растяжение ............................................................................73 
3.2.2. Сжатие ...................................................................................75 
3.3. Анализ структуры композиционных метариалов 
и механизмов ее разрушения.............................................................76 

3.3.1. Микроскопический анализ...................................................76 
3.3.2. Фрактографический анализ .................................................77 
4. Межфазное взаимодействие в композиционных материалах ........79 
4.1. Термодинамическая и кинетическая совместимость 
компонентов........................................................................................79 
4.2. Виды межфазного взаимодействия............................................83 
4.3. Влияние толщины поверхности раздела на прочность 
и характер разрушения.......................................................................84 
4.4. Типы связей между компонентами............................................88 
4.5. Процессы диффузии между компонентами ..............................90 
4.5.1. Уравнения Фика....................................................................90 
4.5.2. Диффузия через плоскую поверхность ..............................91 
4.5.3. Диффузия в среде со сферической симметрией ................95 
4.5.4. Диффузия в среде с цилиндрической симметрией............98 
4.6. Смачивание и растекание .........................................................101 
4.6.1. Поверхностное натяжение.................................................112 
4.6.2. Поверхностная энергия твердых тел ................................116 
4.6.3. Свободная поверхностная энергия на границе 
твердое тело–жидкость ................................................................119 
4.6.4. Смачивание в системах «твердый металл–жидкий 
металл» ..........................................................................................123 
4.6.5. Смачивание в системах «тугоплавкое 
соединение–жидкий металл».......................................................125 
5. Методы получения и свойства армирующих материалов ............140 
5.1. Металлические волокна............................................................140 
5.1.1. Стальная проволока............................................................140 
5.1.2. Вольфрамовая и молибденовая проволоки ......................147 
5.1.3. Бериллиевая проволока ......................................................150 
5.1.4. Титановая проволока..........................................................151 
5.1.5. Биметаллическая проволока..............................................152 
5.2. Стеклянные волокна..................................................................153 
5.3. Волокна бора, карбида кремния и борсика .............................163 
5.3.1. Борные волокна...................................................................163 
5.3.2. Волокна карбида кремния и борсика................................169 
5.4. Углеродные волокна..................................................................173 
5.4.1. Исходные материалы и химические превращения 
при формировании углеродных волокон ...................................178 
5.4.2. Углеродные волокна на основе полиакрилонитрила ......179 
5.4.3. Углеродные волокна на основе пека.................................186 
5.4.4. Углеродные волокна на основе гидратцеллюлозы..........189 

5.4.5. Свойства углеродных волокон ..........................................191 
5.5. Нитевидные кристаллы.............................................................200 
5.6. Керамические волокна ..............................................................210 
5.6.1. Монокристаллические керамические волокна ................210 
5.6.2. Поликристаллические керамические волокна .................212 
6. Металлические матрицы композиционных материалов...............216 
6.1. Матрицы на основе алюминия .................................................216 
6.1.1. Технический алюминий .....................................................216 
6.1.2. Деформируемые алюминиевые сплавы............................216 
6.1.3. Литейные алюминиевые сплавы .......................................220 
6.2. Матрицы на основе магния.......................................................221 
6.3. Матрицы на основе титана .......................................................223 
6.4. Матрицы на основе меди ..........................................................225 
6.5. Матрицы на основе никеля.......................................................226 
Заключение............................................................................................238 
Библиографический список.................................................................239 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Упрочнение металлов, полимеров и керамики различной природы 
высокопрочными и высокомодульными волокнами и частицами из 
веществ с высокой энергией межатомной связи является одним из 
перспективных направлений современного материаловедения. Применение армированных волокнами и частицами композиционных 
материалов (КМ) способствует решению ряда проблем, связанных с 
существенным повышением эксплуатационных характеристик высокопрочных и жаропрочных конструкционных материалов, и созданию материалов с качественно новыми физическими свойствами. 
Использование КМ в технике связано с разработкой новых принципов конструирования ряда ответственных высоконагруженных изделий и повышением их технологичности. 
В настоящее время КМ широко применяют при производстве летательных аппаратов, в машино- и приборостроении, энергетике, электронной, радио- и электротехнической промышленности, на транспорте, в медицине, строительстве и других отраслях народного хозяйства. 
В России проводятся исследования по разработке новых КМ с металлическими, полимерными и углеродными матрицами, организовано производство их полуфабрикатов и готовых изделий. Накоплен 
значительный опыт в различных областях технологии (плазменной, 
лазерной, парогазовой, жидкофазной, твердофазной и др.), используемой при получении армирующих волокон, барьерных и технологических покрытий на них, полуфабрикатов КМ в виде лент, прутков, труб и листов. 
За последние годы опубликовано большое количество отечественных и зарубежных работ, посвященных вопросам химии, физики, 
механики, технологии и применению КМ. Наиболее полно сведения 
о них представлены в энциклопедическом восьмитомном издании 
«Композиционные материалы» под общей редакцией Л. Браутмана и 
Р. Крока (пер. с англ.), изданного в СССР в 1976–1987 гг., а также в 
фундаментальном шеститомнике Soviet Advanced Composites Technology Series, выпущенном издательством Chapman and Hall в 1994–
1996 гг. в Лондоне на английском языке под редакцией академика 
И.Н. Фридляндера и J.H. Mapshall. Авторы этого издания – крупные 
отечественные ученые. Редактирование отдельных томов осуществлено 
А.Г. Братухиным, В.С. Боголюбовым, В.И. Трефиловым, И.Н. Фридляндером, Р.Е. Шалиным, В.И. Костиковым, С.И. Загайновым, Г.Е. Ло

зино-Лозинским. К сожалению, это издание до сих пор не переведено на 
русский язык, несмотря на то что в нем на хорошем научном уровне 
описаны огромные достижения отечественной науки и техники в области общей технологии композитов, технологии и свойств керамических и 
углеродных композитов, металломатричных и полимерных КМ, технологии и свойств армирующих волокон, а также в области конструирования изделий из КМ. 
Наряду с этим имеется очень мало учебной литературы по этому 
очень важному для современной науки и технике вопросу. 
Настоящее учебное пособие написано применительно к учебным 
дисциплинам для студентов, обучающихся по специальностям 
150108 «Порошковая металлургия, композиционные материалы, покрытия» и 150701 «Физико-химия процессов и материалов». 
Поскольку отразить все аспекты КМ в одном учебном пособии 
невозможно, автор стремился осветить те проблемы, которые представляют наибольший интерес и требуют серьезной подготовки, однако не выходящей за пределы основных дисциплин учебных планов 
инженерных вузов. 
Учебное пособие может быть полезно студентам металлургических 
и машиностроительных вузов, магистрам, аспирантам, слушателям курсов повышения квалификации и инженерно-техническим работникам, 
занимающимся разработкой композиционных материалов. 

ВВЕДЕНИЕ 

Естественные волокнистые материалы известны с далеких времен. Достаточно внимательно посмотреть на растительные и животные вещества, имеющиеся на Земле, чтобы увидеть, что армированные композиционные материалы уже давно используются самой 
природой. Кости, волосы, ногти являются примерами этих материалов. Кость представляет собой композиционный материал на основе 
минерального апатита и белка коллагена, дерево – композиционный 
материал на основе целлюлозы и лигнина. Однако реализовать принцип упрочнения волокнами при создании конструкционных материалов удалось сравнительно недавно. По мере развития металлургии и 
строительного дела появились железобетонные конструкции, в которых роль армирующего элемента отведена стальным пруткам, а роль 
матрицы, передающей нагрузку, – бетону. 
Прогресс в химии привел к появлению высокопрочных стеклянных, углеродных, борных, карбидокремниевых, оксидных и разнообразных органических волокон и полимерных материалов. На их основе были разработаны и получили широкое применение в технике разнообразные КМ – стекло-, угле-, боропластики и гибридные комбинации из них. Появился новый класс конструкционных материалов, с 
помощью которых практически впервые удалось одновременно реализовать комплекс самых противоположных свойств – высокую прочность и жесткость при растяжении и сжатии, высокие предел выносливости, работу разрушения и низкую удельную плотность. 
Если традиционные методы упрочнения (благодаря легированию твердого раствора, фазовым превращениям с образованием метастабильных пересыщенных твердых растворов или гетерофазных 
дисперсных систем, в частности с равномерно распределенными 
тонкодисперсными выделениями частиц упрочняющей фазы) позволяют получать конструкционные материалы с удельной прочностью 
не более 20…30 км и пределом выносливости не выше 30 % предела 
прочности, то упрочнение волокнами повышает эти характеристики 
соответственно до 50…70 км и 70 %. Изменение направления расположения волокон в разных слоях КМ позволяет регулировать их 
свойства в плоскости армирования. 
Благодаря разработке волокнистых КМ появилась возможность 
создавать элементы конструкций с заранее заданными свойствами, высокой эффективностью по массе и высокой технологичностью, 

что, естественно, привело к качественным изменениям в авиационной, судостроительной и других отраслях промышленности. 
Однако армированные волокнами пластмассы обладают рядом 
недостатков: низким сопротивлением сдвигу матрицы, относительно 
невысокой прочностью связи волокон с матрицей, невозможностью 
использования их для работы при повышенных температурах, низким сопротивлением эрозии при воздействии газовых потоков, недостаточно длительной стойкостью в контакте с водой и во влажной 
атмосфере и т.д. Поэтому особое внимание конструкторов и материаловедов в последние годы было обращено на разработку КМ с 
металлическими матрицами, лишенных указанных недостатков. Эта 
задача оказалась значительно более сложной по двум основным причинам. Первая из них связана с более сильным в сравнении с полимерами реакционным взаимодействием металлов с материалом волокон, вторая обусловлена значительно большим различием физикомеханических свойств компонентов, входящих в КМ. 
Температура изготовления КМ с металлическими матрицами 
обычно выше, чем с матрицами из органических смол, поэтому проблема химической и термомеханической совместимости компонентов в этих КМ значительно более серьезна как в научном, так и в 
технологическом плане. Наиболее простыми являются следующие 
пути ее решения: 1) использование вариантов технологии с низкими 
температурами компактирования КМ, преимущественно в твердом 
состоянии; 2) применение термодинамически и химически стойких 
барьерных слоев между компонентами в тех случаях, когда не удается использовать компоненты, которые взаимно термодинамически 
стабильны или находятся в равновесии; 3) выбор компонентов по 
возможности с меньшей разностью коэффициентов термического 
расширения; 4) использование для матриц сплавов с пластичностью, 
достаточно высокой для релаксации напряжений при компактировании, последующих переделах и эксплуатации. 
При выборе процесса получения КМ и оптимизации его технологических параметров важно одновременно учитывать необходимость 
обеспечения следующих условий: полное уплотнение КМ с равномерным распределением волокон в матрице, образование прочной 
связи между компонентами, ограничение развития химического 
взаимодействия между ними из-за опасности образования хрупких 
промежуточных фаз недопустимой толщины, предупреждение дробления волокон, производительность, простоту и технологичность конструкции, возможность последующего соединения ее элементов и т.д. 

Материалы с металлическими матрицами имеют ряд неоспоримых преимуществ, которые делают их перспективными для использования в конструкциях, работающих в экстремальных эксплуатационных условиях: высокие удельные прочность, жесткость и вязкость 
разрушения, малая чувствительность к изменениям температуры и 
тепловым ударам, высокая стойкость к коррозии и эрозии, низкая 
чувствительность к поверхностным дефектам, высокие демпфирующие свойства, электро- и теплопроводность, технологичность при 
конструировании, обработке и соединении, хорошая воспроизводимость свойств. 
В настоящее время для снижения анизотропии механических 
свойств КМ с однонаправленным и ортогональным армированием в 
качестве матрицы используют конструкционные сплавы повышенной прочности. Иногда применяют полиматричные КМ, в которых 
для повышения прочности под углом к основным направлениям армирования чередуют слои матрицы из сплавов с различными механическими свойствами. 
По сравнению с двумя другими видами материалов с металлическими матрицами (слоистыми и упрочненными дисперсными частицами) КМ, армированные волокнами, позволяют получать механические и специальные физические свойства более высокого уровня. 
По принципу упрочнения к классу КМ, упрочненных волокнами, 
относят также естественные КМ, получаемые методом направленной 
кристаллизации сплавов эвтектического состава и ориентированного 
роста в твердом состоянии, например эвтектоидных колоний в сталях. 
Кроме того, к числу волокнистых КМ можно отнести и материалы, 
армированные нитевидными кристаллами. К этому классу КМ также 
относятся материалы, в которых упрочняющим элементом являются 
наночастицы и нановолокна, разработанные в последние годы. 

1. КЛАССИФИКАЦИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ 
МАТЕРИАЛОВ 

1.1. Цели и задачи создания композиционных 
материалов 

В широком смысле понятие «композиционный материал» (его синонимами являются композит, композиция) – включает в себя любой материал с гетерогенной структурой (т.е. состоящий из двух фаз и более). 
Такое определение позволяет отнести к числу КМ подавляющее 
большинство применяемых в технике материалов. Действительно, 
почти все металлические сплавы содержат несколько фаз, которые 
либо создаются намеренно, либо образуются в результате наличия в 
металле вредных примесей. Например, обычную сталь, согласно 
этому определению, можно рассматривать как КМ, состоящий из 
двух фаз – феррита и цементита. То же можно сказать о многих керамических и полимерных материалах. Понятие еще более расширится, если КМ рассмотреть на молекулярном или атомном уровне. В 
этом случае КМ состоит из молекул или атомов. Значит, это определение КМ нуждается в уточнении. 
Первым создателем КМ была сама природа. Множество природных конструкций (стволы деревьев, кости и зубы животных, скелеты 
насекомых) имеют характерную волокнистую структуру. 
Человечество еще на заре своего существования применяло принцип КМ в своих целях. Сооружая жилища, наши далекие предки в 
глину добавляли солому или тонкие стебли бамбука и получали армированный материал повышенной прочности. Они знали, что лук из 
нескольких слоев дерева прочнее лука, не имеющего в своей конструкции границ раздела. 
Таких примеров можно привести много, однако это были хоть и 
удачные, но случайные находки. 
Наука о КМ зародилась относительно недавно. Примером научного подхода к созданию КМ можно считать появление железобетона, 
гальванических покрытий и стеклопластиков. 
Как известно, бетон отлично сопротивляется сжатию и плохо выдерживает растягивающие нагрузки. Композиция из бетона и стальной арматуры, обладающая высокой прочностью на растяжение, 
объединяет в одном материале положительные свойства обоих ком

понентов. Железобетон можно отнести к числу первых образцов армированной керамики. 
С позиций современного материаловедения армированный композиционный материал принято определять как материал, состоящий 
из металлической или неметаллической матрицы (основы) с заданным распределением в ней упрочнителя – волокон, дисперсных частиц и др., обеспечивающих эффективное использование индивидуальных свойств составляющих композиции. 
Другое определение КМ выглядит так. Армированным композиционным считают такой материал, который: а) создан человеком (в отличие от природных КМ); б) состоит из двух или более компонентов, различающихся по химическому составу и разделенных границей; в) обладает свойствами, отличными от свойств компонентов; г) имеет состав, 
форму и расположение компонентов, запрограммированные и полученные в процессе создания материала. 

1.2. Классификация композиционных 
материалов по виду материала матрицы, 
ориентации и типу арматуры, назначению 

Армированные КМ можно классифицировать по следующим признакам. В зависимости от материала матрицы (материаловедческий принцип) все КМ можно разбить на три группы: композиции с 
металлической матрицей – металлические композиционные материалы (МКМ), с полимерной – полимерные композиционные материалы 
(ПКМ) и с керамической – керамические композиционные материалы (ККМ). 
Полимерные композиционные материалы обычно называют по материалу армирующих волокон. Так, ПКМ, армированные стеклянными волокнами, называются стеклопластиками (стекловолокнитами), 
металлическими – металлопластиками (металловолокнитами), органическими – органопластиками (органоволокнитами), борными – боропластиками (бороволокнитами), углеродными – углепластиками (углеволокнитами), асбестовыми – асбопластиками (асбоволокнитами) 
и т.п. 
В отношении МКМ и ККМ пока нет четко установленных правил 
присвоения названий. Чаще сначала указывают материал матрицы, 
затем – материал волокна. Например, обозначение Cu–W относится к 
КМ с Cu-матрицей и W-волокнами; Al2O3–Mo – к КМ на основе 
Al2O3 с арматурой из Мо-волокон. В дальнейшем будем пользоваться 

именно такими обозначениями, хотя в литературе иногда встречается 
и другое: сначала указывается материал волокна, а затем – матрицы. 
В зависимости от исходного структурного и фазового состояния матричного материала различают МКМ с порошковой, литой и листовой матрицей. Композиционные материалы, набираемые 
из чередующихся слоев волокон и тонких листов матричного материала, называют иногда КМ типа сэндвич. Для получения ККМ чаще 
всего используют матрицу в виде порошка. 
По ориентации арматуры КМ подразделяют на изотропные и 
анизотропные (конструкционный принцип). 
К изотропным (их свойства одинаковы во всех направлениях) относят дисперсно-упрочненные и хаотично армированные материалы. 
В первом случае упрочняющие элементы имеют примерно равноосную форму, во втором упрочнение осуществляется частицами удлиненной формы, хаотично ориентированными в пространстве. В качестве таких частиц используют отрезки волокон или нитевидные кристаллы; при этом КМ получаются квазиизотропными, т.е. анизотропными в микрообъектах, но изотропными в объеме всего изделия. 
К анизотропным (их свойства различны в разных направлениях) 
относят материалы, волокна которых ориентированы в определенных направлениях: однонаправленные, слоистые и трехмерноармированные. Анизотропия КМ является конструкционной – ее специально закладывают в КМ, предназначенные для изготовления конструкций, в которых она наиболее желательна. В отличие от такой 
анизотропии существуют технологическая анизотропия, возникающая при пластической деформации изотропных материалов, и физическая анизотропия, присущая кристаллам в связи с особенностями 
строения их кристаллической решетки. 
Однонаправленными называют материалы с ориентацией волокон 
1:0 (дробь показывает отношение числа слоев волокон в продольном 
и поперечном направлениях). Двумерно-армированные слоистые КМ 
с взаимно перпендикулярной укладкой волокон обозначают дробями 
1:1, 1:2, 1:3, 3:4 и т.п. Слоистые КМ со звездной укладкой, волокна 
которых в смежных слоях образуют между собой угол 60º, называют 
материалами с укладкой 1:1:1. Трехмерно-армированные КМ получают армированием матриц волокнами в трех взаимно перпендикулярных направлениях или объемными тканями. 
По типу арматуры (конструкционный принцип) КМ подразделяют на волокнистые (упрочненные непрерывными или короткими 
волокнами, нитевидными кристаллами, жгутами, ровницей), дис