Фрикционные волокнисто-армированные керамоматричные композиционные материалы

Москва
ИНФРА-М
2023

ФРИКЦИОННЫЕ 
ВОЛОКНИСТО-АРМИРОВАННЫЕ 
КЕРАМОМАТРИЧНЫЕ 
КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

А.П. ГАРШИН
А.С. НИЛОВ
В.И. КУЛИК

МОНОГРАФИЯ

УДК 620.22(075.4)
ББК 30.36
 
Г21

Гаршин А.П.

Г21 
 
Фрикционные 
волокнисто-армированные 
керамоматричные 

композиционные материалы : монография / А.П. Гаршин, А.С. Нилов, В.И. Кулик. — Москва : ИНФРА-М, 2023. — 247 с. — (Научная 
мысль). — DOI 10.12737/1989212.

ISBN 978-5-16-018370-1 (print)
ISBN 978-5-16-111392-9 (online)

В монографии приведены обобщающие результаты анализа основных 

особенностей волокнисто-армированных композиционных материалов 
с керамической матрицей и используемых для их армирования волокнистых наполнителей. Рассмотрены основные технологические методы 
получения керамоматричных композитов, основанных на твердо-, газо- 
и жидкофазных процессах. Приведены результаты оценки текущего состояния и перспектив развития фрикционных элементов в тормозных си  стемах высокоэнергетичной транспортной техники. Рассмотрены основные направления повышения коррозионно-, жаро- и износостойкости 
композиционных материалов с керамической матрицей, а также оценка 
физико-механических и теплофизических характеристик композиционных материалов с керамической матрицей, предназначенных для работы 
в условиях высоких механических и температурных нагрузок и абразивного износа. Даны рекомендации по подбору пар трения для тормозных 
дисков из композиционных материалов с керамической матрицей.

Для студентов, аспирантов и преподавателей технических вузов и фа
культетов.

УДК 620.22(075.4)

ББК 30.36

ISBN 978-5-16-018370-1 (print)
ISBN 978-5-16-111392-9 (online)

© Гаршин А.П., Нилов А.С., 

Кулик В.И., 2023

Данная книга доступна в цветном  исполнении 
в электронно-библиотечной системе Znanium

Введение

Общей тенденцией развития и совершенствования современных транспортных средств является повышение мощности 
и увеличение скорости движения. В таких условиях особую 
актуальность приобретает проблема торможения. К элементам тормозных систем предъявляется достаточно большой 
перечень требований, которые в совокупности должны обеспечивать безопасность при торможении и соответствовать 
постоянно возрастающим нормативным требованиям к величине тормозного пути, времени торможения и допускаемому 
замедлению. Кроме того, должны обеспечиваться долговременность срока эксплуатации, экономичность и технологичность процесса изготовления и ремонта, независимость трибологических характеристик от температурных и погодных 
условий, стабильность при длительных сроках эксплуатации 
тормозных систем, малошумность процесса торможения и т.д. 
Эти требования главным образом определяются комплексом 
физико-механических, теплофизических и трибологических 
характеристик материалов фрикционной пары.
В современных тормозных системах применяют различные 
фрикционные материалы: чугун (серый, перлитный, фосфористый различных модификаций); фрикционные асбополимеры (ФАПМ) и другие композиционные материалы с полимерной матрицей; металлокерамику; спеченные фрикционные 
материалы на основе порошков различных металлов. Эти материалы в принципе позволяют создавать фрикционные узлы 
для самых разнообразных условий работы. Однако все возрастающие требования по энергонагруженности тормозных 
устройств постоянно стимулируют исследования по созданию 
новых типов фрикционных материалов, с более высокими 
эксплуатационными характеристиками. Следует отметить, 
что если энергия торможения массой 2000 кг автомобиля, со 

Гаршин А.П., Нилов А.С., Кулик В.И.

скоростью движения 128 км/час с ускорением — 0,8 м/с2 составляет порядка 20 кВт [1], то для современных скоростных 
поездов она превышает 800 кВт [2], а для самолетов достигает 37 МВт [3]. Это приводит к тому, что температура в зоне 
трения фрикционной пары может превышать 1273—1473 К, 
и различные конструктивные решения, направленные на рассеивание тепловой энергии, например вентиляция тормозных 
дисков, принципиально не решают эту проблему.
Среди современных фрикционных материалов последнего 
поколения, которые потенциально могут быть использованы 
в высоконагруженных системах торможения, особое место 
занимают композиционные материалы (КМ) с углеродной 
(углерод-углеродные КМ — УУКМ) и керамической (керамоматричные КМ — КМК) матрицей армированной углеродными (КМК системы Cf/SiC) и другими типами волокон. 
Можно отметить следующие преимущества систем торможения на основе УУКМ и КМК по сравнению с системами 
на основе традиционных фрикционных материалов, прежде 
всего металлических и металлокерамических:
 
• относительно малая плотность, позволяющая уменьшить 
вес систем торможения (примерно на 40—60%);
 
• высокая стойкость к изнашиванию в различных атмосферных условиях, что позволяет существенно увеличить 
количество торможений до ремонта;
 
• способность поглощать при торможении большое количество кинетической энергии путем преобразования ее 
в тепловую. При этом элементы тормозных устройств работают без повреждения;
 
• высокая стойкость к термическому удару;
 
• высокая допускаемая температура эксплуатации — более 
1273 К.
Среди современных волокнистых КМК выделяются композиты с SiC матрицей, армированные углеродными волокнами. Благодаря исключительно высокой твердости и стойкости к абразивному износу карбида кремния Cf/SiC-компо

Фрикционные волокнисто-армированные керамоматричные композиционные материалы

зиты являются одними из самых перспективных современных 
материалов для изделий триботехнического и, прежде всего, 
фрикционного назначения.
Кроме того, следует отметить, что эффективность работы 
систем торможения, прежде всего высокий коэффициент 
трения и минимальный износ, во многом зависит от правильно подобранных материалов пары трения. Причем правильный подбор материала контртела является отдельной 
самостоятельной задачей, усложняющейся большим количеством вариантов композиций и технологий их изготовления 
для материалов с полимерной, металлической, углеродной 
и керамической матрицами и марок сплавов для металлов.
В настоящее время особое внимание во всем мире уделяется развитию конструкционных керамических материалов. 
Различные виды монолитной керамики обладают широким 
спектром физико-механических и теплофизических характеристик, главные из которых – высокая твердость (и, как 
следствие, высокая стойкость к механическому износу), химо- 
и теплостойкость, достаточно низкий коэффициент линейного 
термического расширения. Керамика отличается высокой температурой плавления, прочностью при сжатии и стойкостью 
к окислению.
Серьезным недостатком конструкционных материалов 
на основе монолитной керамики является низкая трещиностойкость, что существенно ограничивает возможности их 
применения в изделиях, работающих в условиях вибраций‚ 
механических и тепловых ударов. Армирование волокнистыми элементами (т.е. создание волокнисто-армированных 
керамоматричных композитов) представляет собой эффективный способ повышения сопротивления хрупкому разрушению керамики. КМК предназначены, прежде всего, для 
работы в экстремальных условиях. Традиционные области 
применения: космическая техника, двигательные установки, 
теплозащитные материалы для летательных аппаратов, огнеупорные материалы для печей и энергетических реакторов. 

Гаршин А.П., Нилов А.С., Кулик В.И.

Новые секторы включают: системы торможения автомобилей, 
высокоскоростного железнодорожного транспорта, авиации, 
космических кораблей многоразового использования, подъемно-транспортных устройств и т.п.
Важнейшая проблема широкого практического применения КМК заключается в разработке экономически эффективной технологии их получения. Как правило, производство 
изделий из КМК — сложный и длительный процесс, основная 
стадия которого — уплотнение волокнистых каркасов (преформ) и пористых сред матричным материалом. Именно 
на этой стадии во многом формируется комплекс микроструктурных и эксплуатационных характеристик КМК.

Глава 1
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
ВОЛОКНИСТО-АРМИРОВАННЫХ КМК

Современная керамика рассматривается как один из самых 
перспективных типов конструкционных материалов. Отметим, что понятие «керамика» включает практически все 
твердые вещества неорганического происхождения, характеризующиеся неметаллической природой химической связи, 
устойчивые к действию высоких температур и химических 
веществ. Если исходить из такого определения, то становится 
понятным разнообразие типов керамических материалов. 
Это — стекла, монолитные кристаллы, конгломераты мелких 
кристаллов и сочетание этих форм на основе силицидов, оксидов, карбидов, нитридов и боридов. Высокотехнологичная 
керамика — сравнительно новый вид материалов, и поэтому 
масштабы ее производства как по объему, так и по стоимости 
продукции существенно уступают производству традиционных металлических и полимерных материалов. Вместе с тем 
темпы роста ее выпуска (от 15 до 25% ежегодно) намного превышают соответствующие показатели для стали, алюминия 
и других металлов. Мировой рынок изделий из керамики 
к 2010 г. оценивался в 60 млрд долларов США [4], в котором 
доля конструкционной машиностроительной керамики составляет 25…26% [5], из которой 87% — монолитная керамика 
[6].
Различные виды монолитной керамики (SiC, Si3N4, BN, 
TiB2, B4C, Al2O3, TiC, HfC, ZrO2, силицированный графит 
и др.) обладают широким спектром физико-механических 
и теплофизических характеристик, главными из которых являются следующие: высокая твердость, высокая стойкость 
к механическому износу, химо- и теплостойкость, достаточно 
низкий коэффициент линейного термического расширения. 

Гаршин А.П., Нилов А.С., Кулик В.И.

Наличие таких свойств во многом объясняет повышенное 
внимание к конструкционной керамике и определяет существующие и потенциальные области их применения, главным 
образом в изделиях и механизмах, работающих в условиях 
абразивного, химического воздействия и высоких температур. 
Керамика отличается высокой температурой плавления, прочностью при сжатии и стойкостью к окислению. Последнее 
свойство керамических материалов — их важное преимущество по сравнению с углеграфитовыми материалами. В ряде 
областей очень ценными являются высокие диэлектрические 
свойства керамики.
Тем не менее для конструкционных материалов на основе 
монолитной керамики характерны существенные недостатки, 
которые во многом сужают или делают принципиально невозможным ее применение в определенного вида изделиях. Наиболее серьезными недостатками таких материалов является 
их недостаточная стойкость к тепловому удару, склонность 
к хрупкому разрушению, низкая сопротивляемость ударным 
нагрузкам, низкая прочность при растяжении, что существенно ограничивает возможности их применения в изделиях, работающих в условиях вибраций‚ механических и тепловых ударов. Особенно сильно этот недостаток сказывается 
в крупногабаритных и тонкостенных изделиях. Необходимо 
отметить, что проблема трещиностойкости является одной 
из ключевых в общей проблеме технической керамики, поскольку тугоплавким неметаллическим соединениям присущ 
общий недостаток — хрупкость в широком диапазоне температур.
Например, для монолитной SiC-керамики, полученной методом реакционного спекания (риc. 1.1), при воздействии различных видов нагрузок характерен механизм хрупкого разрушения [7].
При этом в зависимости от типа керамики, метода ее получения, плотности и других факторов в монолитной керамике 
могут реализовываться два основных вида хрупкого разру

Фрикционные волокнисто-армированные керамоматричные композиционные материалы

шения — интеркристаллитный (риc. 1.2, а) и транскристаллитный (риc. 1.2, б) [8, 9]. Оба вида разрушения характеризуются отсутствием реальных механизмов, препятствующих 
развитию в керамике магистральной трещины.

Риc. 1.1. Типичная структура монолитной SiC-керамики, полученной 
методом реакционного спекания:
участки серого цвета — сросшиеся в монолитный каркас кристаллы 
карбида кремния; полигональные участки белого цвета — свободный 
кремний; мелкие точечные включения черного цвета — микропоры 
или сколы на поверхности шлифа; увеличение 200×

 

а                                                                          б

Риc. 1.2. СЭМ-фотографии поверхности хрупкого разрушения монолитной керамики:
а — интеркристаллитный характер разрушения AlN; 
б — транскристаллитный характер разрушения поликристаллической 
SiC-керамики [9]

Гаршин А.П., Нилов А.С., Кулик В.И.

Поэтому очень остро стоит задача повышения вязкости разрушения керамических материалов без одновременного снижения их прочности. Низкие характеристики трещиностойкости монолитной керамики могут быть серьезно улучшены 
за счет введения армирующей фазы (частиц или волокон), т.е. 
перехода к керамоматричным композитам (КМК).
В качестве матриц для КМК могут использоваться различные керамические материалы на основе оксидов, карбидов, 
нитридов и боридов, например: SiC, Si3N4, BN, TiB2, B4C, Al2O3 
и др.
В целом композиционные материалы (КМ) — современный класс конструкционных материалов — определяются 
как гетерогенные системы, состоящие из двух типов компонентов, одним из которых являются армирующими наполнителями, а другим — связывающими их матрицами. Соединение различных по химическому составу и физическим 
свойствам компонентов позволяет получить новый материал 
со свойствами, в общем случае отличающимися от свойств составляющих его компонентов. Замечательное качество КМ — 
возможность управления его свойствами — достигается путем 
варьирования составом и структурой материала, а также технологическими параметрами процесса его изготовления.
Как правило, компоненты КМ различаются по геометрическому признаку. Один из компонентов, обладающий непрерывностью по всему объему, является матрицей или связующим. Компонент, разъединенный в объеме материала, называется армирующим компонентом или наполнителем.
Армирующий наполнитель предназначен для укрепления 
матрицы и должен сохранять высокую прочность и химическую стабильность во всем интервале рабочих температур. 
Армирующие наполнители обеспечивают высокую прочность 
и жесткость материалов, оказывают существенное влияние 
на теплопроводность, теплостойкость, износостойкость и коэффициент линейного теплового расширения и т.д. Они накладывают ряд ограничений на технологию получения КМ.