Физико - химические основы технологии композиционных материалов : директивная технология композиционных материалов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

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

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2008 

Кафедра порошковой металлургии и функциональных покрытий

В.И. Костиков 
 
 

Физико-химические основы 
технологии композиционных 
материалов 

Директивная технология 
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 : директивная технология композиционных материалов : учеб. пособие / В.И. Костиков. – М. : Изд. Дом МИСиС, 
2011. – 163 с. 
ISBN 978-5-87623-390-5 

Рассмотрена директивная тхнология получения композиционных материалов на основе металлических, полимерных и углеродных матриц. Описаны особенности технологии эвтектических композиционных материалов. В 
связи с особым значением для современной техники углепластиков и углерод-углеродных композиционных материалов подробно изложены физикохимические основы технологии, свойства и основные области применения 
этих материалов в важнейших отраслях современной техники. 
Предназначено для студентов, обучающихся по специальностям 150108 
«Порошковая металлургия, композиционные материалы, покрытия» и 150701 
«Физико-химия процессов и материалов», а также для магистров и аспирантов, обучающихся по направлению «Металлургия». 

УДК 620.22-419.8 

ISBN 978-5-87623-390-5 
© В.И. Костиков, 2011 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие..............................................................................................6 
Введение....................................................................................................8 
1. Технология и свойства металломатричных 
композиционных материалов................................................................11 
1.1. Требования к процессам получения 
композиционных материалов............................................................11 
1.2. Композиционные материалы на основе алюминия..................14 
1.2.1. Алюминий–сталь ..................................................................16 
1.2.2. Al–B и алюминий–борсик....................................................20 
1.2.3. Al–SiC ....................................................................................27 
1.2.4. Al–C........................................................................................27 
1.2.5. Al–SiO2...................................................................................30 
1.2.6. Al–W ......................................................................................30 
1.2.7. Al–Be......................................................................................31 
1.2.8. Алюминий–НК Аl2О3 и алюминий–НК SiC.......................31 
1.2.9. Применение...........................................................................32 
1.3. Композиционные материалы на основе магния .......................32 
1.3.1. Mg–В......................................................................................33 
1.3.2. Mg–SiC...................................................................................35 
1.3.3. Mg–Ti.....................................................................................35 
1.4. Композиционные материалы на основе титана........................36 
1.4.1. Ti–B........................................................................................37 
1.4.2. Ti–SiC.....................................................................................39 
1.4.3. Титан–борсик ........................................................................41 
1.4.4. Ti–A12О3 ................................................................................43 
1.4.5. Применение...........................................................................44 
1.5. Композиционные материалы на основе меди...........................44 
1.5.1. Сu–W......................................................................................44 
1.5.2. Cu–C.......................................................................................47 
1.5.3. Применение...........................................................................48 
1.6. Композиционные материалы на основе никеля........................48 
1.6.1. Ni–W ......................................................................................48 
1.6.2. Ni–Al2O3.................................................................................57 
1.6.3. Ni–Si3N4 .................................................................................61 
1.6.4. Ni–SiC ....................................................................................62 
1.6.5. Ni–C........................................................................................63 
1.6.6. Применение...........................................................................66 

2. Эвтектические композиционные материалы ...................................67 
2.1. Общая характеристика................................................................67 
2.2. Ориентационные и структурные характеристики....................69 
2.3. Методы и условия получения эвтектических 
композиционных материалов............................................................71 
2.3.1. Методы направленной кристаллизации .............................71 
2.3.2. Условия образования направленной эвтектической 
структуры ........................................................................................74 
2.3.3. Условия образования волокнистой и пластинчатой 
структуры ........................................................................................75 
2.4. Эвтектические композиционные материалы на основе 
алюминия.............................................................................................76 
2.5. Эвтектические композиционные материалы 
на основе тантала и ниобия ...............................................................80 
3. Технология и свойства композиционных материалов 
на полимерной матрице .........................................................................82 
3.1. Полимеры .....................................................................................82 
3.2. Наполнители полимерных композиционных материалов.......88 
3.2.1. Порошкообразные наполнители .........................................89 
3.2.2. Волокнистые наполнители ..................................................94 
3.3. Получение полимерных композиционных материалов 
и изделий из них .................................................................................97 
3.4. Углепластики .............................................................................101 
3.4.1. Выбор полимерной матрицы.............................................101 
3.4.2. Выбор углеродных волокон и наполнителей...................101 
3.4.3. Методы формования углепластиков.................................103 
3.4.4. Свойства углепластиков.....................................................104 
4. Углерод-углеродные композиционные материалы.......................107 
4.1. Кристаллические формы углерода...........................................108 
4.2. Объемные структуры на основе углеродных волокон...........111 
4.3. Матрицы УУКМ ........................................................................114 
4.3.1. Пиролитический углерод...................................................115 
4.3.2. Стеклоуглерод.....................................................................119 
4.3.3. Углерод на основе пеков....................................................124 
4.4. Технология получения УУКМ .................................................127 
4.4.1. Газофазный способ.............................................................127 
4.4.2. Жидкофазный способ.........................................................131 
4.4.3. Комбинированный способ.................................................136 
4.5. Свойства углерод-углеродных композиционных 
материалов ........................................................................................137 

4.6. Применение................................................................................140 
5. Применение композиционных материалов....................................146 
5.1. Автомобилестроение.................................................................146 
5.2. Гражданская авиация ................................................................148 
5.3. Военное самолетостроение.......................................................150 
5.4. Космические летательные аппараты........................................155 
5.5. Судостроение .............................................................................156 
5.6. Изготовление спортивных изделий .........................................157 
5.7. Другие области применения композиционных 
материалов.........................................................................................159 
Заключение............................................................................................161 
Библиографический список.................................................................162 
 

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. ТЕХНОЛОГИЯ И СВОЙСТВА 
МЕТАЛЛОМАТРИЧНЫХ 
КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 

1.1. Требования к процессам получения 
композиционных материалов 

Технология производства КМ неразрывно связана с конструкцией 
изделий, особенно когда они имеют сложную форму и требуют детальной проработки мест соединений под сварку, пайку, склеивание 
или клепку. На базе металлургических производств организован выпуск полуфабрикатов в виде листов, труб, профилей и т.д. В обоих 
случаях элементной основой производства полуфабрикатов и изделий из КМ служат так называемые препреги, представляющие собой 
однослойные ленты разных размеров с одним рядом армирующих 
волокон или тканей, пропитанных или покрытых матричными сплавами с одной или с обеих сторон. Кроме того, используются пропитанные металлом жгуты волокон или индивидуальные волокна с покрытиями из матричных сплавов или их составляющих. Изготовление ленточных препрегов и металлизированных волокон и жгутов 
целесообразно организовывать вместе с производством либо самих 
волокон, либо полуфабрикатов КМ. 
Из приведенной структуры производства видно, что технология 
изготовления конструкций и изделий из КМ, как правило, является 
многопереходной и предусматривает последовательное сочетание 
нескольких процессов, которые обычно значительно отличаются 
друг от друга по физико-химической сущности. Например, препреги 
и часть полуфабрикатов могут изготовляться с помощью плазменного напыления, порошковой технологии, пропитки, протяжки через 
расплав, а изделия и ряд других полуфабрикатов – посредством прокатки, горячего прессования или волочения пакетов из препрегов. 
Иногда препреги, полуфабрикаты и изделия из КМ изготовляют с 
помощью одних и тех же процессов, например пропиткой или горячим прессованием, однако при различных режимах и технологической оснастке. 
Несмотря на многоступенчатый характер технологии производства изделий из КМ, можно сформулировать ряд общих требований к 
процессам их изготовления: 

1) равномерное распределение волокон в матрице, с заданными 
шагом, геометрией ячейки и характером армирования, при использовании многофиламентных жгутов и тканей из них; такое же требование предъявляется и к распределению самих жгутов в матрице; 
2) обеспечение прочной адгезионной связи между волокнами и 
матрицей, а также между матричными слоями; 
3) полное уплотнение КМ, если к изделию не предъявляются специальные требования по закрытой или сквозной пористости для охлаждения, абляции или изменения теплофизических свойств; 
4) сохранение целостности волокон и их исходной прочности благодаря ограничению химического взаимодействия с матрицей по 
температуре и времени или использованию волокон с барьерными 
покрытиями, силового воздействия по эффективной величине действующего напряжения и по времени, термического удара, удельного 
теплового потока; 
5) возможность последующей сварки, пайки, склеивания или клепки. Особенно это важно при производстве полуфабрикатов и узлов из 
КМ, из которых затем собираются конструкции или изделия. Чаще 
всего это требование выполняется при изготовлении полуфабрикатов 
со специальными концевыми переходными элементами. 
Выполнение требований 2 и 3 на стадии производства препрегов 
необязательно, так как прочная адгезионная связь и полное уплотнение могут быть обеспечены на окончательной стадии компактирования полуфабрикатов или изделий. 
Способы получения препрегов, полуфабрикатов и изделий из КМ 
с матрицами из металлических сплавов, армированных волокнами, 
можно разделить на четыре основные группы: парогазофазные, жидкофазные, твердожидкофазные и твердофазные. 
Парогазофазные способы используют в основном для нанесения на волокна, жгуты, ленты и ткани барьерных или технологических покрытий, которые должны быть равномерно распределены по 
поверхности каждого волокна. Барьерные покрытия предназначены 
для защиты волокна от деградации в результате его физикохимического взаимодействия с матричными сплавами и поэтому 
представляют собой термодинамически стойкие химические соединения, играющие роль диффузионных барьеров. Их фазовый состав 
(бориды, нитриды, карбиды, оксиды и т.д.) выбирают в зависимости 
от характера физико-химической и термомеханической совместимости армирующих волокон и матричных сплавов. Способы нанесения 
барьерных покрытий основаны чаще всего на процессах восстанови

тельного синтеза (водородом) химических соединений в газовой смеси сложных исходных продуктов либо прямого синтеза в парогазовой смеси элементарных составляющих соединения. 
В обоих случаях химическое соединение осаждается на поверхность непрерывно движущихся волокон, образуя плотное покрытие, 
толщина которого может изменяться от десятков нанометров до нескольких микрометров. 
Технологические покрытия предназначены для улучшения смачивания волокон матричными металлическими расплавами и повышения работы адгезии, а также для формирования на волокнах металлических слоев, необходимых либо для пластифицирования волокон 
(повышения и стабилизации их хрупкой прочности), либо для последующего формирования КМ, например методами горячего прессования в условиях контактного плавления слоев матрицы. При этом 
преследуется цель облегчения равномерной пропитки каркаса волокон матричными сплавами, что особенно важно при армировании КМ 
многофиламентными жгутами и тканями. Покрытия для улучшения 
смачивания могут представлять собой как химические соединения, так 
и металлы. В случае химических соединений технологические покрытия получают теми же способами, что и барьерные. К числу парогазофазных способов нанесения металлических покрытий относят либо 
термическое разложение летучих карбонильных соединений металлов, 
либо прямое физическое испарение металлов и их сплавов (термическое, катодное, электронным лучом, ионными пучками и др.). 
Парогазофазные методы не удается использовать для полного компактирования КМ не только из-за их низкой производительности, но и 
ввиду невозможности достижения требуемой высокой плотности матрицы и равномерного распределения в ней волокон. Поэтому их применяют при производстве самих волокон или препрегов из них. 
Жидкофазные способы используют на всех стадиях производства КМ от препрегов до изделий. К ним относятся: протяжка волокон, жгутов и тканей через расплавы металлов и матричных сплавов 
для пластифицирования волокон и получения соответствующих препрегов; пропитка пакетов препрегов металлическими расплавами на 
стадиях изготовления полуфабрикатов и изделий в автоклавах под 
небольшим избыточным давлением, а также с помощью различных 
стандартных методов литейной технологии (центробежный, под давлением, намораживанием, непрерывный и т.д.) и пайки; плазменное 
и некоторые другие виды газотермического распыления металлов 
для получения ленточных препрегов и корковых деталей, подвергае