Промышленные композиты

 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ю. В. ХОЛОДНИКОВ 
 
 
 
 
 
 
 
ПРОМЫШЛЕННЫЕ КОМПОЗИТЫ 
 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2023 

УДК 66.022 
ББК 35.719 
Х73 
 
 
Рецензенты: 
доктор технических наук, зам. директора по науке  
НИЦ «Курчатовский институт» ИРЕА Макаренков Дмитрий Анатольевич;  
доктор технических наук, профессор  
ФГБОУ ВО «Уральский государственный горный университет»  
Боярских Геннадий Алексеевич; 
доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский  
государственный университет промышленных технологий и дизайна»   
Лысенко Александр Александрович 
 
 
Холодников, Ю. В. 
Х73  
Промышленные композиты : монография / Ю. В. Холодников. – 
Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. – 340 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1448-7 
 
Дано и обосновано понятие «промышленные композиты» как самостоятельное 
направление развития отрасли производства изделий из композиционных материалов с 
полимерной матрицей.  Рассмотрены материалы для производства промышленных композитов, способы производства, области применения и особенности эксплуатации. 
Приведены результаты исследований и экспериментов по обозначенной теме. Большое 
внимание уделено вопросам контроля качества изделий, как на стадии производства, 
так и при эксплуатации в условиях воздействия агрессивной рабочей среды. Раскрыты 
разработанные на уровне изобретений способы производства, дано описание изделий 
производственно-технического назначения из специальных видов композитов, являющихся новыми видами промышленных изделий, соответствующих, а по ряду позиций, 
превосходящих мировой уровень качества продукции данного вида.  
Для широкого круга специалистов производственного сектора экономики, заинтересованных в развитии производства изделий производственно-технического назначения из композиционных материалов для нужд различных отраслей промышленности. 
 
УДК 66.022 
ББК 35.719 
 
 
 
Печатается в авторской редакции 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1448-7 
” Холодников Ю. В., 2023 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
 

СОДЕРЖАНИЕ 
 
Введение ....................................................................................................................... 6 
1. Патентная активность и инновационное развитие. ............................................. 9 
1.1. 
 Оценка состояния российской отрасли композитостроения 
................. 13 
2. Классификация композитов ................................................................................. 20 
3. Виды и области применения промышленных композитов 
............................... 26 
4. Композиционные материалы (КМ) ..................................................................... 36 
4.1. 
 Связующее .................................................................................................. 36 
4.2. 
 Армирующие материалы 
........................................................................... 38 
4.3. 
 Наполнители ............................................................................................... 40 
4.4. 
 Премиксы и препреги ................................................................................ 42 
4.5. 
 УФ-отверждаемые КМ .............................................................................. 44 
4.6. 
 «Умные» (интеллектуальные) КМ ........................................................... 48 
4.7. 
 Критерии выбора материалов ................................................................... 49 
5. Технологии и способы изготовления изделий из КМ ....................................... 51 
5.1. 
 Основные технологии производства промышленных изделий из КМ 
..... 51 
5.1.1. Контактные способы 
........................................................................... 53 
5.1.2. Инжекция/инфузия связующего в закрытые формы 
....................... 60 
5.1.3. Формование деталей из препрегов и премиксов ............................. 68 
5.1.4. Прессование 
......................................................................................... 75 
5.1.5. Способы изготовления изделий протяжкой 
..................................... 79 
5.1.6. Намотка ................................................................................................ 84 
5.1.7. Магнито-импульсное формование .................................................... 88 
5.1.8. Интегральные конструкции ............................................................... 88 
5.1.9. Способы объемного формования ...................................................... 90 
5.1.10. Изготовление изделий из полимербетона/искусственного камня .... 
93 
5.1.11. Детали, изготавливаемые методами механической обработки ....... 98 
5.1.12. Изготовление сборных конструкций из композитов .................. 104 
5.1.13. Футеровка ........................................................................................ 109 
5.1.14. Литье................................................................................................. 114 
5.1.15. Ремонтные технологии ................................................................... 119 
5.1.16. Прототипирование и аддитивные технологии 
............................. 126 
6. Защита технологического оборудования и строительных конструкций  
специальными композитами .................................................................................. 132 
6.1. 
 Назначение и область применения футеровочных покрытий 
............. 132 
6.1.1. Общие положения и рекомендации ................................................ 135 
6.1.2. Требования к стальным конструкциям 
........................................... 137 
6.1.3. Требования к бетонным сооружениям ........................................... 142 
6.1.4. Требования безопасности при подготовке поверхностей  
для нанесения защитного покрытия 
...................................................................... 143 
6.1.5. Подготовка и испытание образцов 
.................................................. 144 
6.1.6. Нанесение футеровочного покрытия методом ручного  
ламинирования 
......................................................................................................... 146 
3


6.1.7. Футеровка листовым химстойким композитом 
............................. 150 
6.1.8. Футеровка штучными композитами ............................................... 153 
6.1.9. Футеровка специальным полимербетоном .................................... 155 
6.1.10. Трубы, футерованные полимербетоном 
....................................... 160 
6.2. 
 Состав исполнительной документации ................................................. 164 
7. Контроль качества изделий производственно-технического назначения,  
изготовленных из КМ ............................................................................................. 165 
7.1. 
 Методы контроля ..................................................................................... 165 
7.1.1. Классификация методов контроля .................................................. 165 
7.1.2. Визуальный и измерительный контроль ........................................ 168 
7.1.3. Разрушающий инструментальный контроль ................................. 169 
7.1.4. Неразрушающий инструментальный контроль ............................. 172 
7.1.5. Статистический контроль ................................................................ 174 
7.2. 
 Технологический контроль производства ............................................. 176 
7.2.1. Контроль на стадии НИОКР ............................................................ 176 
7.2.2. Контроль на стадии производства 
................................................... 180 
7.2.2.1. 
 Входной контроль материалов ................................................. 180 
7.2.2.2. 
 Контроль условий работ 
............................................................ 182  
7.2.2.3. 
 Контроль работы машин и механизмов................................... 184 
7.2.2.4. 
 Пооперационный контроль качества ....................................... 184 
7.2.2.5. 
 Приемочный контроль .............................................................. 185 
7.2.2.6. 
 Контроль качества полимербетона .......................................... 188 
7.3. 
 Контроль при монтаже и сборке изделия .............................................. 189 
7.4. 
 Правила ввода в эксплуатацию 
............................................................... 191 
7.5. 
 Контроль эксплуатационных параметров ............................................. 191 
7.6. 
 Контроль текущего состояния изделия ................................................. 192 
7.7. 
 Контроль соблюдения режимов обслуживания и ремонта 
.................. 193 
8. Правила эксплуатации, обслуживания и ремонта изделий из КМ ................ 194 
8.1. 
 Обслуживание защитных футеровочных покрытий ............................ 194 
8.2. 
 Дефекты ламинирования и способы их устранения 
............................. 197 
8.3. 
 Дефекты в изделиях из искусственного камня/полимербетона 
.......... 202 
8.4. 
 Состав исполнительной документации ................................................. 207 
9. Техника безопасности при производстве изделий из КМ .............................. 208 
9.1. 
 Общие правила безопасности ................................................................. 208 
9.2. 
 Оптимизация режимов проветривания рабочих зон ............................ 210 
9.3. 
 Пожарная безопасность ........................................................................... 212 
9.4. 
 Охрана окружающей среды .................................................................... 213 
9.5. 
 Аварийные ситуации ............................................................................... 213 
 
НИОКРовский задел ООО СКБ «Мысль» 
 
10. Плитка специального назначения из полимерных композитов ................... 215 
10.1. 
 Виды плиток ........................................................................................... 216 
10.2. 
 Способ укладки плитки ......................................................................... 219 
10.3. 
 Преимущества полимерной композитной плитки 
.............................. 222 
4


 
11. Исследования свойств композитов на стойкость в разных средах .............. 224 
11.1. 
 Стойкость в кислотной среде 
................................................................ 224 
11.2. 
 Химстойкость в щелочной среде 
.......................................................... 241 
11.3. 
 Абразивостойкость композитов ........................................................... 248 
11.4. 
 Ударная прочность дисперсно-наполненных композитов ................ 253 
11.5. 
 Влияние кварцевого наполнителя на свойства  
дисперсно-наполненных композитов 
.................................................................... 258 
11.6. 
 Исследование вязкости наполненной полимерной смолы ................ 264 
12. Физическое моделирование интегрального способа изготовления изделий  
из полимерного композита ..................................................................................... 270 
13. Оборудование горнодобывающей промышленности из промышленных  
композитов ............................................................................................................... 277 
13.1. 
 Общие принципы определения характерных размеров изделий  
из композитов .......................................................................................................... 286 
13.2. 
 Определение напряжений и деформаций в простейших расчетных 
схемах 
 ................................................................................................................... 290 
13.3. 
 Методы расчета компонентов горно-шахтного оборудования ......... 296 
13.3.1. Корпусные изделия в виде оболочек ............................................ 296 
13.3.2. Рабочие колеса осевых вентиляторов 
........................................... 305 
13.3.3. Резервуары для сжатого воздуха 
................................................... 309 
13.3.4. Трубопроводы ................................................................................. 311 
13.3.5. Баки и бункеры 
................................................................................ 314 
13.3.6. Соединения деталей из композитов 
.............................................. 319 
13.4. Математическое моделирование напряженного состояния  
рабочей лопатки осевого вентилятора .................................................................. 324 
 
Список литературы ......................................................................................... 331 
 
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Варианты защитных футеровочных покрытий  
поверхностей железобетонных емкостных сооружений, эксплуатируемых  
в жидких агрессивных средах ................................................................................ 334 
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Варианты защитных футеровочных покрытий  
стальных резервуаров для кислот, щелочей и жидких минеральных  
удобрений 
................................................................................................................. 337 
 
  
 
 
 
 
 
 
 
5


ВВЕДЕНИЕ 
 
Уникальные эксплуатационные свойства изделий из композиционных материалов, основанные на новаторстве и зависимости от интеллектуальных ценностей, как ключевого источника экономической выгоды и сравнительного преимущества перед аналогами из традиционных материалов, все в большей степени 
определяется умением изобретать и массово осваивать результаты интеллектуальных изысканий в различных отраслях производственно-хозяйственной деятельности. Без учета возможностей инновационного развития композитной отрасли невозможно строить планы «догнать и перегнать» мировых лидеров данного направления деятельности, и тем самым занять достойное место на рынке 
современных технологий и конкурентоспособных видов изделий. Способность 
создавать и применять инновационные технологии и новые виды изделий является сегодня непременным условием не только экономической независимости  
и подобающего уровня технического развития, но и эффективного участия 
страны в глобальной экономике и достойного уровня жизни ее населения. 
Мировое производство изделий из композитов с полимерной матрицей сосредоточено в основном на нескольких направлениях, важнейшими из которых 
являются: 
 транспортное машиностроение, включая ж/д и автомобильную промышленность; 
 судостроение, включая лодки, катера, яхты и т. п.; 
 энергетика, и в первую очередь – ветроэнергетика, электротехнические 
изделия; 
 авиация и космос; 
 вооружение и оборона; 
 строительство и связанная с ним инфраструктура; 
 бытовая тема потребительского сектора экономики; 
 трубы и емкостное оборудование, изготавливаемые методами намотки. 
Все вышеперечисленное, несомненно, представляет интерес в плане разработки и внедрения новых материалов и сопутствующих технологий производства изделий, а также с потребительской точки зрения, поскольку направлено 
на получение готового товарного продукта. Вместе с тем, обозначенные 
направления внедрения изделий из композитов не исчерпываются данным 
списком. В частности, в нем отсутствует большая группа изделий, которую 
можно обозначить как – «промышленные композиты».  Под промышленными 
композитами мы подразумеваем изделия из композиционных материалов, которые, прежде всего, востребованы во всех отраслях промышленного сектора 
экономики, включая добывающие, перерабатывающие, регенерирующие, 
транспортирующие, машиностроительные и прочие технические отрасли производства, а также, сельское хозяйство, ЖКХ и другие отрасли реального сектора экономики. Практически все технологическое оборудование промышленных предприятий и многие виды машиностроительной продукции можно, а во 
многих случаях необходимо, изготавливать из композитов.  
6


Чем вызвана необходимость выделения промышленных композитов в самостоятельную группу изделий?  Прежде всего, тем, что по назначению, составу композита, условиям эксплуатации и предъявляемым к изделию требованиям, эта группа композитов существенно отличается от других видов изделий из 
композиционных материалов, перечисленных в начале раздела (т. н. «конструкционные композиты»), а именно: 
 изделия промышленно-технического назначения, в основном, работают 
в условиях воздействия агрессивной рабочей среды, длительных знакопеременных механических нагрузок и других опасных производственных факторов, что 
определяет состав и структуру композита, отличные от параметров конструкционных композитов, применяемых в других отраслях жизнедеятельности; 
 к промышленным композитам предъявляются требования длительной 
повышенной надежности работы, поскольку это связано с безопасной эксплуатацией технологического оборудования и ответственных строительных конструкций, обеспечивающих защиту здоровья обслуживающего персонала, а 
также недопущения аварий и техногенных катастроф, экологические последствия которых могут быть сопоставимы с природными катаклизмами; 
 для промышленных композитов разрабатываются специальные виды 
композиционных материалов и способы их переработки в готовое изделие, 
имеющие существенные отличия от композиционных материалов, применяемых для изготовления конструкционных композитов; 
 для изделий из промышленных композитов, входящих в состав технологического оборудования промышленных предприятий,  должны быть разработаны мероприятия технического обслуживания и ремонта, подготовлены кадры 
обслуживающего и ремонтного персонала, разработана и утверждена в установленном порядке нормативно-техническая документация и выполнен целый 
ряд организационно-технических мероприятий, направленных на адаптацию 
рассматриваемой группы изделий в структуре общего технологического процесса и групп разнородных по конструкции и исполнению видов оборудования 
конкретного предприятия; 
 часто изделия производственно-технического назначения (промышленные композиты) не являются самостоятельным осязаемым товарным продуктом, а являются частью изделия (например – футеровка) или звеном технологического процесса (например – ремонтные технологии), поэтому возникают 
трудности с экономической оценкой эффективности их применения, что в 
условиях рыночных отношений не всегда играет на пользу внедрения данной 
группы композиционных изделий, оставляя их на втором плане научнотехнического развития производства; 
 в конструкционных композитах большее значение придается свойствам 
и качеству армирующих материалов и наполнителей, определяющих физикомеханические свойства композита (стеклопластик, базальтопластик, углепластик, органопластик, нанокомпозит и пр.), а в промышленных композитах 
определяющим фактором (помимо прочностных параметров) является тип и 
характеристика связующего (матрицы), которая определяет такие важные экс7


плуатационные показатели, как химостойкость, теплостойкость, радиационную 
стойкость и пр. 
Перспективы внедрения и преимущества изделий из промышленных композитов перед аналогичными изделиями, выполненными из традиционных материалов, вызваны следующими факторами: 
 способы изготовления изделий из композитов в 8–10 раз менее энергозатратные, чем производство из металлов или их сплавов, что в условиях непрерывного удорожания стоимости энергоносителей имеет важное конкурентное 
преимущество; 
 структура и состав композита выбирается под конкретные требования 
заказчика, обеспечивая оптимизацию режимов работы в заданной рабочей среде, а также лучшие условия обслуживания и ремонта; 
 изделия из композитов обладают хорошей стойкостью к большинству 
промышленных сред и повышенной надежностью эксплуатации ввиду отсутствия сварных швов и ремонтопригодностью на любой стадии повреждения. В 
последние годы разрабатываются «интеллектуальные» композиты с функциями 
самоконтроля и индикации, позволяющие в автоматическом режиме следить за 
техническим состоянием изделий из промышленных композитов; 
 важным конкурентным преимуществом композитов является то обстоятельство, что при практически равных удельных физико-механических характеристиках с конструкционными марками стали, они (композиты) имеют массу 
в 4 раза меньшую, чем у стали, что приводит к снижению материалоемкости 
технологического оборудования, уменьшению затрат на перевозки, монтаж и 
обслуживание; 
 широкий диапазон различных технологий и способов изготовления изделий промышленно-технического назначения из композиционных материалов 
позволяет организовать их производство «на месте», что является важным, 
например, при проведении ремонтных работ, модернизации производства или 
организации нового вида производства не стандартизированных изделий; 
 важным преимуществом изделий из полимерных композиционных материалов для промышленного сектора экономики является возможность без огневого ремонта поврежденных участков технологического оборудования, при 
практически любой степени их повреждения, что снижает трудозатраты на ремонтные работы и сокращает сроки вынужденных простоев, повышает безопасность ремонтных работ; 
 изготовление изделий из композитов для промышленного сектора экономики является отличной базой для развития малого/среднего производственного бизнеса с возможностью реализации инновационных и импортозамещающих идей в сжатые сроки, широкого ассортимента и гибкого технологического 
процесса с минимальными организационными и финансовыми издержками на 
начальном этапе деятельности. 
 
 
8


1. ПАТЕНТНАЯ АКТИВНОСТЬ И ИННОВАЦИОННОЕ РАЗВИТИЕ 
 
Композиты относятся к приоритетному направлению развития научнотехнического потенциала нашей страны, обладают неоспоримым инновационным потенциалом и инвестиционной привлекательностью. 
Новые технологические и технические решения, разрабатываемые при работе в композитной отрасли производства, трансформируются в не материальные активы и осуществляются в виде прав интеллектуальной собственности, 
которые позволяют (в идеале): защищать интересы участников инновационного 
процесса, формировать инновационную культуру, расширять инновационную 
систему за счет интеграции и трансфера технологий между разрозненными организациями, фиксировать систему научно-технических изобретений, привлекать дополнительные инвестиции и позиционировать себя на рынке высоких 
технологий, стимулировать проявление личностного потенциала в инновационном процессе. 
Основной формой защиты интеллектуальной собственности в научноисследовательской и промышленной отрасли производства является патент. 
Интенсивность разработки новых патентов в определенной степени отражает 
интенсивность генерирования в обществе новых знаний, предопределяя параметры развития экономики и уровень научно-технического развития страны, и 
как итог – конкурентоспособность выпускаемой продукции. 
Распределение патентной активности в ведущих технологических странах  
мира за период 2009–2019 гг., млн шт. (Источник: Patent Cooperation Treaty 
Yearly Review), представлен на рисунке 1.1 [1]. 
 
Рис. 1.1 
 
9


ООО СКБ «Мысль» с 2008 года периодически проводит патентные исследования по композитной теме, с целью анализа развития данного направления в 
нашей стране. Поиск патентов по заданной теме проводится в двух направлениях: 
1) поиск патентов РФ по российской (национальной) патентной базе данных, отбор патентов по названиям на соответствие теме поиска; 
2) поиск патентов США, Германии, Китая и (для сравнения) РФ по единой 
методике в той же патентной базе данных. 
 Единая методика и единая база данных применены для наиболее наглядного сравнения патентной активности, а также исключения издержек, связанных со спецификой работы с каждой из национальных баз данных указанных  
4 стран.  
В процессе поиска применялись индексы Международной патентной классификации (МПК): B32B; B29C; C23C; B32B 5/00; B32B 5/02; B32B 7/00; 
D32B 27/00; B27B 7/04; B32B 33/00; B29C 43/00; B29B 43/18; B29C 70/00; 
D29C 70/56; C23C 30/00. Результаты, выданные базой данных РФ, далее были 
проанализированы по названиям на предмет их соответствия теме поиска. В 
частности, были отобраны патенты и заявки на получение патента, относящиеся к материалам, способам и изделиям, а патенты, относящиеся к тематике 
«бронежилеты», «углекерамика», «композитные мембраны», а также к военной 
тематике, медицине, биотехнологиям, пищевой промышленности, методам контроля и т. п. – не учитывались. 
Поиск патентов США, Германии, Китая и (для сравнения) РФ проводился 
в сети патентной информации esp@cenet по адресу ru.espacenet.com, дающей 
возможность доступа к всемирной базе патентной информации и к патентным 
фондам различных стран и международных организаций. Данная база дает возможность оценить патентную активность не только по количеству выданных 
патентов, но и по количеству опубликованных заявок, которые впоследствии не 
все «превратились» в патенты. Таким образом, в результате поиска удалось 
оценить патентную активность 4 стран по количеству патентных документов, 
т. е. по количеству и патентов и заявок на патент. 
Для проведения поиска патентных документов США, Германии, Китая и 
(для сравнения) РФ были выбраны следующие ключевые слова: 
polymer 
composite 
Ключевые слова применялись для поиска по рефератам и названиям патентных документов.  
Для единства методики поиска для всех 4 стран применялся один и тот же 
поисковый запрос с использованием вышеуказанных ключевых слов. Индексы 
МПК не использовались, т. к. сформулированный поисковый запрос, по нашему мнению, и так определил необходимые рамки запрашиваемой информации. 
Количественные результаты поиска патентных документов США, Германии, Китая и (для сравнения) РФ наглядно отражены на рисунке 1.2. 
10