Влияние компонентов на свойства полимерных композиционных материалов

Влияние компонентов  
на свойства полимерных 
композиционных  
материалов

В.В. Кудинов, Н.В. Корнеева, И.К. Крылов

М О Н О Г Р А Ф И Я - С П Р А В О Ч Н И К

М О С К В А  Н А У К А  2 0 2 1

УДК. 677.014: 677. 494: 66.088  
ББК 24.58: 24.7
 
К88

Кудинов В.В., Корнеева Н.В., Крылов И.К.
Влияние компонентов на свойства полимерных композиционных 
материалов. Монография-справочник / В.В. Кудинов, Н.В. Корнеева, 
И.К. Крылов. – М. : Наука, 2021. – 134 с. – ISBN 978-5-02-040865-4

Рассмотрены способы создания и характеристики композиционных материалов, 
армированных углеродными, арамидными и СВМПЭ-волокнами, на основе полимерных 
матриц. Приведены свойства более чем 50 композитных материалов. Предлагаются 
технологии их получения из намотанных нетканых и тканых волокнистых наполнителей, 
с регулированием активации, состава и расположения компонентов в материале. Разработаны 
экспериментальные методы исследования полимерных композитов: wet-pull-out 
(W-P-O), full-pull-out (F-P-O), impact break (IB), позволяющие изучать межфазное взаимодействие 
компонентов при создании КМ, регулировать активацию волокон неравновесной 
низкотемпературной плазмой и фторированием, анализировать механизмы деформации 
и разрушения КМ, в статике и при ударе на единых универсальных образцах.
Монография-справочник предназначена для научных и инженерно-технических 
сотрудников, преподавателей, студентов, аспирантов и изобретателей, занимающихся 
разработкой, производством и применением полимерных компози ционных материалов.

Effect of components on the properties of composite materials. The mono-

graph is a reference book / Kudinov V.V., Korneeva N.V., Krylov I.K. – M.: 
Nauka, 2021. – 134 p.

Methods for the creation and characteristics of composite materials reinforced with carbon, 
aramid and UHMWPE-fibers based on polymer matrices are considered. The properties of more 
than 50 composite materials are given. Technologies for their production from wound nonwoven 
and woven fiber reinforcements are proposed, with regulation of activation, composition and 
arrangement of components in the material. Experimental methods for studying polymer com-
posites, such as wet-pull-out (W-P-O), full-pull-out (F-P-O) and impact break (IB) have been 
deve loped. It allows one to study the interfacial interaction of components during the creation 
of CM, regulate the activation of fibers by non-equilibrium low-temperature plasma and fluo-
rination, and analyze mechanisms of deformation and destruction of CM, in statics and upon 
impact with the help of uniform universal samples. 
Monograph – reference book is intended for scientific and engineering staff, teachers, stu-
dents, graduate students, and inventors involved in the development, production and use of poly-
mer composite materials.

Рецензенты:

чл.-корр. РАН, д.т.н., проф. Бурханов Г.С.; чл.-корр. РАН, д.т.н. Колмаков А.Г.

ISBN 978-5-02-040865-4
©  Кудинов В.В., Корнеева Н.В., 
Крылов И.К., 2021
©  ФГУП Издательство «Наука», 
редакционно-издательское 
оформление, 2021

DOI: 10.7868/9785020408654

ОБОЗНАЧЕНИЯ, СОКРАЩЕНИЯ 
И ТЕРМИНЫ

КМ
композиционный материал

ПКМ
полимерный композиционный материал

АП
армированный пластик

ПЭП
полиэтиленпластик

ПЭ
полиэтилен

СВМПЭ
сверхвысокомолекулярный полиэтилен

СП
стеклопластик

СВАМ
высокопрочный стеклопластик

УВ
углеродное волокно

УП
углепластик

ПК
полимерная композиция

ПМ
пластичная матрица

ЖМ
жесткая матрица

ПУ
полиуретан

ЭПУР
эпоксиполиуретан

ПЭПА
полиэтиленполиамин

ТЭАТ
триэтаноламинотитанат

МФДМ
метафенилендиамин

ДАДФМ
4,4’-диаминодифенилметан

ДЭГ-1
диглицидиловый эфир диэтиленгликоля

ОЭЦК
олигоэфирциклокарбонат

НМ
наноматериал

УДП
ультрадисперсный порошок

УНВ
углеродное нановолокно

ММ
молекулярная масса

ЭДА
этилендиамин

ЭДОС
пластификатор

Pull-out
метод определения прочности сцепления между 
«толстыми» волокнами (диаметром 100–200 мкм) 
и полимерной матрицей

Tф
температура формирования соединения между 
волокном и матрицей

tотв
длительность формирования соединения между 
волокном и матрицей

Wet-pull-out 
(W-P-O)
метод оценки смачивания и пропитки многофи-
ламентных волокон жидкой полимерной матрицей 
и измерения прочности соединения между 
ними в твердом КМ

P
разрывная нагрузка, т. е. сила, необходимая для 
выдергивания волокна из отвержденной матрицы

l
длина полимерной матрицы (глубина заделки 
волокна в матрице)

P/l
сила выдергивания волокна, нормированная 
на глубину заделки

h
высота капиллярного поднятия жидкой матрицы 
по волокну

H
высота капиллярного поднятия жидкости (воды) 
по волокну

θ
краевой угол смачивания

γM
поверхностная энергия жидкой матрицы

γF
поверхностная энергия волокна

γFM
энергия межфазной поверхности

η
вязкость полимерной матрицы

g
ускорение свободного падения

τсдвиг
сдвиговая прочность

ρ
плотность материала

t
длительность пропитки

D
диаметр керна с гладкой поверхностью

Vf
объемное содержание волокон в КМ

Vm
объемное содержание матрицы в КМ

L
база испытания

δmin
минимальная толщина матричной прослойки 
между филаментами

ε
относительное удлинение при растяжении

Full-pull-out 
(F-P-O)
метод исследования взаимовлияния армирующих 
волокон и их свойств на прочность, деформацию 
и разрушение КМ

W
энергия, выделившаяся при разрушении КМ (ра-
бота разрушения образца КМ)

α
удельная работа разрушения

S
площадь поперечного сечения образца

σраст
предел прочности при растяжении

σсжат
предел прочности при сжатии

σизг
предел прочности при изгибе

Е
модуль упругости при растяжении

E/ρ
удельный модуль

σ/ρ
удельная прочность

ННТ-плазма
неравновесная низкотемпературная плазма

ВЧ-плазма
высокочастотная плазма

ВЧЕ-разряд
высокочастотный емкостной разряд

Ua
напряжение на аноде

Ja
сила тока на аноде

f
частота генератора

Pвак
давление в вакуумной камере

τобр
длительность обработки

G
расход плазмообразующего газа

Рпотр
мощность, потребляемая плазменной установкой

ДСК
дифференциально-сканирующая калориметрия

ТГА-анализ
термогравиметрический анализ

МВФ
межфазное взаимодействие

Tg
температура стеклования полимера

Tv
температура размягчения (температура тягучести)

УЗ
ультразвуковая обработка

LTA
«Ligter-Than-Air» материалы «легче, чем воздух» 
(ЛЧВ)

UD
однонаправленный материал

GIC
вязкость разрушения (межслоевая энергия 
разрушения)

Kσ
коэффициент реализации прочности волокна

IB
«Impact Break» – метод «разрыв ударом» (РУ) 
определения удельной работы разрушения ани-
зотропных полимерных композиционных мате-
риалов при испытаниях на маятниковом копре 
универсальных РУ-образцов при различных ско-
ростях нагружения

РУ-образец
образец КМ для испытаний методом РУ (IB)

∆
прогиб образца

P′
растягивающая и разрывающая сила

v
скорость удара

БПЛА
беспилотный летательный аппарат

ПРЕДИСЛОВИЕ

Полимерные композиционные материалы (ПКМ) – мате-

риалы анизотропные. Их особенность и отличие от изотроп-
ных материалов в том, что в них присутствует межфазная грани-
ца. Она является компонентом материала. Ее отличие от других 
компонентов в том, что она образуется при формировании ПКМ 
(далее КМ) и является результатом физико-химического взаимо-
действия между матрицей и волокном. КМ, собранный из изо-
тропных материалов, становится анизотропным со свойствами, 
отличающимися от свойств исходных компонентов.
Искусство создания КМ – это правильный выбор компонен-
тов со свойствами, дополняющими друг друга, что создает эф-
фект получения нового материала. В монографии-справочнике 
приведены примеры создания таких КМ и их свойства. Эти свой-
ства включают: межфазное взаимодействие компонентов, адге-
зию, прочность при продольном растяжении и изгибе, модуль 
упругости, сдвиговую прочность, механизмы деформации и раз-
рушения при сдвиге и изгибе, работу разрушения, деформацию 
и прочность при статическом нагружении и низкоскоростном 
ударе, коэффициент использования прочности волокон и ряд 
других свойств, в том числе и нелинейную связь между ними.
Установлена разница между механизмами деформации и раз-
рушения КМ при статическом нагружении и ударе (графики на 
обложке монографии).
Авторы искренне благодарят людей, без помощи которых эта 
книга вряд ли могла бы появиться на свет: д. т. н., проф. И.Ш. Аб-
дуллина, академика РАН В.М. Бузника, с. н. с. В.И. Мамонова, 
д.ф.-м.н. А.П. Харитонова, к. т. н. М.В. Герова, к.т.н. В.И. Соло-
дилова, д. т. н., проф. Е.А. Сергееву, д. т. н., проф. М.Ф. Шаехова, 
д. ф.- м. н., проф. С.Л. Баженова, к. х. н. Т.Е. Шацкую.
Авторы также благодарят читателей за внимание к моногра-
фии и желают им доброго пути в будущее, поскольку нет на свете 
радостнее чувства открытия нового и познания природы, и самая 
лучшая идеология – это творчество.

ВВЕДЕНИЕ

Развитие техники приводит к созданию и получению компо-

зиционных материалов, отвечающих требованиям современной 
индустрии. Для разных отраслей промышленности – авиастрое-
ния и космонавтики, энергетического и транспортного маши-
ностроения, сельского хозяйства, автомобильной и судострои-
тельной техники, а также для спорта и туризма, характерно 
стремление к облегчению веса конструкций с целью снижения 
потребления топлива и соответственно экологической нагрузки 
на окружающую среду. За счет своей легкости полимерные ком-
позиционные материалы уже потеснили в применении многие 
традиционные материалы, такие как металлы, дерево и др. К на-
стоящему моменту происходит стремительный рост их произ-
водства. Мы идем вперед потрясающе быстро, семимильными 
шагами. Однако все, что до сих пор достигнуто, – возможно, пустяк 
по сравнению с тем, что хранит в себе будущее. Это ясно дока-
зывает внедрение в жизнь нанотехнологий, меняющих фундамен-
тально как образ самой жизни, так и действия. Необходимо осоз-
нание достигнутого и глубокое понимание того, что мы делаем, 
чтобы ответить на вопрос, как сегодня собирать композицион-
ный материал.
Лавина сообщений о разработке новых КМ с уникальными 
свойствами благодаря всемирной паутине Internet с каждым го-
дом нарастает. Современная промышленность производит массу 
разнообразных волокон, матриц, пластификаторов и др. материа-
лов, позволяющих конструировать композиты. И чтобы не «уто-
нуть в океане» компонентов, применяемых при получении КМ, 
важно осуществлять их обдуманный выбор.
Будущее развитие армированных непрерывными волокнами 
полимерных КМ состоит в разработке и применении нанокри-
сталлических многофиламентных (multi-filament) высокопрочных 
высокомодульных волокон.

Создание и организация производства волокон с нанокри-
сталлической структурой являются основой развития индустрии 
композиционных материалов. Они позволяют получать КМ с вы-
сокими удельными свойствами и конструкции высокой прочно-
сти при минимальном весе. Свойства таких КМ значительно пре-
восходят показатели свойств, входящих в них компонентов. Эти 
материалы необходимы как для авиации и ракетостроения, так 
и для повседневной жизни.
Для «следующей промышленной революции» и успешного при-
менения КМ на основе волокон с нанокристаллической структурой 
необходимо контролировать физико-химическое взаимодействие 
между волокном и матрицей на межфазной границе. Граница раз-
дела «волокно-матрица» является самостоятельным компонентом 
материала, таким же самостоятельным, как волокно и матрица, но 
формируется при их взаимодействии. Именно от ее структурной ор-
ганизации зависит передача нагрузки на волокно.
Так что же представляет собой межфазная граница в КМ, ар-
мированном многофиламентными волокнами? Современные ар-
мирующие волокна с нанокристаллической структурой содержат 
от ∼900 до 2000 и более филаментов (мононитей). Они отличают-
ся огромной межфазной поверхностью, на которой необходимо 
организовать взаимодействие волокна с матрицей. При создании 
КМ следует получить хорошую пропитку межфиламентного про-
странства матрицей и распределить в ней филаменты согласно 
прилагаемым нагрузкам, чтобы максимально реализовать свой-
ства и матрицы, и волокна.
Монография поможет понять, как можно управлять взаимо-
действием на межфазной границе при получении новых КМ. Раз-
работка и применение таких КМ является важным направлением 
современного материаловедения. Для их создания в монографии 
разрабатываются теория, методы и технология совмещения ком-
понентов в одном материале. Последовательно рассматриваются 
весь путь и принципы получения КМ.
Создание КМ связано с решением следующих задач: с изы-
сканием как минимум двух главных компонентов композита, во-
локна и матрицы, изучением их взаимодействия на различных 
стадиях формирования материала и изделия, что часто происхо-
дит одновременно, а также с поиском оптимальных технологиче-
ских решений.
Работа состоит из пяти глав. Первая глава посвящена выбору 
волокна и матрицы, взаимодействию между ними, формированию 
из них КМ и исследованию его свойств с помощью специально раз-
работанных методов: wet-pull-out (W-P-O) и full-pull-out (F-P-O).

Метод W-P-O позволяет контролировать смачивание и про-
питку многофиламентного волокна полимерной матрицей и из-
мерять прочность соединения между ними в твердом КМ. Метод 
F-P-O дает возможность изучать взаимовлияние армирующих во-
локон и их свойств на прочность, деформацию и разрушение КМ.
Исследованы свойства КМ на основе волокон различных видов 
следующих производителей: углеродных Tenax® (Япония), 
арамидных Армос® (Россия), сверхвысокомолекулярных полиэтиленовых 
волокон: Dyneema®SK-75, SK-60 (Голландия), ПЭ-1 
(Россия), D800 (Китай).
Во второй главе рассмотрены и проанализированы методы 
активации волокон неравновесной низкотемпературной плазмой 
и фторированием. Установлено влияние этих методов на формирование 
межфазной поверхности между волокном и матрицей. 
Активация повышает поверхностную энергию волокон, что позволяет 
управлять взаимодействием между волокном и матрицей 
при получении КМ и регулировать их свойства. Активация проявляется 
в том, что на поверхности волокна образуются активные 
центры, в которых возникает прочное соединение волокна с матрицей (
см. фото на обложке книги).
Третья глава посвящена современным полимерным матрицам. 
Разработаны два метода регулирования свойств матриц для создания 
КМ, упрочненных активированными плазмой или фторированием 
волокнистыми наполнителями. Первый метод относится 
к «зеленой химии» и состоит в получении эпоксиполиуретана по 
реакции уретанообразования без изоцианатов при отверждении 
эпоксидной диановой смолы и олигоэфирциклокарбоната ароматическими 
аминами. Это позволило отказаться от применения 
высокотоксичных реагентов – фосгена и изоцианатов. Эпоксипо-
лиуретановая полимерная композиция понижает вязкость и повышает 
жизнеспособность связующего.
Второй метод состоит во введении в матрицу неметаллических 
и металлических ультрадисперсных порошков и углеродных 
нановолокон, что увеличивает прочность соединения волокна 
с матрицей в КМ в несколько раз.
В четвертой главе приведены технологии получения КМ из 
тканых, нетканых и намотанных волокнистых наполнителей, которые 
включают состав и расположение компонентов в материале 
и их активацию. Экспериментально изучены свойства полученных 
КМ.
«Сердцем» монографии является пятая глава. В ней большое 
внимание уделено ударному воздействию на полимерные композиционные 
материалы и гибридные КМ. Для анализа свойств