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 приборостроении материалов: алюминиевых сплавов и композитов на основе алюминия. Данная работа позволяет студентам, получившим общее представление о 
различных конструкционных материалах при изучении базового курса химии, 
применять композиционные материалы для изготовления технических устройств различного назначения при курсовом и дипломном проектировании. 
Для студентов старших курсов приборостроительных и машиностроительных специальностей высших и средних профессиональных образовательных 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 композиционных материалов (композитов). Такие материалы обладают комплексом 
свойств и особенностей, отличающихся от свойств традиционных конструкционных материалов (металлических сплавов и полимеров). Совокупность этих свойств и особенностей предоставляет широкие возможности 
как для совершенствования уже существующих конструкций самого разнообразного назначения, так и для разработки новых конструкций и технологических процессов. К композиционным относят самые разнообразные искусственные материалы, разрабатываемые и применяемые в 
различных отраслях промышленности. В ряде случаев композиты оказываются 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, обеспечивая расчетные механические, тепловые и другие параметры и характеристики, необходимые для эффективной реализации инженерных разработок. Это связано с обоснованным выбором исходных материалов 
(армирующих волокон, связующих наполнителей), структуры композиционных материалов, технологии их изготовления и переработки в готовые изделия.  
Успешная реализация больших потенциальных возможностей композиционных материалов в значительной степени зависит от уровня информированности конструктора об этих возможностях, особенностях 
свойств, принципах конструирования и методах расчета. Обширная литература по композитам ориентирована в основном на научных работников. 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 дипломном 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 растворяться или иным способом поглощать друг друга. Компоненты 
таких материалов сохраняют присущие им свойства, что отличает 
композиты от классических конструкционных материалов, например сплавов. Иначе говоря, понятие «композиционный материал» 
соответствует неоднородному в макромасштабе материалу, состоящему из различных по своим свойствам частей (например, А и 
В), разграниченных поверхностями раздела (рис. 2). 
В истории развития композиционных материалов можно выделить несколько важных этапов: 
– разработка и применение волокнистых стеклопластиков, обладающих высокой удельной прочностью (1940 – 1950-е годы);  
– открытие свойства высокой прочности (близкой к теоретическому 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