Композиционные материалы: классификация, технологии, опыт применения

А. С. НИЛОВ, В. И. КУЛИК 
КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ 
КЛАССИФИКАЦИЯ, ТЕХНОЛОГИИ, 
ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ
Учебник 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
1 

УДК 620.22:666.762.81:[678.029678.072678.079678.86] 
ББК 30.3 
Н66 
 
 
 
Рецензенты: 
зав. кафедрой «Технологии конструкционных материалов и производства  
ракетно-космической техники» Балтийского государственного технического университета 
«Военмех» им. Д. Ф. Устинова, к. т. н. А. Ю. Андрюшкин; 
д. т. н., профессор Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого  
А. П. Гаршин 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Нилов, А. С. 
Н66   
Композиционные материалы: классификация, технологии, опыт применения : учебник / А. С. Нилов, В. И. Кулик. - Москва ; Вологда :  
Инфра-Инженерия, 2024. - 428 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1824-9 
 
Рассматриваются основы классификации композиционных материалов, технологии их получения и опыт их практического применения при изготовлении изделий 
различного назначения из композитов. Приведены сведения об армирующих и матричных материалах различной природы, рассмотрены различные технологические 
процессы изготовления композиционных материалов с различными типами матриц. 
Для студентов технических вузов, инженеров-конструкторов и технологов, занимающихся созданием и внедрением различного рода композиционных материалов во 
всех отраслях машиностроения. Может быть полезно аспирантам, научным работникам и широкому кругу читателей.  
 
УДК 620.22:666.762.81:[678.029678.072678.079678.86] 
ББК 30.3 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1824-9 
” Нилов А. С., Кулик В. И., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 
 

 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
.......................................................................................................... 7 
1. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ 
КОНСТРУКЦИОННОГО НАЗНАЧЕНИЯ ............................................................... 9 
1.1. История создания и развития композиционных материалов .......................... 9 
1.2. Понятие о композиционных материалах ......................................................... 10 
1.3. Основы классификации композиционных материалов 
.................................. 12 
1.3.1. Классификация по химической природе компонентов КМ 
.................. 12 
1.3.2. Классификация по типам волокнистых аpмиpующих наполнителей . 13 
1.3.3. Классификация КМ по схемам армирования КМ 
.................................. 16 
1.4. Основные особенности композитов ................................................................. 19 
1.5. Место композитов среди материалов конструкционного назначения ......... 24 
1.5.1. Основные показатели эксплуатационных свойств конструкционных 
материалов ................................................................................................. 24 
1.5.2. Сравнение свойств композитов и традиционных конструкционных  
материалов ................................................................................................. 28 
2. ОБЩАЯ ХАPАКТЕPИСТИКА ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕPИАЛОВ  
ДЛЯ АPМИPОВАНИЯ КОМПОЗИТОВ ................................................................ 32 
2.1. Основные факторы, определяющие уровень свойств  
волокнистых материалов 
.................................................................................. 32 
2.2. Комплекс основных эксплуатационных  
и технологических свойств аpмиpующих волокон........................................ 33 
2.3. Стеклянные волокна 
........................................................................................... 36 
2.3.1. Технология производства стеклянных волокон 
..................................... 36 
2.3.2. Основные типы и свойства стекловолокон ............................................ 38 
2.3.3. Армирующие материалы на основе стеклянных волокон .................... 41 
2.4. Органические волокна ....................................................................................... 42 
2.4.1. Методы получения и свойства традиционных  
органических волокон .............................................................................. 42 
2.4.2. Органические волокна с высокими механическими  
и термическими свойствами .................................................................... 44 
2.5. Углеродные волокна .......................................................................................... 50 
2.5.1. Общие представления о структуре углеродных волокон ..................... 50 
2.5.2. Методы производства углеродных волокон  
............................................ 
51 
2.5.3. Классификация и свойства основных типов углеродных волокон 
......... 
57 
2.6. Боpные волокна .................................................................................................. 59 
2.7. Керамические волокна 
....................................................................................... 62 
2.7.1. Непрерывные керамические волокна 
...................................................... 62 
2.7.2. Нитевидные монокpисталлы 
.................................................................... 68 
3 
 

2.8. Металлические волокна и волокна с металлическими покрытиями ............... 
70 
2.8.1. Металлические волокна (проволоки) 
...................................................... 70 
2.8.2. Металлизиpованные волокна 
................................................................... 73 
3. ПОЛИМЕРНЫЕ МАТРИЦЫ ДЛЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ  
МАТЕРИАЛОВ ......................................................................................................... 75 
3.1. Термореактивные полимерные связующие  
.................................................... 76 
3.1.1. Общие сведения о термореактивных связующих 
.................................. 76 
3.1.2. Основные технологические показатели  
термореактивных связующих .................................................................. 78 
3.1.3. Состав термореактивных связующих ..................................................... 81 
3.1.4. Основные методы и технологические параметры  
отверждения связующих .......................................................................... 85 
3.1.5. Основные типы и свойства теpмоpеактивных связующих 
................... 88 
3.2. Термопластичные полимерные связующие  
.................................................. 102 
3.2.1. Общие сведения о термопластичных связующих ............................... 102 
3.2.2. Основные типы и свойства термопластичных матриц 
........................ 104 
4. ТЕХНОЛОГИЯ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ТЕРМОРЕАКТИВНЫХ 
ПОЛИМЕРНЫХ СВЯЗУЮЩИХ .......................................................................... 114 
4.1. Структура технологического процесса производства изделий  
из реактопластов, армированных волокном 
.................................................. 114 
4.2. Характеристика методов формования изделий  
из армированных реактопластов  ................................................................... 119 
4.2.1. Общие пpедставления о пpоцессах фоpмования аpмиpованных  
реактопластов .......................................................................................... 119 
4.2.2. Классификация методов фоpмования аpмиpованных  
реактопластов .......................................................................................... 121 
4.3. Технология производства изделий методом контактного формования  
(формование без давления) ............................................................................ 123 
4.3.1. Фоpмование ручной послойной укладкой листового  
армирующего матеpиала ........................................................................ 124 
4.3.2. Фоpмование напылением ....................................................................... 127 
4.3.3. Автоматизированная выкладка 
.............................................................. 129 
4.4. Методы открытого формования изделий при низком давлении 
................. 130  
4.4.1. Фоpмование эластичной пленкой 
.......................................................... 130 
4.4.2. Центpобежное фоpмование 
.................................................................... 139 
4.5. Закрытые методы формования  
....................................................................... 141 
4.5.1. Формование изделий методом горячего прессования......................... 141 
4.5.2. Фоpмование изделий методом литья под давлением 
.......................... 159 
4.5.3. Метод пpопитки наполнителя в замкнутой фоpме 
.............................. 164 
4.5.4. Метод теpмокомпpессионного фоpмования 
......................................... 167 
4.6. Метод производства профильных изделий  .................................................. 170 
4.6.1. Метод пултpузии ..................................................................................... 170 
4 
 

4.6.2. Пpофильное пpессование и экстpузия .................................................. 173 
4.7. Формование изделий методом намотки  
........................................................ 176 
4.7.1. Характеристика и классификация технологических методов  
формования изделий намоткой 
.............................................................. 176 
4.7.2. Технологические параметры процесса намотки .................................. 183 
4.7.3. Технологические схемы реализации методов намотки  ..................... 194 
4.7.4. Технологические оправки ...................................................................... 207 
4.8. Сравнительная технико-экономическая оценка различных  
методов формования 
............................................................................................... 
213 
5. ТЕХНОЛОГИЯ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ  
ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ СВЯЗУЮЩИХ 
5.1. Дисперсно-наполненные термопластичные композиционные  
материалы 
......................................................................................................... 217  
5.1.1. Основные типы дисперсных наполнителей  
для термопластичных матриц ................................................................ 217 
5.1.2. Совмещение компонентов в дисперсно-наполненных ТПКМ 
........... 220 
5.1.3. Общие пpедставления о методах фоpмования изделий  
из дисперсно-наполненных ТПКМ ....................................................... 222 
5.2. Волокнисто-армированные термопластичные полимерные  
композиционные материалы 
........................................................................... 223 
5.2.1. Совмещение компонентов в волокнисто-армированных ТПКМ 
....... 223 
5.3.2. Технологические методы получения изделий  
из волокнисто-армированных ТПКМ ................................................... 229 
6. ТЕХНОЛОГИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ  
С МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕЙ .................................................................... 245 
6.1. Классификация металломатричных композиционных материалов 
............ 245 
6.2. Методы получения и обработки металломатричных композитов .............. 247 
6.2.1. Жидкофазные процессы получения МКМ ........................................... 248 
6.2.2. Твердофазные методы получения МКМ .............................................. 260 
6.2.3. Физико-химические методы осаждения-напыления  
металлических покрытий на армирующий материал 
.......................... 274 
6.3. Основные типы МКМ и их характеристики  
................................................. 277 
7. ТЕХНОЛОГИЯ УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНЫХ  
КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 
.............................................................. 281  
7.1. Общая характеристика волокнисто-армированных УУКМ 
......................... 281 
7.2. Классификация УУКМ по схемам армирования .......................................... 282 
7.3. Технологические методы и процессы получения УУКМ ............................ 290 
7.3.1. Общая схема получения изделий из УУКМ 
......................................... 290 
7.3.2. Жидкофазные методы получения УУКМ 
............................................. 291 
7.3.3. Газофазные методы получения УУКМ 
................................................. 299 
7.3.4. Комбинированные методы получения УУКМ 
..................................... 308 
5 
 

7.3.5. Свойства УУКМ и возможности их повышения ................................. 309 
7.3.6. Нанесение защитных покрытий  
............................................................ 311 
8. ТЕХНОЛОГИЯ КЕРАМОМАТРИЧНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ  
МАТЕРИАЛОВ ....................................................................................................... 316 
8.1. Общая характеристика волокнисто-армированных КМК 
............................ 316 
8.2. Технологические методы и процессы получения  
керамических композиционных материалов  
............................................... 320 
8.2.1. Общая схема получения изделий из КМК 
............................................ 320 
8.2.2. Твердофазные методы ............................................................................ 322 
8.2.3. Жидкофазные методы 
............................................................................. 325 
8.2.4. Газо- и парофазные методы получения КМК ...................................... 343 
8.3. Сравнение различных методов получения КМК .......................................... 347 
9. ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ  
В ИЗДЕЛИЯХ ГРАЖДАНСКОГО И ОБОРОННОГО НАЗНАЧЕНИЯ 
............ 349 
9.1. Объективные причины развития и внедрения КМ  
в различных отраслях промышленности ...................................................... 349 
9.2. Опыт и перспективы применения КМ в различных отраслях  
промышленности 
............................................................................................. 353 
9.2.1. Авиационная техника ............................................................................. 353 
9.2.2. Ракетная и ракетно-космическая техника............................................. 366 
9.2.3. Применение КМ в сухопутных вооруженных силах 
........................... 388 
9.2.4. Судостроение 
........................................................................................... 394 
9.2.5. Автомобилестроение .............................................................................. 398 
9.2.6. Железнодорожный транспорт 
................................................................ 405 
9.2.7. Энергетика. .............................................................................................. 409 
9.2.8. Строительство 
.......................................................................................... 413 
9.2.9. Химическая промышленность и трубопроводный транспорт ........... 416 
9.2.10. Спортивная индустрия 
.......................................................................... 418 
 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 
.................................................................... 421 
6 
 

 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Развитие науки и техники в последние годы неразрывно связано с внедрением композиционных материалов (КМ). Наиболее широко КМ используются в 
несущих конструкциях различного назначения. Этот класс конструкционных 
материалов, появившись в начале 40-х годов, стремительно прошел путь от экзотических и перспективных до материалов, объем мирового производства которых достигает нескольких миллионов тонн в год и имеет устойчивую тенденцию к дальнейшему росту. Такой стремительный прогpесс связан прежде всего 
с высоким уровнем эксплуатационных хаpактеpистик КМ, что обеспечивает создание изделий с технико-экономическими показателями, как правило, превосходящими соответствующие показатели изделий из традиционных конструкционных материалов. КМ позволяют совершенствовать уже освоенные промышленностью изделия путем замены традиционных материалов и осваивать новые 
изделия, которые в принципе могут быть созданы только при использовании 
композиционных материалов. Причем, наибольший эффект от применения КМ 
достигается в высоконагруженных конструкциях, к которым предъявляются 
жесткие требования по снижению их массы (например, в аэрокосмической 
промышленности). 
Вместе с тем, существуют проблемы, которые с момента появления КМ затрудняли их практическое внедрение в несущих конструкциях. Так как они являются принципиально новым классом конструкционных материалов, их использование в изделиях потребовало разработки новых технологических методов и процессов производства, а также новых методов проектирования изделий. 
Кроме того, вопросы конструкторского и технологического проектирования изделий из КМ неразрывно связаны и чаще всего рассматриваются как единая задача конструкторско-технологического проектирования, в отличие от традиционных конструкционных материалов, для которых характерно четкое разделение этих задач. Все это приводит к тому, что специалисты в области конструирования и технологии традиционных материалов (прежде всего металлов и 
сплавов) не могут адекватно применять свои теоретические знания и практический опыт непосредственно и к композиционным материалам. Между тем, в зависимости от того, в какой степени при разработке изделия учтены особенности композиционных материалов, зависит их эффективность, степень реализации потенциальных возможностей, заложенных в КМ, и, в конечном счете, их 
конкурентоспособность по отношению к традиционными материалам.  
Очевидно, что современный специалист, работающий в машиностроении, 
должен обладать определенным уровнем знаний в области КМ конструкционного назначения, технологических методов их переработки и особенностей 
проектирования композитных изделий. Объем этих знаний должен быть достаточным, чтобы грамотно оценить возможности применения КМ в тех или иных 
изделиях и при необходимости провести их конструкторско-технологическое 
проектирование. Включение КМ в число рассматриваемых вариантов кон7 
 

струкционных материалов позволяет существенно расширить возможности создания наиболее конструктивно совершенных и экономичных изделий.  
Основная задача данного учебника ликвидировать существующий в настоящее время недостаток учебной литературы, посвященной основам технологии 
композиционных материалов. В этом учебнике рассмотрены общие представления и основные особенности КМ конструкционного назначения, дана их 
классификация, определены потенциальные возможности и место КМ среди 
традиционных конструкционных материалов. Необходимым элементом изучения технологии композиционных материалов является знакомство с компонентами, входящими в состав материала и, во многом, определяющих эксплуатационные свойства и технологические методы его переработки. Здесь рассматриваются основные типы волокнистых аpмиpующих наполнителей, а также полимерные связующие на основе термо- и реактопластов. Рассмотрены высокотемпературные композиционные материалы и технологии их получения на базе 
металлических, углеродных и керамических матриц. Проведен анализ текущего 
опыта применения различного рода композиционных материалов в изделиях 
гражданского и военного назначения. 
8 
 

 
1. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ  
О КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ  
КОНСТРУКЦИОННОГО НАЗНАЧЕНИЯ 
 
1.1. История создания и развития  
композиционных материалов 
 
Композиционный материал или просто композит - это материал, состоящий 
из двух или более компонентов, каждый из которых обладает различными физическими и химическими свойствами. При этом в сочетании друг с другом они 
создают новый материал или улучшают характеристики одного из них. 
Первым создателем КМ была природа. Стволы деревьев, кости животных, 
зубы имеют характерную волокнистую структуру. Она состоит из сравнительно 
пластичного матричного вещества и более твердых и прочных веществ, имеющих форму волокон. Например, древесина - это композиция, состоящая из пучков высокопрочных целлюлозных волокон трубчатого сечения, связанных 
между собой матрицей из органического вещества - лигнина, придающего древесине поперечную прочность. Древесина - природный анизотропный материал 
с различными свойствами. 
История использования и развития КМ связана с производственной деятельностью человека. В Библии упоминается, что за 4000-2000 лет до н. э. вавилоняне использовали в строительстве материалы на основе тростника, пропитанного битумом. Позже из них египтяне строили свои суда. В Азии более чем 
за 1000 лет до н. э. изготавливали луки, стрелы из композиционных материалов, 
в которых использовали древесину, слои рога, сухожилия животных, соединенных с помощью клея. Такие луки характеризовались большой убойной силой  
и радиусом действия. 
Первым же «официальным» композитным материалом стал железобетон, 
который появился в конце XIX века. На его примере легко объяснить принцип 
строения композитов. Железобетон включает в себя два компонента: металлическую сетку и бетон. Главное, что граница между ними хорошо различима. 
Это и есть основная характеристика любого композита - он состоит из нескольких материалов, но с четкой границей между ними. 
Первый патент на полимерный композиционный материал (ПКМ) был выдан в 1909 г. Он предусматривал упрочнение синтетических смол природными 
волокнами. Армировали первые ПКМ рубленными природными волокнами, 
целлюлозной бумагой, хлопчатобумажными и льняными тканями. Хотя о приоритете патента на ПКМ вопрос спорный. В описании технологии изготовления 
первого фанерного самолета братьями Уилбером и Орвиллом Райт, на котором 
они 17 декабря 1903 года совершили первый полет указано, что для защиты фанерных крыльев от дождя и других атмосферных воздействий их оклеивали 
пропитанной смолой тканью - а это и есть ПКМ. 
9 
 

Начиная с 1932 года компания Owens в США начала производство стекловолокон, в 1935 года она объединилась с компанией Corning с одной целью -  
массовое производство волокон. Объединенная компания получила название 
Owens-Corning Fibers. В Европе итальянец Бальцаретти Модильяни получил 
права на патенты Owens и передал их компании Saint-Gobain в 1939 году. 
В это же время, химические компании проводят активные исследования  
в области создания новых полимеров. Фенольные, мочевино- и анилиноформальдегидные смолы были разработаны в начале 30-х годов, вместе с ненасыщенными полиэфирными смолами, и были запатентованы в 1936 году.  
В Швейцарии П. Кастан получил первый патент на эпоксидные смолы и вскоре 
передал лицензию на патент одной из старейших химических компаний Ciba.  
Самое раннее применение изделий из стеклопластика состоялось в морской 
промышленности. Корабли из него стали делать в начале 40-х годов с целью заменить ими традиционные на тот момент деревянные и металлические лодки. 
Легкие, прочные композиты из стеклопластика не подвержены гниению и коррозии и просты в обслуживании. Высадка союзных войск в Нормандии в 1944 году 
состоялась в том числе и на кораблях из стеклопластика. 
В 1943 на военной базе ВВС США Райт-Паттерсон был запущен исследовательский проект по созданию структурных частей самолетов из композиционных материалов. Из них стали изготавливать кресла летчиков для учебных самолетов и облицовывать кабины. В результате первый такой самолет совершил 
полет уже в следующем году. 
В середине 50-х гг. ХХ в. ВВС США решили применить в авиастроении новый класс материалов - армированные КМ. Предстояло изучить возможности их 
изготовления на основе новых видов волокон с высокими прочностными и упругими характеристиками. Практическое производство борных и углеродных волокон обусловило возможность создания КМ на их основе. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) и ВВС 
США стали кураторами исследовательской и технологических программ. Реализация этих разработок позволила с начала 70-х гг. ХХ в. начать широкое применение КМ для производства летательных аппаратов. 
История развития современных КМ насчитывает чуть больше половины 
столетия, но успехи в этом направлении достигнуты значительные. Они 
нашли применение в самолетостроении и аэрокосмической промышленности, 
в автомобилестроении, в медицине и строительстве, в судостроении и производстве спортинвентаря, в быту и во многих других направлениях деятельности человека. 
 
1.2. Понятие о композиционных материалах 
 
Из определения композиционных материалов следует, что целью создания 
искусственных КМ является объединение схожих или различных по физикохимической природе компонентов для получения материала с новыми заданными свойствами и характеристиками, причем каждый из компонентов имеет 
10