Композиционные материалы. Физико-химические свойства

 

Московский государственный технический университет  
имени Н.Э. Баумана 

Н.Н. Двуличанская, Л.Е. Слынько, В.Б. Пясецкий 
 
 
 
 
 
КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ 

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА  
 
 
Допущено Учебно-методическим объединением вузов  
по университетскому политехническому образованию  
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных 
заведений, обучающихся по машиностроительным  
и приборостроительным специальностям 
 
 
 
 
 
 
 
 

М о с к в а  

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 
2 0 0 8  

 

УДК 620.22 (075.8) 
ББК 30.36  
Д85 
Рецензенты: А.А. Шевченко, Б.Г. Попов 

 
Двуличанская Н.Н., Слынько Л.Е., Пясецкий В.Б.  
  
 
      Композиционные материалы. Физико-химические свойст- 
ва: Учеб. пособие. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. 
— 48 с.: ил. 

ISBN 978-5-7038-3149-6 

Приведены сведения о строении, составе, способах изготовления и областях 
применения композиционных материалов. Рассмотрены классификационные 
принципы, химический состав различных композиционных материалов. 
Даны справочные данные о физико-химических свойствах металлических 
и полимерных композиционных материалов с различными наполнителями — 
дисперсными, волокнистыми и нитевидными кристаллическими. Приведены 
сравнительные характеристики широко применяемых в машино- и приборо-
строении материалов: алюминиевых сплавов и композитов на основе алюми-
ния. Данная работа позволяет студентам, получившим общее представление о 
различных конструкционных материалах при изучении базового курса химии, 
применять композиционные материалы для изготовления технических уст-
ройств различного назначения при курсовом и дипломном проектировании. 
Для студентов старших курсов приборостроительных и машинострои-
тельных специальностей высших и средних профессиональных образователь-
ных учреждений. 
УДК 620.22(075.8) 
ББК 30.36  
 
Учебное издание 

Двуличанская Наталья Николаевна 
Слынько Лариса Евгеньевна 
Пясецкий Вячеслав Борисович  
КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ 
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА 
 
Редактор С.А. Серебрякова 
Корректор М.А. Василевская 
Компьютерная верстка С.А. Серебряковой 

Подписано в печать 01.09.2008. Формат 60×84/16. Бумага офсетная. 
Усл. печ. л. 2,79. Уч.-изд. л. 2,45.  
Изд. № 50. Тираж 300 экз. Заказ  . 
 
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 
Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана 
105005, Москва, 2-я Бауманская ул., 5 

ISBN 978-5-7038-3149-6 
 
 
    © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008 

Д85 

ВВЕДЕНИЕ 

В настоящее время прогресс машино- и приборостроения связывают 
главным образом с разработкой и широким применением композицион-
ных материалов (композитов). Такие материалы обладают комплексом 
свойств и особенностей, отличающихся от свойств традиционных конст-
рукционных материалов (металлических сплавов и полимеров). Совокуп-
ность этих свойств и особенностей предоставляет широкие возможности 
как для совершенствования уже существующих конструкций самого раз-
нообразного назначения, так и для разработки новых конструкций и тех-
нологических процессов. К композиционным относят самые разнообраз-
ные искусственные материалы, разрабатываемые и применяемые в 
различных отраслях промышленности. В ряде случаев композиты оказы-
ваются в несколько раз более эффективными, чем металлы, с успехом 
заменяя такие материалы, как листовой прокат алюминия, стали, титана.  
Особенность конструкций из композиционных материалов состоит в 
том, что разработчики должны проектировать и сами материалы, обеспе-
чивая расчетные механические, тепловые и другие параметры и характе-
ристики, необходимые для эффективной реализации инженерных разра-
боток. Это связано с обоснованным выбором исходных материалов 
(армирующих волокон, связующих наполнителей), структуры компози-
ционных материалов, технологии их изготовления и переработки в гото-
вые изделия.  
Успешная реализация больших потенциальных возможностей компо-
зиционных материалов в значительной степени зависит от уровня ин-
формированности конструктора об этих возможностях, особенностях 
свойств, принципах конструирования и методах расчета. Обширная лите-
ратура по композитам ориентирована в основном на научных работни-
ков. Данное пособие позволяет студентам, получив общее представление 
о различных конструкционных материалах при изучении базового курса 
химии, использовать композиты в качестве материала для изготовления 
технических устройств различного назначения при курсовом и диплом-
ном проектировании на старших курсах. 

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ  
О КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ 

Композиционные материалы (композиты) представляют собой 
гетерогенные структуры, образованные физическим соединением 
двух или более совместимых материалов, различающихся по составу, 
свойствам и форме. Свойства получаемого соединения отличаются от 
индивидуальных свойств составляющих его материалов (рис. 1).  

 
Рис. 1. Формирование новых свойств  
при создании композита 
 
Отдельные компоненты в составе композита не должны рас-
творяться или иным способом поглощать друг друга. Компоненты 
таких материалов сохраняют присущие им свойства, что отличает 
композиты от классических конструкционных материалов, напри-
мер сплавов. Иначе говоря, понятие «композиционный материал» 
соответствует неоднородному в макромасштабе материалу, со-
стоящему из различных по своим свойствам частей (например, А и 
В), разграниченных поверхностями раздела (рис. 2). 
В истории развития композиционных материалов можно выде-
лить несколько важных этапов: 
– разработка и применение волокнистых стеклопластиков, об-
ладающих высокой удельной прочностью (1940 – 1950-е годы);  
– открытие свойства высокой прочности (близкой к теоретиче-
скому пределу) нитевидных кристаллов и доказательство возмож-

ности использования таких кристаллов для упрочнения металлических 
и неметаллических материалов (1950 – 1960-е годы);  
– разработка новых армирующих материалов — высокопрочных 
непрерывных волокон бора, углерода, карбида кремния SiC, 
карбида бора B4C, оксида алюминия Al2O3 и волокон других неорганических 
тугоплавких соединений, а также упрочнителей на основе 
металлов (1960 – 1970-е годы).  

 
Рис. 2. К определению понятия композиционного материала 
 
Для композиционных конструкционных материалов характерны 
следующие признаки:  
– состав и форма компонентов материала определены заранее; 
– компоненты присутствуют в количествах, обеспечивающих 
заданные свойства материала; 
– материал является неоднородным в макромасштабе (компоненты 
различаются по свойствам, между ними существует явная 
граница раздела). 
Один из компонентов, обладающий непрерывностью по всему 
объему материала, называют матрицей или связующим веществом 
(материал В на рис. 2). Другой компонент или компоненты, разделенные 
по объему композиции, называют усиливающими или армирующими 
наполнителями (материал А на рис. 2).  
Матричными материалами могут быть металлы и их сплавы, органические 
и неорганические полимеры, керамика и другие вещества.  
Усиливающими или армирующими компонентами чаще всего 
являются тонкодисперсные порошкообразные частицы, микросферы, 
кристаллы или волокнистые материалы различной природы: 
органические, неорганические вещества, металлические материалы, 

керамика. 
Положительный 
эффект 
применения 
наполнителей выражается в увеличении прочности и жесткости 
материалов, улучшении теплопроводности и теплостойкости, по-

вышении износостойкости и ударной вязкости, уменьшении коэффициента 
температурного расширения и пористости, улучшении 
качества поверхности, а в отдельных случаях — и в удешевлении 
материалов. 
В зависимости от вида армирующего компонента и по характеру 
структуры множество композиционных материалов подразделяют 
на три основные группы:  
– волокнистые, упрочненные непрерывными волокнами или 
нитевидными кристаллами; 
– дисперсно-упрочненные, полученные введением в металлическую 
матрицу дисперсных частиц упрочнителей; 
– слоистые, созданные прессованием или прокаткой разнородных 
материалов. 
К композиционным материалам относят также сплавы с направленной 
кристаллизацией эвтектических структур.  
Свойства композитов позволяют изготавливать из них самые 
разнообразные изделия — от миниатюрных зубчатых колес массой 
в несколько граммов до корпусов кораблей, самолетов, кабин 
большегрузных автомобилей и орудийных стволов. Области применения 
композитов многочисленны: авиационная, ракетная, космическая 
техника и приборостроение (корпуса и детали), энергетическое 

турбостроение 
(лопатки 
турбин), 
автомобильная 
промышленность (детали двигателей и кузовов), машиностроение 
(корпуса и детали машин), горная промышленность (буровые машины 
и инструмент), металлургическая промышленность (огнеупорные 
материалы), строительство (строительные материалы для 
несущих конструктивных элементов и облицовки), химическая 
промышленность (автоклавы, цистерны для хранения и перевозки 
различных жидкостей, аппараты для производства кислот), текстильная 
промышленность (детали прядильных машин), сельскохозяйственное 
машиностроение, бытовая техника и др. 

 

2. КЛАССИФИКАЦИЯ  
КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 

Общая система классификации композитов базируется на раз-
личных принципах, не ограничиваясь только вышеприведенными. 

Материаловедческий принцип. В зависимости от материала 
матрицы композиты делят на три группы: металлические, поли-
мерные, керамические. 
Названия полимерных композитов обычно соответствуют ма-
териалу армирующих волокон. Так, полимерные композиты,  
армированные стеклянными волокнами, называют стеклопласти-
ками, металлическими — металлопластиками, органическими — 
органопластиками, боровыми — боропластиками, углеродными — 
углепластиками и т. п. 
Для металлических и керамических композитов чаще всего в 
названиях указывается сначала материал матрицы, затем — мате-
риал наполнителя. Например, «медь — вольфрам» — композит с 
медной матрицей и вольфрамовыми волокнами. 
В зависимости от исходного структурного и фазового состоя-
ния материала матрицы различают металлические композицион-
ные материалы с порошковой, литой и листовой матрицей. Компо-
зиты, получаемые из чередующихся слоев волокон и тонких 
листов матричного материала, называют иногда композитами типа 
«сэндвич». Для получения керамического композита чаще всего 
используют матрицу в виде порошка. В качестве примера структу-
ры на рис. 3 показано строение волокнистых композитов. 

 
Рис. 3. Структура волокнистых композитов: 
а — многослойный; б — слой однонаправленного композита 
 
Конструкционный принцип. По ориентации и типу наполни-
теля композиты можно разделить на две группы: изотропные и 
анизотропные. 
Изотропными называют материалы, имеющие одинаковые 
свойства во всех направлениях. К числу изотропных относятся, 

а 
б 

например, дисперсно-упрочненные и хаотично армированные ма-
териалы. В первом случае упрочняющие элементы имеют пример-
но равноосную форму, во втором упрочнение осуществляется ко-
роткими (дискретными) частицами игольчатой формы, хаотично 
ориентированными в материале матрицы. В качестве таких частиц 
используют короткие волокна или нитевидные кристаллы — усы. 
При этом композиционные материалы получаются квазиизотроп-
ными, т. е. анизотропными в микрообъемах, но изотропными в 
объеме элемента конструкции. 
Анизотропными называют материалы, свойства которых зави-
сят от направления. Армирующие волокна в таких композитах 
ориентированы в определенных направлениях. В этой группе 
можно выделить композиты с однонаправленными непрерывными 
волокнами, материалы с дискретными волокнами и материалы с 
непрерывными волокнами с произвольной ориентацией. Обычно 
используют анизотропные композиты с определенной симметрией 
свойств.  
Множество широко применяемых композиционных материа-
лов можно рассматривать как ортотропные или трансверсально 
изотропные среды. Ортотропными (ортогонально-анизотропными) 
называют материалы, характеризующиеся наличием в каждом 
элементарном объеме трех взаимно перпендикулярных плоскостей 
симметрии свойств. К таким материалам можно отнести компози-
ты, армированные волокнами с продольно-поперечной укладкой,  
а также слоистые композиты, армированные в двух направлениях 
с заданным углом. Слоистые материалы со звездной укладкой  
в смежных слоях обладают изотропией свойств в плоскости листа, 
если угол между направлениями волокон в смежных листах мень-
ше 72°. Материалы, имеющие плоскость изотропии и перпендику-
лярную к ней ось симметрии, называются трансверсально-
изотропными. К таким материалам обычно относятся и однона-
правленные композиционные материалы. В этом случае плоскость 
изотропии перпендикулярна к направлению укладки волокон. 
Технологический принцип. По способу получения полимер-
ные композиционные материалы можно разделить на литейные, 
прессованные и намоточные. Полимерные с хаотичной структу-
рой композиционные материалы обычно получают литьем и прес-
сованием. Полимерные композиты с ориентированной структурой 

получают намоткой и прессованием. Металлические композиты 
по способу получения делят на литейные и деформируемые. Ли-
тейные металлические композиты получают, пропитывая арматуру 
расплавленным матричным сплавом либо применяя направленную 
кристаллизацию сплавов эвтектического состава. Для получения 
деформируемых металлических композитов применяют спекание, 
горячее прессование, диффузионную сварку, горячую штамповку 
и ковку, взрывное прессование, электролитическое, химическое и 
парогазовое осаждение, плазменное и газопламенное напыление. 
Для получения керамических композитов обычно используют 
твердофазные методы. 
Эксплуатационный принцип. Композиционные материалы 
по назначению можно разделить на ряд классов: 
– материалы общего конструкционного назначения, исполь-
зуемые в различного рода несущих элементах конструкций само-
летов, ракет, двигателей, сосудов высокого давления и т. п.; 
– жаропрочные материалы, применяемые для лопаток турбин, 
камер сгорания и других изделий, работающих при повышенных 
температурах;  
– термостойкие материалы, предназначенные для изделий, 
эксплуатируемых в условиях резких перепадов температуры;  
– теплозащитные композиты;  
– фрикционные и антифрикционные материалы, применяемые 
для изготовления деталей кинематических систем различного ро-
да, в том числе зубчатых колес и подшипников скольжения; 
– ударопрочные материалы, предназначенные для различного 
вида броневой защиты;  
– композиты со специальными свойствами (электрическими, 
магнитными, ядерными, оптическими и др.).  

3. СТРОЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 

Комбинируя объемное содержание компонентов, можно полу-
чать материалы с требуемыми значениями прочности, жаропроч-
ности, модуля упругости, абразивной стойкости, с необходимыми 
магнитными, диэлектрическими, радиопоглощающими и другими 
специальными свойствами.  

Дисперсно-упрочненный композит представляет собой материал, 
в матрице которого равномерно распределены мелкодисперсные час-
тицы второго вещества. В таких материалах при нагружении всю на-
грузку воспринимает матрица, в которой с помощью множества 
практически не растворяющихся в ней частиц второй фазы создается 
структура, эффективно сопротивляющаяся пластической деформа-
ции.  
В волокнистых композитах матрица (чаще всего пластичная) 
армирована высокопрочными тонкими волокнами, проволокой, 
нитевидными кристаллами. На прочность волокна наиболее силь-
но влияют дефекты, ориентированные в поперечном направлении. 
Продольные трещины менее опасны для волокна, чем поперечные. 
Малый диаметр волокна ограничивает возможную длину попереч-
ных трещин, поэтому концентрация напряжений для более тонких 
волокон меньше, чем для толстых. Следовательно, для тонких во-
локон поперечные трещины менее опасны, чем для толстых. Кро-
ме того, тонкие волокна легче изогнуть, чем поцарапать. Тонкие 
волокна «уходят» от нагрузки, способной их повредить, они изги-
баются под воздействием поперечных сил. По этим причинам, на-
пример, прочность волокон из стекла на один-два порядка превос-
ходит прочность того же стекла в виде блоков. 
Известно, что вязкий, лишенный хрупкости материал перед 
разрушением претерпевает значительную деформацию, причем 
пластические деформации в реальных кристаллических материа-
лах начинаются при напряжениях, которые во много раз меньше 
теоретически рассчитанных для идеальных материалов. Такая низ-
кая прочность по сравнению с теоретической объясняется тем, что 
в пластической деформации активно участвуют дислокации — ло-
кальные искажения кристаллической решетки. Теоретическую 
прочность кристаллического материала (предельное выдерживае-
мое механическое напряжение σт.п) можно оценить как 

 
т.п
0,16 ,
E
σ
=
  
(1) 

где Е — модуль упругости материала.  
В соответствии с теорией дислокаций пластическая деформа-
ция в идеальном кристалле происходит гораздо легче путем заро-
ждения небольшого участка сдвига в районе дислокации. На это 
требуется механическое напряжение порядка 0,06Е. Среднее зна-