Проектирование и изготовление авиационных конструкций из композиционных материалов

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
__________________________________________________________________________ 
 
 
 
 
 
Н.А. РЫНГАЧ, К.Н. БОБИН, Н.В. КУРЛАЕВ 
 
 
 
ПРОЕКТИРОВАНИЕ  
И ИЗГОТОВЛЕНИЕ  
АВИАЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ  
ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ  
МАТЕРИАЛОВ 
 
 
Утверждено Редакционно-издательским советом университета 
в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2019 

УДК 629.7.02(075.8) 
Р 952 
 
 
 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, профессор А.В. Гуськов 
заместитель начальника цеха ЗАО «Авиакомпозит» А.В. Эмиров 
 
 
 
 
Рынгач Н.А. 
Р 952  
Проектирование и изготовление авиационных конструкций 
из композиционных материалов: учебное пособие / Н.А. Рынгач, К.Н. Бобин, Н.В. Курлаев. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 
2019. – 84 с. 

ISBN 978-5-7782-4085-8 

В учебном пособии описаны применение композиционных материалов в производстве летательных аппаратов, свойства композиционных материалов и их исходных компонентов, а также технологии 
изготовления изделий из композиционных материалов, их механической обработки и сборки готовых конструкций. 
В пособии изложена технология производства стеклянных, углеродных, борных и органических волокон, описаны основные полимерные матрицы, а также технология формования. 
Предназначено для студентов, обучающихся по специальностям 
«Техническая эксплуатация летательных аппаратов и двигателей» и 
«Авиастроение». 
 
 
 
 
 
УДК 629.7.02(075.8) 
 
ISBN 978-5-7782-4085-8 
© Рынгач Н.А., Бобин К.Н.,  
 
Курлаев Н.В., 2019 
 
© Новосибирский государственный 
 
технический университет, 2019 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Введение .................................................................................................................. 5 
1. Основные сведения о композиционных материалах ................................. 6 
1.1. Свойства композиционных материалов .................................................... 6 
1.2. Использование КМ в конструкциях ЛА .................................................. 11 
1.3. Армирующие материалы .......................................................................... 15 
1.3.1. Стекловолокно ................................................................................. 16 
1.3.2. Углеродные волокна ........................................................................ 19 
1.3.3. Борные волокна ................................................................................ 21 
1.3.4. Органические волокна ..................................................................... 22 
1.3.5. Гибридные композиты .................................................................... 22 
1.3.6. Интеллектуальные композиционные материалы .......................... 23 
1.4. Слоистые композиционные материалы ................................................... 26 
1.4.1. АЛОР (ARALL) ................................................................................ 28 
1.4.2. СИАЛ (GLARE) ............................................................................... 29 
1.5. Панели с газонаполненными и сотовыми заполнителями ..................... 30 
1.6. Препреги ..................................................................................................... 32 
Контрольные вопросы ...................................................................................... 36 
2. Изготовление изделий из ПКМ .................................................................... 37 
2.1. Подготовка производства ......................................................................... 37 
2.2. Требования к технологичности изделий ................................................. 42 
2.3. Методы изготовления изделий ................................................................. 43 
2.3.1. Вакуумный метод отверждения деталей из полимерных 
композиционных материалов ........................................................ 43 
2.3.2. Вакуумно-автоклавное формование деталей из полимерных композиционных материалов ................................................. 45 
2.3.3. Прессование ..................................................................................... 47 
2.3.4. Пропитка под давлением ................................................................ 48 

2.3.5. Пултрузия ......................................................................................... 49 
2.3.6. Намотка ............................................................................................ 52 
2.3.7. Тетранамотка .................................................................................... 56 
Контрольные вопросы ...................................................................................... 61 
3. Обработка и сборка изделий из ПКМ ......................................................... 62 
3.1. Обработка резанием .................................................................................. 64 
3.1.1. Резка отрезными кругами ............................................................... 64 
3.1.2. Резка ножовочными полотнами ..................................................... 65 
3.1.3. Сверление ......................................................................................... 65 
3.1.4. Токарная обработка ......................................................................... 67 
3.1.5. Фрезерование ................................................................................... 67 
3.1.6. Резка с помощью водяной струи .................................................... 68 
3.2. Сборка изделий из ПКМ ........................................................................... 68 
3.2.1. Механическое соединение деталей ................................................ 70 
3.2.2. Усиление композиционных деталей .............................................. 75 
3.3. Полимерные компенсирующие заполнители .......................................... 76 
Контрольные вопросы ...................................................................................... 81 
Библиографический список ................................................................................. 82 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
ВВЕДЕНИЕ 
 
В настоящее время объем применения композиционных материалов в авиационной и космической технике, а также в других отраслях 
машиностроения неуклонно растет. Использование таких материалов в 
технике позволяет создавать легкие и прочные конструкции, обладающие высокой жесткостью. С помощью композиционных материалов 
можно также получать конструкции с заранее заданными свойствами, 
с более высоким ресурсом, чем у традиционных материалов. 
Использование подобных материалов в технике требует иных, по 
сравнению с металлическими сплавами, подходов и решений, которые, 
в свою очередь, определяются особенностями изготовления изделий из 
композиционных материалов. В частности, в предлагаемом пособии 
рассматриваются вопросы, связанные с подготовкой производства изделий из композиционных материалов, особенностями проектирования, порядком выкладки слоев и последующим получением изделий. 
 
 
 

1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ  
О КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ 

1.1. СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 

Композиционные материалы (КМ) – это материалы, состоящие из 
двух и более химически или физически разнородных компонентов и 
обладающие специфическими свойствами, отличными от суммарных 
свойств составляющих компонентов. Термин «композиция» идет от 
латинского слова «composio», что означает составление. Компоненты 
КМ должны быть хорошо совместимы. Свойства КМ нельзя определять только по свойствам компонентов без учета их взаимодействия. 
Цель создания КМ: объединение сходных или различных компонентов 
для получения материала с новыми заданными свойствами и характеристиками, отличными от свойств исходных компонентов. С появлением такого рода материалов возникла возможность селективного выбора свойств композитов, необходимых для нужд каждой конкретной 
области применения. 
Компоненты КМ подразделяются на две группы: 
 наполнитель (или армирующий материал) в виде дискретных частиц или волокон, образующих дискретную фазу; 
 связующие (матрица) – материал, который заполняет пространство между арматурой и образует сплошную среду. 
Армирующий материал воспринимает основные напряжения, возникающие в композите под действием внешних нагрузок и определяет 
основные механические характеристики. 
Матрица обеспечивает совместную работу дискретных элементов 
арматуры, объединяя их в монолит, за счет собственной жесткости и 
адгезии на границе матрица–арматура. Эта фаза в меньшей степени 
определяет механические свойства, но оказывает решающее влияние 
на технологические и эксплуатационные характеристики.  

Монолитность и наличие границы между матрицей и наполнителем 
является главным признаком, отличающим КМ от смесей и растворов, 
т. е. гетерогенностью на микроуровне и гомогенностью на макроуровне. 
Классифицируются КМ по природе матрицы и наполнителя: полимерные КМ – ПКМ, металлические КМ – МКМ, КМ с углеродной матрицей – УУКМ. ПКМ по природе армирующего материала классифицируются по типу арматуры с добавлением слова «пластик»: стеклопластик, углепластик, органопластик, боропластик и т. д. Кроме того, 
существуют гибридные КМ, в которых сочетается арматура из различных материалов (табл. 1). 
Т а б л и ц а  1 

Свойства армирующих волокон 

Волокна 

Плотность, кг/м3 

Прочность, МПа 

Модуль упругости, 
ГПа 

Относительное удлинение  
при разрыве, % 

Температура плавления, К 

Температура  
эксплуатации, 
К 

Длительный  
нагрев 

Кратковременный 
нагрев 

Стеклянные 
2480...2550
1740...4900 
49...123 
1,5...5,4 973...1983
623...1073 
923...1323 

Органические 
1140...1480
490...3530 
4,5...147 
2...18 
673* 
443...473 
1073 

Углеродные 
1300...1950
392...3420 
196...392 
0,5...2 
3873** 
673...973 
1073...1773 

Борные 
2340...2650
1960...3920 
348...430 
0,4...1 
2323 
523...623 
1593 

Стальные 
7850...8100
3420...4450 
196...207 
0,3...2 
1813 
723...1073 
973...1573 

* В неокислительной среде. 
** В вакууме. 
 
У ПКМ матрица состоит из различных типов полимерных смол с 
добавками. Полимерные матрицы разделяются на две группы: термопластичные и термореактивные. В силу более высоких механических 
свойств и теплостойкости в основном применяются термореактивные 
смолы (эпоксидные, фенолформальдегидные, полиэфирные, кремнийорганические), хотя ведутся работы по использованию термопла

стичных материалов в качестве матрицы, что дает повышение ударной 
прочности и трещиностойкости, а для повышения термостойкости в 
молекулярные цепи вводятся термостойкие элементы. 
Требования, предъявляемые к матрице, разделяются на эксплуатационные и технологические. Первые обусловлены требованием работоспособности композиции в эксплуатации – обеспечивать совместную работу армирующих волокон при различных видах нагрузок. 
Прочностные характеристики матриц являются определяющими при 
оценке предельных сдвиговых нагрузок, при нагружении конструкции 
в направлениях, отличных от ориентации волокон, циклическом 
нагружении.  
Природа матрицы зависит от уровня рабочих температур композита, 
химической стойкости к действию авиационных топлив и других агрессивных сред, водостойкости, частично электрических и теплофизических свойств. Кроме того, матрица должна обладать хорошей смачивающей способностью и адгезией к наполнителю, иметь минимальную 
усадку и низкий коэффициент линейного расширения (табл. 2 и 3). 

Т а б л и ц а  2  

Свойства матриц композиционных материалов 

Характеристики 

ТР-матрицы 
ТП-матрицы 

фенольноформальдегидные 

кремнийорганические 

эпоксидные 
нейлон 
6,5 

полисульфон 

роливсан 
HB1 

Предел 
прочности 
при растяжении σ, 
МПа 
40...70 
25...50 
35...100 
83 
72 
60 

Модуль упругости Е, 
ГПа 
7...11 
6,8...10 
2,4...4,2 
2,8 
2,7 
2,0 

Плотность ρ · 10–3, 
кг/м3 
1,2...1,3 
1,35...1,4 
1,2...1,3 
1,14 
1,26 
1,32 

Теплостойкость Т, 
°С 
140...180 
250...280 
130...150
65 
174 
320 

Относительное 
удлинение, % 
0,4...0,5 
0,3...0,5 
2...9 
10 
50...100
3...4 

Объемная усадка, % 
15...25 
15...20 
1...5 
– 
– 
– 

Технологические требования к матрице продиктованы одновременно спецификой процессов получения композита и изделия из него, 
невысокими температурой и давлением при формообразовании. 

Т а б л и ц а  3 

Свойства основных конструкционных материалов 

Материал 

Плотность ρ, 
кг/м3 

Прочность при растяжении σр, МПа 

Модуль упругости 
при растяжении Е, 
ГПа 

Удельная 
прочность 
при растяжении, 

р
4
10





, 

м2/с2 

Удельная 
жесткость,

3
10
E


, м 

Коэффициент  
линейного 
теплового 
расширения, 
(20…200 ºС) 
10–6 К–1 

Углепластик 
1500 
1200 
170 
80 
11 300 
3,5…4,5 

Боропластик 
2000 
1200 
270 
60 
13 550 

Продольный 
4,1…5,4 
Поперечный 
19…35 

Органопластик 
1300 
2000 
95 
154 
7300 
3,5…4,5 

Стеклопластик 
2000 
2000 
70 
100 
3500 
5,6…8,6 

Алюминиевые 
сплавы 
2700 
600 
70 
22 
2600 
24 

Титановые 
сплавы 
4500 
1100 
110 
24,5 
2430 
8,6 

Стали 
7800 
2100 
200 
26,8 
2580 
12 

 
По размерности армирующих элементов КМ можно разделить на  
нульмерные, одномерные, двухмерные и трехмерные. Отдельно можно 
выделить слоистые (текстолиты) и хаотично наполненные КМ (рис. 1).  
Дисперсно-армированный материал обычно несилового назначения, это дешевый материал, и по отношению к нему часто используется термин «наполненная пластмасса», где наполнитель призван снизить общую стоимость изделия. Термин КМ относится чаще всего к 
высокопрочным материалам, заменяющим традиционные металлы и 
сплавы, и армированным высокопрочными ориентированными волокнами, ровингом, лентами и тканями различного плетения. Одной из 
характеристик нитей является линейная плотность (текс), характери

зующаяся массой, обозначаемой в граммах на 1 км нити (или в миллиграммах на 1 м).  
 

 
0D 
1D 

2D 
3D 

хаотично 
наполненные
слоистые

 
Рис. 1. Виды армирования композиционных материалов 

Интерес к КМ в авиастроении вызван свойствами, которыми они 
обладают: 
 высокие удельная прочность и жесткость, которые объясняются 
свойствами исходных волокон; 
 возможность создавать из них элементы конструкции с заранее 
заданными свойствами; возможность направленно регулировать прочность, жесткость, располагая наполнитель в соответствии с тем, как 
распределены главные напряжения; подбирать уровень рабочих температур, регулируя макроструктуру матрицы и выбирая соответствующий материал наполнителя; 
 высокая усталостная прочность, низкая скорость распространения трещин; 
 возможность изготовлять детали сложной формы; 
 радиопрозрачность и поглощение – ПКМ практически не отражают сигналы радарных установок; 
 низкий коэффициент линейного расширения; 
 высокая устойчивость к воздействию тепла, определяющаяся 
прежде всего высокой теплостойкостью наполнителя: стеклопластик 
выдерживает приблизительно 840 °С, боропластик – 2300 °С. Некоторые ПКМ способны кратковременно эксплуатироваться (несколько 

секунд) при сверхвысоких температурах ~ 2000…4000 °С, например, в 
струе горячих газов двигателя благодаря свойству, называемому аббеляцией (аббеляция – способность образовывать обугленную поверхность с низкой теплопроводностью при частичном термораспаде полимерной матрицы в поверхностном слое). При этом образуется тонкий 
слой газообразных веществ, также способствующих теплоизоляции. 
Но ПКМ обладают и рядом недостатков, которые препятствуют их 
внедрению в авиастроение: 
 высокая стоимость; 
 сложность проектирования эффективных конструкций; 
 нестабильность характеристик готовых изделий; 
 сложность контроля изделия на наличие дефектов; 
 сложность утилизации. 
Т а б л и ц а  4 

Ориентировочные цены на основыне конструкционные  
материалы 

Материал 
Стоимость, долл/кг 

Стекловолокно 
2,5…5 

Углеволокно 
50…100 

Арамидные волокна 
20…50 

Волокна на основе бора 
800 

Сталь 
0,5 

Алюминий 
3 

Титан 
8 

 
Стоит отметить, что высокая цена (табл. 4) на армирующие материалы несколько компенсируется более высоким коэффициентом использования материала, чем при традиционной обработке металла  
(до 95 %). 

1.2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КМ В КОНСТРУКЦИЯХ ЛА 

Считается, что применение КМ в планере ЛА может сэкономить до 
25…35 % массы пустого самолета, кроме того, значительно повысить 
жесткость и долговечность конструкций. Впервые это было продемон

стрировано в 1955 году, когда в Японии был построен двухместный 
планер из стеклопластика, а в 1970 году на чемпионате мира 85 % принявших участие планеров были изготовлены из стеклопластика. Другим примером служат композитные лопасти современных вертолетов – 
их ресурс в среднем составляет около 1000 ч, при этом ресурс металлических лопастей первых серийных вертолетов составлял 25 ч. Кроме 
того, КМ часто применяются в конструкциях, в которых из-за больших 
размеров сложно получить одновременно жесткое и легкое изделие, 
например, такие как грузовые люки широкофюзеляжных самолетов.  
Использование КМ в авиационно-космических конструкциях можно разделить на следующие группы: 
 агрегаты, целиком изготовленные из КМ (киль, горизонтальное 
оперение, рули, створки шасси, кессоны крыла, каналы воздухозаборников, планер, оболочки космического транспортного корабля, лопасти винтов и т. д.); 
 сэндвичевые конструкции – многослойные панели с различными 
заполнителями (вспененными пластмассами, сотовыми заполнителями); 
 интегральные конструкции, в которых детали из ПМ выполняют 
функции усиливающих элементов агрегатов или отдельных деталей. 
Основная конструкция выполнена из металлических сплавов, а детали 
из ПКМ подкрепляют ее, устанавливаются на болты, заклепки или 
приклеиваются; 
 модульные конструкции, в которых узлы из ПКМ представляют 
собой встроенные конструкции, выполняющие роль самостоятельных 
силовых элементов. 
В целом сначала применение КМ в конструкциях ЛА ограничивалось обтекателями РЛС и антенн, в дальнейшем стали проектировать 
неответственные детали типа створок шасси, щитков, зализов и обтекателей. С середины 1970-х годов стали изготовлять из КМ более ответственные части самолетов, такие как стабилизаторы, кили, закрылки, силовые панели крыла и детали внутреннего интерьера самолета.  
В настоящее время традиционно больше всего КМ применяются в ракетостроении, далее по убывающей – в военных вертолетах, военных 
самолетах, гражданских вертолетах и самолетах. Широкое применение 
КМ в вертолетостроении обусловлено значительно бо´льшими, чем в 
авиастроении, требованиями к весовой эффективности конструкции и 
меньшим количеством особо важных агрегатов, разрушение которых 
приводит к потере ЛА.