Композиционные материалы в ракетно-космической технике

Композиционные материалы  
в ракетно-космической технике

Учебное пособие

Под редакцией Г.В. Малышевой

Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение высшего образования  
«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана  
(национальный исследовательский университет)»

УДК 678
ББК 30.36
 
К63

Издание доступно в электронном виде по адресу 
ebooks.bmstu.press/catalog/258/book2019.html

Факультет «Специальное машиностроение»

Кафедра «Технологии ракетно-космического машиностроения»

Рекомендовано Научно-методическим советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия

Авторы:
 Ю.В. Баданина, В.Д. Баскаков, А.Л. Галиновский,  

В.А. Нелюб, О.В. Зарубина, Г.В. Малышева

 
 
Композиционные материалы в ракетно-космической тех- 

К63  нике : учебное пособие / [Ю. В. Баданина и др.] ; под ред. 
 
Г. В. Малышевой.  — Москва : Издательство МГТУ 

 
им. Н. Э. Баумана, 2019. — 38, [2] с. : ил. 

ISBN 978-5-7038-5136-4
В издании приведены общие сведения о полимерных композици-

онных материалах и их применении в изделиях ракетно-космической 
техники. 

Для студентов, обучающихся по направлению подготовки 24.05.01 

«Проектирование, производство и эксплуатация ракет и ракетно-космических 
комплексов» и изучающих дисциплину «Введение в специальность», 
а также по направлению подготовки 17.05.01 «Боеприпасы 
и взрыватели» и изучающих дисциплину «Технология производства 
боеприпасов». Пособие может быть использовано для подготовки к 
вступительным экзаменам в магистратуру. 

УДК 678
ББК 30.36

 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019

 
© Оформление. Издательство 

ISBN 978-5-7038-5136-4 
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2019

Предисловие

Учебное пособие предназначено для самостоятельной проработки 
студентами дисциплины «Введение в специальность» и разделов 
дисциплины «Технология производства боеприпасов». При 
самостоятельной работе с учебным пособием студенты проводят 
самостоятельный поиск необходимой информации.
Целью учебного пособия является формирование у обучающихся 
компетенций и профессиональных знаний, необходимых 
при проектировании технологии и оснащения производства композитных 
конструкций ракетно-космической техники (РКТ).
Современные авиа- и ракетостроение, специальное машиностроение 
невозможно представить без применения полимерных 
композиционных материалов (ПКМ). Чем больше развиваются эти 
отрасли, тем больше в них используются ПКМ. Многие из этих 
материалов легче и прочнее лучших металлических (алюминиевых 
и титановых) сплавов, а их применение позволяет снизить массу 
изделия.
В пособии описаны основные свойства и особенности изготовления 
композитных конструкций, армированных непрерывными 
и дискретными волокнами. 
После изучения пособия студенты овладеют:
– необходимыми знаниями о современных материалах и технологиях 
производства нано- и молекулярных композитов;
– базовыми знаниями о композиционных материалах (КМ) и 
требованиях, которые предъявляются к созданию ПКМ;
– знаниями о формовании изделий из ПКМ, в том числе гибридных;
– 
методами определения характеристик композитов и их направленного 
регулирования.
После освоения материала учебного пособия студенты должны 
уметь:
– разрабатывать конструкторско-технологические решения 
при проектировании изделий из ПКМ;
– применять и анализировать свойства ПКМ, определять их 
физико-механические характеристики;
– понимать суть метода намотки в производстве композитных 
изделий РКТ, возможности этого метода применительно к 
видам и формам изготовляемых конструкций и наматываемых 
материалов.

Для успешного освоения материала учебного пособия предполагается 
предварительное изучение студентами основ физики, 
химии, материаловедения. Сведения, которые студенты получат из 
данного учебного пособия, могут быть использованы для оценки 
комплекса физико-механических характеристик КМ, выбора оптимальных 
составов, обоснования технологии изготовления. 

Введение

Технический прогресс в различных отраслях промышленности 
связан с разработкой новых конструктивных решений и прогрессивных 
технологий на базе использования современных высокопрочных 
волокнистых полимерных композиционных материалов. 
Полимеры и материалы на их основе заметно потеснили такие 
основные конструкционные материалы, как железобетон, металл, 
дерево. Возможности полимерных материалов чрезвычайно широки 
благодаря многообразию полимеров и наполнителей, неисчерпаемой 
вариабельности составов композитов на их основе и 
методов их модификации.
Круговая диаграмма мирового потребления волокнистых ПКМ 
в различных отраслях промышленности наиболее развитых государств 
мира приведена на рис. В1 [1–3].
В настоящее время ПКМ составляют заметную часть во вновь 
проектируемых или модернизируемых изделиях ракетно-космической 
техники. Можно утверждать, что в новых наукоемких узлах 
и деталях ПКМ (и множество других типов композиционных материалов) 
являются основными материалами, обеспечивающими 
требуемые характеристики изделий.

Рис. В.1. Круговая диаграмма мирового потребления волокнистых 
ПКМ в различных отраслях промышленности наиболее развитых государств 
мира:
1 — нефтегазодобывающая промышленность (28,7 %); 2 — авиаракетостроение 
(18 %); 3 — судостроение (12,4 %); 4 — химическая промышленность (11,9 %); 
5 — энергетика (9,2 %); 6 — автомобилестроение (7,4 %); 7 — строительство 

(6,2 %); 8 — товары народного потребления (4,1 %); 9 — прочее (2,1 %)

Наглядно тенденцию увеличения доли применения КМ можно 
проследить на примере авиационной и ракетно-космической 
техники (табл. В1).
Таблица В1
Увеличение доли применения КМ в авиационной  
и ракетно-космической технике, %

Материал
1980 г.
1990 г.
2000 г.
2010 г.
Прогноз 
на 2020 г.

Металлы и их сплавы
70
57
44
35
25

Волокнистые ПКМ
14
18
22
25
32

Композиционные материалы
6
12
14
17
18

Конструкционная керамика
10
13
20
23
25

Такое состояние дел объясняется в основном двумя факторами. 
С одной стороны, существующие и разрабатываемые волокна и создаваемые 
на их основе ПКМ обладают уже не просто высокими, а 
уникальными характеристиками. В качестве примера достаточно 
привести углеродные волокна, прочность лучших сортов которых 
превосходит прочность стали в 5–6 раз, а жесткость — в 3–3,5 раза 
(при плотности в 4 раза меньшей). Однако столь существенные преимущества 
ПКМ по отношению к металлам и сплавам проявляются 
только в оптимально армированных конструкциях, для которых 
траектория максимальных напряжений совпадает с направлениями 
волокон во всех слоях.
Однако существует и другая сторона вопроса. При проектировании 
композитных изделий хороший специалист может не только 
распределять материалы в конструкции (как при традиционном 
проектировании), но и управлять характеристиками этих материалов, 
изменяя их структуру. В результате можно для каждой конструкции 
создать материал, который обеспечивает изделию такие 
характеристики, какие принципиально недоступны при использовании 
традиционных материалов.
Современный человек сталкивается с полимерными материалами 
не только в технике, но и в повседневной практике, поэтому 
знание основных свойств этих материалов и умение правильно 
применять их постепенно становятся необходимыми все более 
широкому кругу людей. 
В данном пособии приведены основные принципы получения 
и использования полимерных композиционных материалов и сведения 
о наиболее важных видах композитов.

1. Композиционные материалы:  
общие понятия и определения

Рассмотрены общие понятия, применяемые при изучении КМ и конструкций 
из них. Композиционные материалы представлены как 
гетерогенные системы, состоящие из двух и более компонентов 
при сохранении индивидуальности каждого из них. Кратко описаны 
основные компоненты ПКМ, выделены главные функции матрицы 
и наполнителя. Приведена методика оценки при инженерных расчетах 
качества используемых в ПКМ волокнистых наполнителей. 
Рассмотрены современные материалы, такие как интеллектуальные 
композиционные материалы (smart material), и их функции. 
Описан принцип единого конструкторско-технологического решения, 
используемый при создании изделий из КМ. Выделены основные 
уровни исследования пространственно-армированных КМ, необходимых 
при создании наиболее адекватных моделей. Дополнительно 
рассмотрены основные группы свойств ПКМ.

Ключевые слова: композиционный материал, матрица, наполнитель, 
интеллектуальный композиционный материал, полимерный 
композиционный материал, smart material

Планируемые результаты обучения

После изучения раздела 1 «Композиционные материалы: общие понятия 
и определения» студенты смогут:
 •дать определения основным понятиям, используемым в производстве 
ПКМ;
 •перечислить требования, которым должен удовлетворять композиционный 
полимерно-волокнистый материал;
 •описать роль матрицы и наполнителя;
 •оценить качество волокнистых наполнителей с помощью комплексной 
характеристики K;
 •применять и анализировать свойства ПКМ, определять его физико-
механические характеристики;
 •перечислить основные особенности изготовления изделий из КМ;
 •уметь разрабатывать конструкторско-технологические решения при 
проектировании изделий из ПКМ.

1.1. Понятия и определения

Одним из первых научное определение композиционных ма-

териалов дал в 1950 г. профессор Массачусетского университета 
А. Дитц, который утверждал, что совместная работа разнородных 
материалов дает эффект, равносильный созданию нового материала, 
свойства которого количественно и качественно отличаются 
от свойств каждого из его составляющих.

В настоящее время в литературе имеется множество определений 
композиционного материала [4–8]:
– монолитные гетерогенные системы, где компоненты разграничены 
поверхностью раздела;
– объемное искусственное сочетание разнородных по форме и 
свойствам двух и более компонентов с четкой границей раздела;
– материалы, состоящие из двух и более компонентов или фаз;
– гетерогенные системы, состоящие из двух и более компонентов, 
различающихся по химическому составу, физико-механическими 
характеристиками и разделенных в материале четко 
выраженной границей, причем одни компоненты являются армирующими 
составляющими, а другие — связующими их матрицами. 
Компоненты композитов должны быть хорошо совместимы, 
однако не должны растворяться друг в друге или иным образом 
поглощать друг друга.
Наиболее точное определение полимерных композиционных 
материалов дано в работах [7, 9]. 

Полимерные композиционные материалы — это материалы, 

удовлетворяющие следующему набору критериев:
– наличие двух и более фаз;
– доля одного из компонентов составляет не менее 5 %;
– свойства компонентов существенно различаются, а свойства 
полученного после смешения ПКМ отличны от свойств каждого 
компонента;
– ПКМ получают путем смешения исходных компонентов.
Основными составными частями ПКМ являются матрица и 
наполнитель.
Полимерная матрица (связующее после отверждения) представляет 
собой непрерывную фазу, толщина слоя которой может 
изменяться от 1 до 1000 мкм [4]. Матрица, объединяя все компоненты 
композита, обеспечивает монолитность материала. Она 
способствует равномерному распределению нагрузок между армирующими 
элементами, защищает их от внешних воздействий. Одновременно 
матрица останавливает рост трещин, проявляющихся 
при разрушении волокон вследствие относительно высокой пластичности 
или местного отслоения волокна от матрицы. 

Функция матрицы — перераспределить напряжения между 

соседними волокнами и остановить рост трещин. Последнее достигается 
в результате пластических (эластических) деформаций 
матрицы или местного отслоения волокон от матрицы. Кроме 

того, матрица во многом определяет такие характеристики КМ, 
как термоустойчивость, химическая стойкость, а также технологические 
приемы и режимы получения и переработки материалов 
в изделия [5, 10].
Для описания свойств полимерной матрицы используют понятие «
надмолекулярная структура» или «надмолекулярная организация», 
которое характеризует структуру, взаимное расположение 
в пространстве структурных элементов и особенности их 
взаимодействия. Надмолекулярная структура имеет размерность 
от нескольких ангстрем до микрона и даже миллиметра, и многие 
специалисты полагают, что эта структура является многоступенчатой. 
Она может быть стабильной или нестабильной, что связано 
с подвижностью соответствующих структурных элементов. Мерой 
кинетической стабильности является время жизни элемента. 
В настоящее время также используют термин «масштабные уровни 
структур», при этом выделяют наноструктурный уровень, который 
по сути и представляет собой надмолекулярную структуру [10–14].
Наполнители в ПКМ в большинстве случаев являются усиливающими (
армирующими) элементами, которые обеспечивают 
увеличение прочности и жесткости материала. Они оказывают 
существенное влияние на теплопроводность, теплостойкость, из-
носостойкость, значения коэффициента линейного термического 
расширения и т. д. 

Толщина волокнистого наполнителя может быть различной, 
например, для углеродного волокна она составляет 4…7 мм, тогда 
как толщина одной нити в таком углеродном волокне — 7…12 мкм. 
В зависимости от вида наполнителя КМ подразделяют на две основные 
группы: волокнистые (армированные непрерывными или 
дискретными волокнами) и дисперсно-упрочненные (наполненные 
дисперсными порошкообразными частицами), различающиеся 
структурой и механизмами образования высокой прочности. 
Свойства композиционного материала на границе раздела 

полимерная матрица — волокнистый наполнитель существенно 
отличаются от свойств каждого из компонентов. Граничный слой 
получил название межфазного слоя (или межфазной зоны), его толщина 
составляет несколько микрон.
Армированные синтетическими волокнами ПКМ нашли широкое 
применение при производстве различной техники, поскольку 
они отличаются от многих других материалов высокой 
удельной (по отношению к плотности) прочностью и жесткостью.  

По плотности γ, модулю упругости Е, кратковременной прочности 
при растяжении σ+ и при сжатии σ–, усталости σ–1, ползучести, 
демпфирующей способности и коррозионной стойкости углепластики 
при температуре до 250 °С превосходят стали, алюминиевые 
и титановые сплавы (табл. 1.1). Например, для металлов предел 
выносливости составляет 0,2–0,3 кратковременной прочности, 
тогда как для углепластиков, изготовленных с использованием 
высокомодульных волокон, предел выносливости достигает 0,5–
0,7 [11, 15, 16]. По удельной прочности углепластики в 2–4 раза 
превосходят металлы.

Таблица 1.1
Характеристики углепластиков и металлических сплавов

Материал
σ+, 
МПа
σ–, 
МПа
σ–1, 
МПа
Е,
ГПа
γ,  
кг/см3
Е/γ
σ/γ = 
= K

Углепластик c ориентацией 
волокон (0°)n
(анизотропная структура)


1700
1400
1100
145
1600
90,6
1062

То же (0°, 90°, ±45°)n
(псевдоизотропная 
структура)

550
520
230
51
1570
34
350

Алюминиевый сплав 
АК4-1
450
450
130
72
2700
27
170

Титановый сплав ВТ-8
1100
1000
500
120
4500
26
220

При инженерных расчетах качество волокнистых наполнителей, 
используемых в ПКМ, оценивают с помощью комплексной 
характеристики K, которая получила название удельной прочности 
(отношение предела прочности к плотности, см. табл. 1.1). Поскольку 
предел прочности измеряется в мегапаскалях (кг/м2), а 
плотность — в кг/м3, единицей измерения K является метр (чаще 
всего значение K выражают в километрах, и это значение соответствует 
длине волокна, которое порвется под действием собственного 
веса). Для большинства сталей и алюминиевых сплавов значение 
K ≤ 40 км, тогда как для стеклянных волокон K > 200 км, а 
для углеродных K > 400 км. Однако высокие значения удельной 
прочности ПКМ реализуются только в одном направлении, т. е. 
при нагружении вдоль волокон.