Антология выдающихся достижений в науке и технике. Часть 41: Композиционные материалы: их классификация, технологии изготовления, свойства и области применения в современной технике

Приведен научно-технический обзор о состоянии, достижениях и перспективах развития работ отечественных и зарубежных ученых-материаловедов в области разработки и создания композиционных материалов, обладающих по сравнению с традиционными однородными материалами существенно более высокими физико-мех...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2017
1. Verfasser:	Баранов, М.И.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України 2017
Schriftenreihe:	Електротехніка і електромеханіка
Schlagworte:	Електротехніка. Визначні події. Славетні імена
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/147603
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Антология выдающихся достижений в науке и технике. Часть 41: Композиционные материалы: их классификация, технологии изготовления, свойства и области применения в современной технике / М.И. Баранов // Електротехніка і електромеханіка. — 2017. — № 6. — С. 3-13. — Бібліогр.: 22 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-147603
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1476032019-02-16T01:24:48Z Антология выдающихся достижений в науке и технике. Часть 41: Композиционные материалы: их классификация, технологии изготовления, свойства и области применения в современной технике Баранов, М.И. Електротехніка. Визначні події. Славетні імена Приведен научно-технический обзор о состоянии, достижениях и перспективах развития работ отечественных и зарубежных ученых-материаловедов в области разработки и создания композиционных материалов, обладающих по сравнению с традиционными однородными материалами существенно более высокими физико-механическими характеристиками. Описаны основные классификации, технологии получения, свойства и области применения подобных материалов-композитов в технике. Наведено науково-технічний огляд про стан, досягнення і перспективи розвитку робіт вітчизняних і зарубіжних вчених-матеріаловедів в галузі розробки і створення композиційних матеріалів, що володіють в порівнянні з традиційними однорідними матеріалами суттєво вищими фізико-механічними характеристиками. Описані основні класифікації, технології отримання, властивості і галузі застосування подібних матеріалів-композитів в техніці. Purpose. Preparation of brief scientific and technical review about the state, achievements and prospects of development of works domestic and foreign scientists-specialists on materials and technologists in area of development and creation of composite materials (compos). Methodology. Scientific methods of collection, analysis and analytical treatment of the opened scientific and technical information of world level in area of studies about materials, related to development of basic technologies of making of new perspective compos and their application in a modern technique. Results. A state-of-the-art scientific and technical review is resulted about the state, achievements and prospects on the future in the world of researches on development and creation of new metallic and nonmetal compos, possessing as compared to traditional homogeneous materials substantially more high physical and mechanical descriptions. Classification of compos is executed. Technologies of making of basic types of compos, findings a practical wide use enough in an aviation and space-rocket technique, engineering and row of the special areas of modern technique are briefly described. Main properties of basic types of compos and their advantage are indicated before traditional metals and alloys. The basic failings and technical application for today of different compos domains are resulted. Considerable progress is marked in technologies of making and volumes of the use in the front-rank areas of technique of compos. The possible nearest prospects are indicated in the use of compos on the future in a number of stormy developing in the whole world technical areas. Originality. Systematization of the scientific and technical materials, devoted the basic results of works on being in 2016 year of domestic and foreign specialists in area of development, making and application in the modern technique of the most perspective types of compos, known from the sources opened in outer informative space is executed. Practical value. Popularization and deepening for students, engineers and technical specialists and research workers of scientific and technical knowledges in the necessary area of development, creation and application in the modern technique of compos, extending their scientific range of interests and further development of scientific and technical progress in human society. 2017 Article Антология выдающихся достижений в науке и технике. Часть 41: Композиционные материалы: их классификация, технологии изготовления, свойства и области применения в современной технике / М.И. Баранов // Електротехніка і електромеханіка. — 2017. — № 6. — С. 3-13. — Бібліогр.: 22 назв. — рос. 2074-272X DOI: https://doi.org/10.20998/2074-272X.2017.6.01 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/147603 678.7: 621.3: 537.8: 910.4 ru Електротехніка і електромеханіка Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Електротехніка. Визначні події. Славетні імена Електротехніка. Визначні події. Славетні імена
spellingShingle	Електротехніка. Визначні події. Славетні імена Електротехніка. Визначні події. Славетні імена Баранов, М.И. Антология выдающихся достижений в науке и технике. Часть 41: Композиционные материалы: их классификация, технологии изготовления, свойства и области применения в современной технике Електротехніка і електромеханіка
description	Приведен научно-технический обзор о состоянии, достижениях и перспективах развития работ отечественных и зарубежных ученых-материаловедов в области разработки и создания композиционных материалов, обладающих по сравнению с традиционными однородными материалами существенно более высокими физико-механическими характеристиками. Описаны основные классификации, технологии получения, свойства и области применения подобных материалов-композитов в технике.
format	Article
author	Баранов, М.И.
author_facet	Баранов, М.И.
author_sort	Баранов, М.И.
title	Антология выдающихся достижений в науке и технике. Часть 41: Композиционные материалы: их классификация, технологии изготовления, свойства и области применения в современной технике
title_short	Антология выдающихся достижений в науке и технике. Часть 41: Композиционные материалы: их классификация, технологии изготовления, свойства и области применения в современной технике
title_full	Антология выдающихся достижений в науке и технике. Часть 41: Композиционные материалы: их классификация, технологии изготовления, свойства и области применения в современной технике
title_fullStr	Антология выдающихся достижений в науке и технике. Часть 41: Композиционные материалы: их классификация, технологии изготовления, свойства и области применения в современной технике
title_full_unstemmed	Антология выдающихся достижений в науке и технике. Часть 41: Композиционные материалы: их классификация, технологии изготовления, свойства и области применения в современной технике
title_sort	антология выдающихся достижений в науке и технике. часть 41: композиционные материалы: их классификация, технологии изготовления, свойства и области применения в современной технике
publisher	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
publishDate	2017
topic_facet	Електротехніка. Визначні події. Славетні імена
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/147603
citation_txt	Антология выдающихся достижений в науке и технике. Часть 41: Композиционные материалы: их классификация, технологии изготовления, свойства и области применения в современной технике / М.И. Баранов // Електротехніка і електромеханіка. — 2017. — № 6. — С. 3-13. — Бібліогр.: 22 назв. — рос.
series	Електротехніка і електромеханіка
work_keys_str_mv	AT baranovmi antologiâvydaûŝihsâdostiženijvnaukeitehnikečastʹ41kompozicionnyematerialyihklassifikaciâtehnologiiizgotovleniâsvojstvaioblastiprimeneniâvsovremennojtehnike
first_indexed	2025-07-11T02:28:31Z
last_indexed	2025-07-11T02:28:31Z
_version_	1837315829096513536
fulltext	Електротехніка. Визначні події. Славетні імена ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №6 3 © М.И. Баранов УДК 678.7: 621.3: 537.8: 910.4 doi: 10.20998/2074-272X.2017.6.01 М.И. Баранов АНТОЛОГИЯ ВЫДАЮЩИХСЯ ДОСТИЖЕНИЙ В НАУКЕ И ТЕХНИКЕ. ЧАСТЬ 41: КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ: ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ, ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ, СВОЙСТВА И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ В СОВРЕМЕННОЙ ТЕХНИКЕ Наведено науково-технічний огляд про стан, досягнення і перспективи розвитку робіт вітчизняних і зарубіжних вче- них-матеріаловедів в галузі розробки і створення композиційних матеріалів, що володіють в порівнянні з традиційни- ми однорідними матеріалами суттєво вищими фізико-механічними характеристиками. Описані основні класифікації, технології отримання, властивості і галузі застосування подібних матеріалів-композитів в техніці. Бібл. 22, рис. 6. Ключові слова: композиційні матеріали, основні технології отримання композитів, переваги композитів перед тради- ційними матеріалами, світові досягнення в створенні композитів. Приведен научно-технический обзор о состоянии, достижениях и перспективах развития работ отечественных и зарубежных ученых-материаловедов в области разработки и создания композиционных материалов, обладающих по сравнению с традиционными однородными материалами существенно более высокими физико-механическими ха- рактеристиками. Описаны основные классификации, технологии получения, свойства и области применения подоб- ных материалов-композитов в технике. Библ. 22, рис. 6. Ключевые слова: композиционные материалы, основные технологии получения композитов, преимущества компози- тов перед традиционными материалами, мировые достижения в создании композитов. Введение. Дальнейшее прогрессивное развитие в мире современной техники в машиностроительной, электротехнической, электроэнергетической, прибо- ростроительной, авиа- и ракетостроительной отраслях промышленности требует создания многообразных новых материалов с их все более высокими эксплуа- тационными свойствами. Ученые и специалисты из многих стран мира, занимающиеся в области мате- риаловедения исследованием поведения и экспери- ментальным установлением физико-технических ха- рактеристик различных металлов и сплавов, доста- точно давно пришли к заключению о том, что созда- ние неоднородных твердых композиций при правиль- ном выборе их исходных компонентов может приво- дить к получению новых материалов с их существен- но улучшенными по сравнению с известными одно- родными материалами механическими характеристи- ками. Подобные материалы в материаловедении по- лучили название композиционных. Согласно совре- менным представлениям композиционный материал (КМ) − это искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с четкой границей раздела между ними [1]. Одним из «древнейших» и поныне используемым во всем мире КМ является «булат», содержащий тон- чайшие слои (иногда нити) высокоуглеродистой ста- ли, которые «склеены» (соединены) между собой мяг- ким низкоуглеродистым железом [1]. После того, как в металловедении и физике металлов были научно объяснены причины их пластичности, упругости и прочности, а также достоверно установлены основные физико-химические пути заметного увеличения (уси- ления) показателей этих физических свойств [2], в ведущих материаловедческих лабораториях мира на- чались интенсивные системные разработки новых не- и металлических материалов с их значительно повы- шенными физико-механическими характеристиками. В последние десятилетия материаловеды промыш- ленно развитых стран мира активно занимаются на- учно-техническим поиском новых КМ, целенаправ- ленным созданием наиболее перспективных по своим физико-механическим свойствам для ряда бурно раз- вивающихся областей современной техники и сравни- тельно дешевых в производстве КМ (композитов). Целью статьи является составление краткого на- учно-технического обзора о состоянии, достижениях и перспективах развития в мире работ материалове- дов в области разработки и изготовления композитов. 1. Классификация композитов. В большинстве КМ, являющихся, как правило, многокомпонентными материалами, используемые в них компоненты (со- ставные части) можно разделить на матрицу (непре- рывную по всему объему КМ пластичную основу) и включенные в нее армирующие элементы (прерыви- стые по объему КМ упрочнители-наполнители), кото- рые обладают высокой прочностью, жесткостью, тер- мостойкостью и другими физическими свойствами [1-3]. Заметим, что матрица КМ обеспечивает моно- литность создаваемого материала, придает требуемую форму создаваемому изделию, осуществляет передачу механического напряжения от одной части среды на- полнителя к другой, защищает арматуру-упрочнитель от механического повреждения и обеспечивает меха- ническую и иную стойкость КМ в целом к различным внешним силовым воздействиям. Специалисты (мате- риаловеды и технологи), варьируя составами матриц и наполнителей, их процентным соотношением и про- странственной ориентацией арматуры-наполнителя в объеме КМ, в настоящее время могут получать весьма широкий спектр КМ с требуемым набором их свойств [1-3]. В этой связи все композиты по виду применяе- мой в КМ матрицы сейчас классифицируются на [1]:  композиты с полимерной матрицей;  композиты с металлической матрицей;  композиты с керамической матрицей;  композиты с системой типа «оксид-оксид». 4 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №6 По виду используемого в КМ наполнителя (ар- мирующей компоненты) существующие и вновь соз- даваемые композиты классифицируются на [1]:  композиты волокнистые (армирующие компо- ненты − волокнистые структуры из не- и металлов);  композиты слоистые (армирующие компоненты − отдельные слоистые структуры, рис. 1);  композиты типа «наполненные пластики» (арми- рующие компоненты − нано- и микрочастицы);  композиты насыпные, имеющие гомогенные диспергированные не- и металлические структуры;  композиты скелетные, в которых исходные структуры наполнены связующим материалом. Рис. 1. Схема расположения отдельных слоев в КМ [1] По типу упрочнителя-наполнителя волокнистые КМ классифицируются на следующие группы [2]:  стекловолокниты со стеклянными волокнами;  карбоволокниты с углеродными волокнами;  бороволокниты с борными волокнами;  органоволокниты с синтетическими нитями. Кроме того, КМ по геометрии входящего в их состав армирующего элемента-наполнителя подраз- деляются на следующие основные группы [4, 5]:  с нульмерными наполнителями (упрочнителями структуры), размеры которых в трех пространствен- ных измерениях имеют один и тот же порядок;  с одномерными наполнителями, один из разме- ров которых значительно превышает два других;  с двухмерными наполнителями, два любых раз- мера которых значительно превышают третий. По схеме расположения армирующего элемента- наполнителя КМ подразделяются на такие группы [4]:  с одноосным (линейным) расположением упроч- нителя-наполнителя в матрице в виде параллельных волокон, нитей и нитевидных монокристаллов;  с двухосным (плоскостным) расположением ар- мирующего упрочнителя-наполнителя, матов из ните- видных монокристаллов и металлических фольг в матрице с параллельным размещением их плоскостей;  с трехосным (объемным) расположением арми- рующего упрочнителя-наполнителя и отсутствием преимущественного направления в его расположении. По физической природе своих компонентов КМ подразделяются на следующие большие группы [4, 5]:  композиты, содержащие в своем составе компо- ненты из различных металлов или сплавов;  композиты, содержащие внутри себя компонен- ты из различных неорганических соединений (напри- мер, оксидов, карбидов, нитридов и др.);  композиты, содержащие компоненты из неме- таллических элементов (включая углерод, бор и др.);  композиты, содержащие компоненты из органи- ческих соединений (например, эпоксидные, поли- эфирные, фенольные смолы и иные химсоединения). Как видим, КМ имеют достаточно обширную классификацию. В дальнейшем более подробно оста- новимся на некоторых из перечисленных композитов. 2. Основные технологии получения компози- тов. Рассмотрим ряд композитов, приведенных выше. 2.1. Волокнистые композиты. Механические характеристики таких КМ определяются свойствами используемых в их составе большого числа парал- лельных непрерывных волокон. В каждом слое КМ волокна могут быть при этом сотканы в ткань, кото- рая представляет собой исходную форму, размеры которой соответствуют геометрическим параметрам конечного материала [1-5]. Матрица такого композита должна перераспределять механические напряжения между армирующими волокнами. Поэтому прочность и модуль упругости применяемых в таком композите волокон должны быть значительно больше, чем проч- ность и модуль упругости матрицы. Жесткие арми- рующие волокна воспринимают механические напря- жения, возникающие в композите при его силовом нагружении, а также придают ей прочность и жест- кость в направлении ориентации волокон. Например, для упрочнения алюминия, магния и их сплавов в этом случае применяют борные волокна, а также во- локна из тугоплавких соединений (например, карби- дов, нитридов, боридов и оксидов), имеющих высокие прочность и модуль упругости. Нередко используют в качестве волокон проволоку из высокопрочных ста- лей [1-5]. Для рассматриваемых КМ при армировании титана и его сплавов применяют молибденовую про- волоку, волокна сапфира, карбида кремния и борида титана. Повышение жаропрочности никелевых спла- вов достигается армированием их вольфрамовой или молибденовой проволокой [1-5]. Металлические во- локна используют и в тех случаях, когда для созда- ваемого композита требуются высокие показатели теплопроводности и электропроводности. Перспек- тивными упрочнителями-наполнителями для высоко- прочных и высокомодульных волокнистых КМ явля- ются нитевидные кристаллы из оксида и нитрида алюминия, карбида и нитрида кремния, карбида бора и др. [1-5]. Композиты на металлической основе об- ладают высокой прочностью и жаропрочностью. В то же время они мало пластичны. Однако армирующие волокна в КМ уменьшают скорость распространения по нему (композиту) трещин, зарождающихся в мат- рице. Это практически полностью исключает внезап- ное хрупкое разрушение КМ. Отличительной особен- ностью волокнистых одноосных КМ являются их ани- зотропия механических свойств вдоль и поперек во- локон и малая чувствительность к концентраторам механического напряжения. Анизотропия свойств волокнистых композитов учитывается при конструи- ровании из них деталей машин (аппаратов) для опти- ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №6 5 мизации свойств КМ путем согласования поля сопро- тивления с полями механических напряжений в нем. Было установлено, что армирование алюминиевых, магниевых и титановых сплавов непрерывными туго- плавкими волокнами бора, карбида кремния, борида титана и оксида алюминия значительно повышает их жаропрочность [1-5]. Так, сплавы алюминия, армиро- ванные волокнами бора, можно надежно эксплуати- ровать при температурах до (450-500) °С вместо (250-300) °С [1-5]. Основным недостатком компози- тов с одно- и двухмерным армированием их волокна- ми является низкое сопротивление КМ межслойному сдвигу и поперечному обрыву. Этого лишены мате- риалы с объемным армированием их волокнами [1-5]. 2.2. Дисперсно-упрочненные композиты. В от- личие от волокнистых КМ в дисперсно-упрочненных композитах матрица является основным элементом, несущим внешнюю силовую нагрузку, а их наполни- тели (дисперсные частицы) тормозят движение в ней (матрице) дислокаций. В таких КМ высокая проч- ность достигается при размере дисперсных частиц (10-500) нм, а также при среднем расстоянии между ними (100-500) нм и равномерном распределении их в матрице [1-5]. В этих композитах прочность и жаро- прочность в зависимости от объемного содержания упрочняющих фаз в их матрице не подчиняются зако- ну аддитивности. Оптимальное содержание второй фазы в матрице для различных металлов в указанных КМ неодинаково, но обычно не превышает (5-10) % от объема материала матрицы [1]. Использование в качестве упрочняющих фаз стабильных тугоплавких соединений (например, оксидов тория, гафния, ит- трия, сложных соединений оксидов и редкоземельных металлов), не растворяющихся в матричном металле композита, позволяет сохранить высокую прочность материала КМ до температур, приближающихся к температуре плавления металла матрицы [1]. В связи с этим такие КМ чаще всего применяют как жаро- прочные материалы. Дисперсно-упрочненные компо- зиты могут быть получены на основе большинства применяемых в настоящее время в технике металлов и сплавов (например, алюминия, магния, никеля, меди и др.) [1-5]. Наиболее широко в качестве подобных КМ используют сплавы на основе алюминия − САП (спеченный алюминиевый порошок с оксидом Al2O3) [1]. Плотность этих КМ практически равна плотности алюминия. Они не уступают ему по коррозионной стойкости и даже могут заменять титан и коррозион- но-стойкие стали при работе в интервале температур (250-500) С. По длительной прочности они превос- ходят деформируемые алюминиевые сплавы. Так, длительная прочность для сплавов типа САП-1 и САП-2 при 500 С составляет (45-55) МПа [1]. По мнению материаловедов, большие перспективы у ни- келевых дисперсно-упрочненных материалов. Ими было установлено, что наиболее высокую жаропроч- ность имеют сплавы на основе никеля с (2-3) % дву- оксида тория или двуоксида гафния [1-5]. Широкое применение среди рассматриваемых КМ получили сплавы типа ВДУ-1 (никель, упрочненный двуокисью тория), типа ВДУ-2 (никель, упрочненный двуокисью гафния) и типа ВДУ-3 (матрица из никеля Ni плюс 20 % по объему хрома Cr, упрочненная окисью тория ThO). Эти сплавы обладают высокой жаропрочно- стью. Следует отметить то, что введение в эти КМ (5-10) % армирующих наполнителей (тугоплавких оксидов, нитридов, боридов и карбидов) приводит к повышению сопротивляемости их металлической мат- рицы силовым нагрузкам. При этом эффект увеличе- ния прочности материала сравнительно невелик. Од- нако, ценным здесь является увеличение жаропрочно- сти получаемого композита по сравнению с исходной матрицей. Так, введение в жаропрочный хромонике- левый сплав тонкодисперсных порошков оксида то- рия или оксида циркония позволяет увеличить темпе- ратуру, при которой изделия из этого сплава способ- ны к длительной работе, с 1000 до 1200 °С [1-5]. Ука- жем, что дисперсно-упрочненные металлические композиты получают путем введения порошка напол- нителя в расплавленный металл или методами по- рошковой металлургии [1-5]. Дисперсно-упрочненные КМ, также как и волокнистые композиты, стойки к разупрочнению с повышением воздействующей на них температуры и к длительности выдержки силово- го нагружения [1-5]. 2.3. Стекловолокниты. Данный композит пред- ставляет собой композицию, состоящую из синтети- ческой смолы, являющейся связующим, и стеклово- локнистого наполнителя-упрочнителя. При этом в качестве наполнителя обычно применяют непрерыв- ное или короткое стекловолокно [1, 2]. Было установ- лено, что прочность стекловолокна резко возрастает с уменьшением его диаметра. Объясняется эта особен- ность устранением влияния на прочностные свойства тонких стекловолокон неоднородностей и трещин, возникающих в толстых (с большим поперечным се- чением) стекловолокнах. Отметим, что свойства стек- ловолокна зависят также от содержания в его составе щелочи. Лучшие прочностные показатели у бесще- лочных стекол алюмоборосиликатного состава [1-5]. Стеклянные волокна обычно выполняются в виде ни- тей, жгутов (ровингов), стеклотканей (рис. 2), стекло- матов и рубленых волокон [1]. Связующим в этих КМ являются полиэфирные, феноло-формальдегидные, эпоксидные и кремнийорганические смолы, полиими- ды, алифатические полиамиды, поликарбонаты и др. Рис. 2. Общий вид фрагмента оригинальной стеклоткани типа Parabeam 3D Glass fabric, состоящей из двух сотканных гори- зонтально размещенных параллельных стеклопластин, свя- занных друг с другом вертикальным стекловорсом, и обра- зующей так называемую «сэндвич-стеклоструктуру» [6] 6 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №6 Неориентированные стекловолокниты содержат в качестве наполнителя короткое стекловолокно. Это позволяет прессовать детали сложной формы, вклю- чающие и металлическую арматуру [1]. КМ при этом получается с изотропными прочностными характери- стиками, которые являются намного более высокими, чем у пресс-порошков. Известными представителями такого композита являются стекловолокниты типа АГ-4В, а также типа ДСВ (дозирующиеся стеклово- локниты) [1-6]. Их широко применяют для изготовле- ния силовых электротехнических деталей и деталей машиностроительных изделий (например, золотни- ков, уплотнений электронасосов и др.). При использо- вании в этих стекловолокнитах в качестве связующе- го непредельных полиэфиров получают премиксы типа ПСК (пастообразные) и препреги типа АП и ППМ (на основе стеклянного мата) [1]. Препреги можно применять для изготовления легких крупнога- баритных изделий простых форм (например, кузовов автомашин, корпусов лодок и ряда приборов) [1-6]. Ориентированные стекловолокниты содержат наполнитель-упрочнитель в виде длинных стеклово- локон, располагающихся в КМ ориентированно от- дельными прядями и тщательно склеивающихся свя- зующим веществом. Такая технология их изготовле- ния обеспечивает по сравнению с неориентированны- ми стекловолокнитами более высокую прочность по- лучаемого стеклопластика [1-6]. Эти КМ могут на- дежно работать при воздействующих на них темпера- турах от «минус» 60 °С до «плюс» 200 °С. Они спо- собны выдерживать тропические атмосферные усло- вия и большие инерционные перегрузки [1]. Известно, что проникающие ионизирующие излучения мало влияют на их механические и электрические свойства. 2.4. Карбоволокниты. Этот вид композита со- держит связующую полимерную матрицу (на основе фенолформальдегидной или иной смолы) и упрочни- тель-наполнитель в виде углеродного волокна (Carbon fiber) [1-6]. Углеродное волокно является новым ма- териалом, состоящим из тонких нитей диаметром от 3 до 15 мкм, образованных преимущественно атомами углерода. Атомы углерода (carbon) в указанных нитях объединены в микроскопические кристаллы, выров- ненные параллельно друг другу. Выравнивание дан- ных кристаллов придает углеродному волокну боль- шую прочность на растяжение. Углеродные волокна характеризуются высокой силой натяжения, низким удельным весом, низким коэффициентом температур- ного расширения и химической инертностью [7]. Уг- леродные волокна получают из синтетических и при- родных волокон на основе целлюлозы, сополимеров и акрилонитрила [1, 7]. При их изготовлении использу- ется термическая обработка волокна. Проводится она, как правило, в три этапа [7]: 1 этап − окисление при температуре 220 °С; 2 этап − карбонизация при тем- пературах (1000–1500) °С; 3 этап − графитизация при температурах (1800–3000) °С). Такая технология при- водит к образованию волокон, характеризующихся высоким содержанием в них углерода (до 99,5 % по массе). Высокая энергия связи атомов в углеродных волокнах позволяет им сохранять свою прочность при очень высоких температурах (в нейтральной среде до 2200 °С), а также и при низких температурах [1-7]. От окисления поверхности углеродные волокна предо- храняют защитными пиролитическими покрытиями. В отличие от стеклянных волокон карбоволокна из-за низких показателей своей поверхностной энергии плохо смачиваются применяемым в технологиях их изготовления связующим (матрицей). Поэтому эти волокна перед их заливкой связующим подвергаются травлению [1, 7]. При этом увеличивается степень активирования углеродных волокон по содержанию карбоксильной группы на их наружной поверхности. Из-за этого межслойная прочность при сдвиге для углепластиков увеличивается в 1,6-2,5 раза [1]. Кроме того, при изготовлении рассматриваемых КМ приме- няется вискеризация нитевидных кристаллов углерода оксидом титана TiO, что обеспечивает увеличение межслойной жесткости углепластиков до двух раз и прочности почти в 2,8 раза [1]. Часто при изготовле- нии карбоволокнитов (углепластов) применяются пространственно-армированные структуры. В этом случае связующими (матрицами) служат синтетиче- ские полимеры, что обуславливает и название полу- чаемых при этом композитов − полимерные карбово- локниты. В случае, когда в процессе изготовления КМ синтетические полимеры подвергаются пиролизу по- лучаемые композиты называются коксованными кар- боволокнитами. При использовании в технологии производства рассматриваемых композитов пироли- тического углерода получаемые с его помощью КМ носят название пироуглеродных карбоволокнитов [7]. Эпоксифенольные карбоволокниты типа КМУ-1л могут длительно работать при температуре до 200 °С. Карбоволокниты типа КМУ-3 и КМУ-2л получают на основе эпоксианилиноформальдегидного связующего, выполняющего роль полимерной матри- цы. Эти композиты считаются наиболее технологич- ными карбоволокнитами. Их можно надежно экс- плуатировать при температурах до 100 °С. Карбово- локниты типа КМУ-2 и КМУ-3л на основе полиамид- ного связующего можно применять при температурах до 300 °С. Карбоволокниты отличаются высоким ста- тистическим и динамическим сопротивлением уста- лости. Они сохраняют это свойство при нормальной и низкой температурах (высокая теплопроводность во- локна предотвращает саморазогрев КМ за счет внут- реннего трения). Они являются водо- и химически стойкими. После воздействия на воздухе рентгеновско- го излучения их свойства почти не изменяются [1-7]. В настоящее время одним из направлений в по- лучении новых КМ является изготовление карбово- локнитов с углеродной матрицей. При температурах (800-1500) °С образуются карбонизированные, а при (2500-3000) °С − графитированные карбоволокниты [1, 7]. Для получения пироуглеродных материалов упрочнитель выкладывается по форме изделия и по- мещается в печь, через атмосферу которой пропуска- ется газообразный углеводород (обычно метан СН4). При определенном режиме (температуре 1100 °С и остаточном давлении 2660 Па) метан разлагается и образующийся пиролитический углерод осаждается на волокнах упрочнителя, связывая их. Отметим, что образующийся при пиролизе связующего кокс имеет ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №6 7 высокую прочность сцепления с углеродным волок- ном. В связи с этим получаемый таким путем КМ об- ладает высокими механическими и абляционными свойствами, а также высокой стойкостью к термиче- скому удару. Карбоволокнит с углеродной матрицей типа КУП-ВМ по значениям прочности и ударной вязкости в 5-10 раз превосходит специальные графи- ты [1, 7, 8]. При нагреве в инертной атмосфере и ва- кууме он сохраняет свою прочность до температур около 2200 °С. На воздухе он окисляется, начиная с температур 450 °С, и требует защитного покрытия. Основными преимуществами карбоволокнитов перед стекловолокнитами является их более низкая плотность и более высокий модуль упругости [7]. Углепласты легки, прочны и имеют практически нулевой коэффициент линейного расширения. Все типы углепластиков хорошо проводят через себя электричество. Из углепластов делают высокотем- пературные узлы двигателей ракетной техники и высокоскоростных самолетов, тормозные колодки и диски для реактивных самолетов и многоразовых космических кораблей и узлы электротермического оборудования [8]. 2.5. Бороволокниты. Данный КМ представляет собой композицию, выполненную из полимерного связующего (матрицы) и борных волокон (наполните- ля). Бороволокниты (боропластики или боропласты) отличаются высокой прочностью при сжатии, сдвиге и срезе, низкой ползучестью, высокими показателями твердости и модуля упругости, а также теплопровод- ности и электропроводности [1-8]. Ячеистая микро- структура борных волокон обеспечивает высокую прочность КМ при сдвиге на границе их раздела с его матрицей. В технологии изготовления этого компози- та помимо непрерывного борного волокна применяют также комплексные боростеклониты, в которых не- сколько параллельных борных волокон оплетаются стеклонитью, предающей им формоустойчивость. Применение боростеклонитей облегчает технологиче- ский процесс изготовления рассматриваемого КМ. В качестве матриц для получения бороволокнитов ис- пользуют модифицированные эпоксидные и поли- амидные связующие. Бороволокниты типа КМБ-1 и КМБ-1к предназначены для длительной работы при температуре до 200 °С, а типа КМБ-3 и КМБ-3к не требуют высокого давления при переработке и могут работать при температуре не выше 100 °С. Борово- локнит типа КМБ-2к работоспособен при температуре до 300 °С [1-8]. Бороволокниты обладают высокими показателями сопротивления усталости. Они стойки к воздействию проникающей радиации, воды, органи- ческих растворителей и различных горюче-смазочных материалов. Кроме того, для бороволокнитов проч- ность при сжатии в 2-2,5 раза больше, чем для карбо- волокнитов [1]. В тоже время высокая хрупкость бо- ропластов затрудняет их обработку и накладывает ограничения на форму изделий, получаемых из боро- волокнитов. Технологической особенностью получе- ния борных волокон является то, что необходимый бор для них осаждают из хлорида бора на вольфрамо- вую матрицу-подложку, стоимость которой может достигать до 30 % от стоимости получаемого борного волокна [1, 8]. В связи с чем стоимость борного во- локна на сегодня высока и достигает 400 $USA/кг [8]. 2.6. Органоволокниты. Эти КМ представляют собой композиты, состоящие из полимерного свя- зующего (матрицы) и упрочнителей (наполнителей) в виде синтетических волокон. Органоволокниты обла- дают малой массой, сравнительно высокими показа- телями удельной прочности и жесткости. Они ста- бильны при действии знакопеременных нагрузок и резкой смены температуры [1-8]. В органоволокнитах значения модуля упругости и температурных коэф- фициентов линейного расширения упрочнителя (син- тетических волокон) и связующего (полимерных со- единений на основе эпоксидных и других смол) близ- ки. Поэтому при их изготовлении происходит диффу- зия компонентов связующего в используемое волокно и химическое взаимодействие между ними. Структура получаемого синтетического материала оказывается практически бездефектной [1, 7]. Ее пористость не превышает (1-3) %. Для сравнения заметим, что в других КМ пористость достигает значений (10-20) % [1, 7]. Ударная вязкость у органоволокнитов высокая и равная около (400-700) Па·с [1, 7]. Отсюда и выте- кает стабильность механических свойств органово- локнитов при резком перепаде температур, воздейст- вии ударных и циклических силовых нагрузок. Орга- новолокниты устойчивы к действию агрессивных сред и влажного тропического климата. Диэлектриче- ские свойства их высокие, а теплопроводность низкая. Большинство органоволокнитов может длительно работать при температурах (100-150) °С. На основе полиамидного связующего и полиоксадиазольных волокон они способны надежно функционировать при температурах (200-300) °С [1, 7]. Недостатком этих композитов является их сравнительно низкая механи- ческая прочность при сжатии и высокая ползучесть. 2.7. Полимерные нанокомпозиты. Данный вид КМ представляет собой полимеры, наполненные на- ночастицами, взаимодействующими с полимерной матрицей не на макроуровне (как в случае с обычны- ми композитами), а на молекулярном уровне [9]. Бла- годаря такому взаимодействию образуется композит, обладающий высокой адгезионной прочностью поли- мерной матрицы к наночастицам. Как известно, нано- частицы имеют линейные размеры не более 100 нм в одном из трех пространственных измерений [10]. Анализ проведенных в последние годы отечествен- ных и зарубежных работ свидетельствует о высокой перспективности исследований в области полимерных нанокомпозитных материалов [9]. К сожалению, эти работы содержат много технологических «ноу-хау» и доступ к ним в настоящее время крайне ограничен [2]. 2.8. Интерметаллиды. Такое название в мате- риаловедении получили новые химические соедине- ния на основе композиций типа «титан-алюминий», «никель-алюминий» и др. [9]. Считается, что именно интерметаллиды, как новый класс конструкционных материалов, способны привести к революционным решениям при разработке и создании перспективных изделий для ракетно-космической техники. Эти ком- позиты имеют сравнительно низкую плотность − от 3,7 до 6,0 г/см3 и обладают высокой жаропрочностью 8 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №6 (до 1200 °С) [9]. Кроме того, они характеризуются высокими показателями коррозионной стойкости, жаростойкости и износостойкости. Интерметаллид- ные сплавы на основе титана могут работать до тем- пературы 850 °С без защитных покрытий. Сплавы же на основе никеля − до 1500 °С [9]. По мнению спе- циалистов использование интерметаллидов в двига- тельных установках (например, для ротора, статора, крыльчатки, клапанной группы, неохлаждаемых со- пел и др.) позволит повысить удельную тягу двигате- лей на (25-30) %, а также обеспечить снижение массы конструкций двигательных установок до 40 % [2, 9]. 2.9. Эвтектические композиты. Этот вид КМ является сплавом эвтектического или близкого к эв- тектическому состава, в котором в качестве упроч- няющей фазы выступают ориентированные кристал- лы, образующиеся в процессе направленной кристал- лизации [8]. В отличие от обычных КМ, эвтектиче- ские композиты получают за одну технологическую операцию. Направленная ориентированная кристал- лическая структура может быть получена на финаль- ной стадии выпуска изделия. Геометрическая форма образующихся при выполнении соответствующей операции кристаллов может быть в виде волокон или пластин. Способами направленной кристаллизации уже получают композиты на основе алюминия, маг- ния, меди, кобальта, титана, ниобия и других химиче- ских элементов [8]. Поэтому эти композиты могут использоваться в широком интервале температур [2]. 2.10. Композиты на основе керамики. Армиро- вание керамических материалов (матриц) волокнами, а также металлическими и керамическими дисперс- ными частицами позволяет получать высокопрочные композиты [8]. В качестве упрочнителя-наполнителя при этом зачастую применяют металлические волок- на. В этом случае сопротивление растяжению растет незначительно, но зато существенно повышается со- противление тепловым ударам. Из-за чего керамиче- ский материал меньше растрескивается при своем нагревании. Свойства получаемого таким путем КМ будет зависеть от соотношения коэффициентов тер- мического расширения его матрицы и наполнителя. Армирование керамики дисперсными металлически- ми частицами обеспечивает получение нового вида материала − кермета, обладающего повышенной ме- ханической стойкостью, теплопроводностью и устой- чивостью к тепловым ударам [8, 11]. В этих обоих случаях керамические композиты получают методом горячего прессования (таблетирование с последую- щим спеканием под давлением) или методом шликер- ного литья (волокна наполнителя заливаются суспен- зией матричного материала, которая после сушки подвергается спеканию в специальных печах) [2, 11]. 2.11. Функционально-градиентные материа- лы. Такие новые виды композитов как функциональ- но-градиентные материалы (ФГМ) являются сплава- ми, состоящими из твердых зерен карбидов, нитридов и боридов переходных металлов (например, карбид вольфрама, карбид титана, карбонитрид титана, дибо- рид титана и др.), образующих прочный непрерывный каркас (матрицу), и металлической связки (из кобаль- та, никеля, титана, алюминия и др.), содержание ко- торой непрерывно изменяется в объеме такого КМ [12]. Практическая реализация слоистой структуры ФГМ обеспечивается послойным прессованием твер- досплавных пресс-порошков с различным содержани- ем указанной выше металлической связки и различ- ным размером зерна твердой фазы с последующим вакуумным спеканием. При этом в рассматриваемом КМ будет наблюдаться массоперенос металлической связки в ходе жидкофазного спекания из слоя с боль- шим размером зерна в слой с меньшим размером зер- на, приводящий к градиенту содержания ее в сплаве. Такая технология изготовления КМ дает возможность управлять градиентом в системе «каркас-связка» для рассматриваемого композита при помощи изменения ее (металлической связки) концентрации в прессуе- мых слоях ФГМ. В результате ФГМ обладают свойст- вами как твердого сплава, так и металла. Поэтому такие композиты имеют высокую твердость, термиче- скую стойкость и большую ударную вязкость [2, 12]. 3. Основные свойства и технические характе- ристики композитов. Остановимся на преимущест- вах, свойствах и недостатках ряда указанных КМ. 3.1. Преимущества композитов. Главное пре- имущество КМ перед традиционными конструкцион- ными материалами состоит в том, что в процессе из- готовления того или иного композита материал и кон- струкция изделия создаются одновременно [1-5]. КМ специалистами всегда создается под конкретные тех- нические задачи и для конкретного изделия. Поэтому композит по своей сути не может быть всегда априо- ри лучше традиционного материала во всем. Основ- ными достоинствами большинства известных в мире композитов являются их следующие свойства [1-9]:  высокая механическая прочность (при времен- ном сопротивлении до 3500 МПа);  высокая механическая жесткость (при модуле упругости от 130 до 240 ГПа);  высокая коррозионная стойкость в агрессивных средах и износостойкость конструкций из КМ;  высокая усталостная механическая прочность;  высокая тепло- и жаростойкость (до 1650 °С);  высокие теплозащитные свойства КМ;  низкий коэффициент теплового расширения;  низкие показатели плотности и весовых (массо- вых) характеристик, обуславливающие легкость кон- струкций, изготовленных с применением КМ;  возможность изготовления из КМ размероста- бильных конструкций различного назначения. 3.2. Некоторые свойства боропластиков. Од- ними из наиболее перспективных КМ в области само- лето- и ракетостроения являются бороволокниты, вы- полненные с применением армирующего борного волокна и эпоксидных матриц [13]. По результатам зарубежных исследований использование боропла- стов позволяет уменьшить вес готовой конструкции летательного аппарата (ЛА) на (20-40) %, значительно увеличить ее жесткость и повысить эксплуатацион- ную надежность изделия в целом [13]. Соотношения удельных прочностей боропластов и, например, ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №6 9 алюминиевых сплавов для растяжения составляют 1,3-1,9, для сжатия − 1,5, для сдвига − 1,2, а для смятия − 2,2 [13]. Кроме того, боропластики сохраняют свои ка- чества в диапазоне температур от −60 до +177 °С [2, 13]. 3.3. Некоторые свойства углепластиков. Из- вестно, что углепластики характеризуются сравни- тельно малым удельным весом (до 1,5 г/см3, тогда как плотность алюминиевых сплавов составляет около 2,8 г/см3, а титановых сплавов − 4,5 г/см3 [13]), высо- кими значениями жесткости, вибропрочности и уста- лостной прочности [1-9]. Согласно данным [13] меха- ническая прочность и жесткость углепластиков при- мерно в шесть раз выше, чем у основных сортов стали, используемых в конструкциях ЛА. Углепласты радио- прозрачны (хорошо пропускают сквозь себя электро- магнитные волны) [1-9]. Карбоволокниты (углепласти- ки) с углеродной матрицей (при удельном весе до 1,4 г/см3) обладают высокими теплозащитными свойства- ми и способностью сохранять свои прочностные ха- рактеристики при температурах до 2500 С [7, 13]. 3.4. Некоторые свойства бороалюминия. В этом КМ с матрицей из алюминиевых сплавов в каче- стве армирующего наполнителя используются волок- на бора (иногда с покрытием из карбида кремния SiC) [13]. Бороалюминий в 3,5 раза легче алюминия и в два раза прочнее его, что позволяет получать значитель- ную весовую экономию для ряда конструкций ЛА. Кроме того, при высоких температурах (до 430 °С) бороалюминиевый композит имеет в два раза боль- шие значения механической прочности и жесткости по сравнению с титаном [13]. Поэтому бороалюминий может составить конкуренцию титану при его исполь- зовании в сверхзвуковых самолетов со скоростями полета около трех чисел Маха (в настоящее время в качестве конструкционного материала в таких ЛА используются исключительно титановые сплавы) [13]. 3.5. Недостатки композитов. Все известные на сегодня в мире КМ имеют ряд существенных недос- татков, сдерживающих их более широкое применение в различных областях современной техники [1-9]:  высокая стоимость, которая обусловлена высо- кой наукоемкостью производства КМ, необходимо- стью применения в технологии изготовления КМ спе- циального дорогостоящего оборудования и сырья;  анизотропия свойств, приводящая к зависимости физико-механических характеристик КМ от выбора направления их измерения в готовом изделии;  низкая ударная вязкость, обуславливающая вы- бор для изделия повышенного коэффициента запаса прочности и как следствие этого − повышенный рас- ход дорогостоящего КМ и повышенная вероятность возникновения в изделии скрытых дефектов;  высокий удельный объем КМ в изделии, который недопустим в областях с жестким ограничением за- нимаемого объема (например, при создании сверхзву- ковых самолетов, для которых даже незначительное увеличение объема элементов приводит к резкому росту волнового аэродинамического сопротивления);  гигроскопичность, обусловленная несплошно- стью внутренней структуры КМ и соответственно склонностью к впитыванию атмосферной влаги;  токсичность, обусловленная выделением из структуры КМ в процессе их длительной эксплуата- ции вредных для здоровья человека токсичных паров;  низкая эксплуатационная технологичность, при- водящая к низкой ремонтопригодности композитов и высокой стоимости эксплуатации изделий, в конст- рукциях деталей которых применяются КМ. 4. Основные области применения композитов в технике. Области использования КМ не ограниче- ны. Внедрение композитов в современную технику обеспечивает новый качественный скачок в увеличе- нии мощности двигателей, энергетических установок и транспортных средств, уменьшении веса (массы) машин и приборов. Практическое применение КМ в современной технике рассмотрим на ряде примеров. 4.1. Авиационная и ракетно-космическая тех- ника. КМ с металлической матрицей, армированные нитевидными монокристаллами («усами»), были соз- даны в начале 1970-х годов целенаправленно для авиационных и космических конструкций ЛА [8]. Ни- тевидные кристаллы для композитов получают мето- дом протягивания соответствующего расплава через фильеры. Для указанных технических целей исполь- зуются «усы» сапфира (оксида алюминия Al2O3) и бериллия, карбидов бора и кремния, а также нитридов алюминия, кремния и других химических элементов длиной (0,3-15) мм и диаметром (1-30) мкм [8, 11]. Армирование «усами» многих металлов позволяет значительно увеличить прочность создаваемого мате- риала и повысить его жаростойкость. Так, предел те- кучести композита из серебра, содержащего 24 % «усов» из оксида алюминия, в 30 раз превышает пре- дел текучести серебра и в два раза других КМ на ос- нове серебра [11]. Армирование «усами» из оксида алюминия композитов на основе тугоплавких метал- лов вольфрама и молибдена вдвое увеличивает их механическую прочность при температуре рабочей среды до 1650 °С [11]. Это позволило использовать данные жаростойкие КМ с металлической матрицей при изготовлении жаростойких сопел большинства жидкостных и твердотопливных ракетных двигателей для ракетоносителей мирного и военного назначения. Применение боропластиков в современной тех- нике ограничивается, прежде всего, высокой стоимо- стью производства используемых в них борных воло- кон (до 400 $USA/кг [8]). В этой связи они использу- ются главным образом в изделиях авиационной и ра- кетно-космической техники в деталях и узлах, под- вергающихся длительным силовым нагрузкам в усло- виях воздействия агрессивной среды [8]. Благодаря указанным ранее качествам (см. пп. 2.4 и 3.3) угле- пластики считаются весьма перспективными для из- готовления тех деталей и узлов самолетов, которые работают в условиях высоких температур, а также для теплозащитных экранов ЛА и, прежде всего, косми- ческих кораблей [13]. Отметим, что первоначально (в 1970-е годы) использование углепластов в конструк- циях самолетов было незначительным (из-за высокой стоимости углеродного волокна, составляющей до 900 $USA/кг) [13]. В начале 21-го столетия эта стои- мость составляла уже около 150 $USA/кг. По прогно- 10 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №6 зам американских специалистов скоро стоимость уг- леродного волокна будет составлять до 80 $USA/кг. Исходя из приведенных в п. 3.4 сведений, бороалю- миний также можно считать одним из перспективных КМ, применение которого в самолетостроении может дать до 50 % экономии веса конструкций ЛА [11, 13]. На рис. 3 приведен общий вид российского сред- немагистрального пассажирского самолета типа Ту- 204, в конструкциях деталей (узлов) которого на на- чало XXI века доля КМ составляла до 25 % [14]. Ука- жем, что доля использования композитов на новом российском самолете типа МС-21, разрабатываемом корпорацией «Иркут», будет составлять уже до 37 %. Рис. 3. Общий вид среднемагистрального пассажирского самолета типа Ту-204 (РФ, 1990-е годы), в котором до 25 % всех деталей планера было выполнено из композитов [14] Мировые лидеры самолетостроения − корпора- ции Airbus и Boeing также активно применяют в кон- струкциях своих ЛА композиты. Если в их самолетах типа А-340 и В-777 в 2000 г. было использовано лишь (10-15) % КМ от веса лайнера, то уже в 2015 г. эта цифра составила не менее 50 % [14]. На рис. 4 показан внешний вид американского магистрального пасса- жирского самолета типа Вoeing 787 Dreamliner, в ко- тором доля КМ по массе (весу) превышает 50 % [14]. Рис. 4. Общий вид магистрального пассажирского самолета типа Вoeing 787 Dreamliner (США, 2015 г.), фюзеляж и кры- лья которого на 90 % были изготовлены из композитов [14] Известно, что использование полимерных КМ при производстве авиационной и космической техни- ки позволяет снизить от 5 до 50 % вес (массу) ЛА [11, 13]. При этом отметим, что снижение веса (массы), например, искусственного спутника Земли при его выводе на околоземную орбиту на 1 кг приводит к экономии денежных средств до 1000 $USA [11]. В этой связи задачи практического применения КМ в объектах ракетно-космической техники являются на сегодня не просто актуальными и перспективными, а определяющими и стратегическими задачами для разработчиков и создателей этой наукоемкой техники. Используя мировой опыт применения КМ в кон- струкциях гражданских и военных самолетов и учи- тывая высокие механические и теплозащитные свой- ства полимерных КМ, специалисты США пришли к выводу об использовании углеволокнистых компози- тов с углеродной матрицей при изготовлении голов- ных частей ракет стратегического назначения [13, 15]. Отметим, что из углепластиков в сочетании с алюминиевой сотовой конструкцией уже изготовляет- ся ряд ответственных деталей искусственных спутни- ков Земли (например, каркасы их ряда радиоантенн) [11, 15]. Подчеркнем то, что в настоящее время из-за особой важности и наличия многих технологических «ноу-хау» технологии получения в мире высококаче- ственного углеродного волокна и соответственно тех- нологии изготовления с его помощью различных уг- лепластиков закрыты «за семью замками». По мне- нию авторитетных ученых сейчас в мире такими тех- нологиями владеют не более двух-трех стран [16]. Купить их путем приобретения соответствующих ли- цензий у разработчика невозможно. Поэтому многие заинтересованные фирмы, работающие особенно в области аэрокосмической техники, стоят перед ди- леммой [16]: «Либо ты покупаешь готовое изделие (например, самолет, в котором углепластик исполь- зуется в виде деталей). Либо необходимую техноло- гию для производства хорошего углепластика разра- батывай сам». На рис. 5 приведен общий вид орбитального от- сека нового американского космического корабля Liberty для перевозки астронавтов и научного обору- дования на международную космическую станцию (МКС) [17]. Легкий корпус отсека был изготовлен из полимерных КМ на основе углеродного волокна [17]. Рис. 5. Общий вид орбитального отсека нового космическо- го корабля Liberty (США), выполненного на 90 % из поли- мерных композитов и предназначенного для многоразовой доставки астронавтов и научных грузов на борт МКС [17] Укажем, что в НИПКИ «Молния» НТУ «ХПИ» в последние годы совместно с ГП «Антонов», Институ- ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №6 11 том проблем материаловедения им. И.Н. Францевича НАН Украины и корпорацией Boeing были проведены сертификационные испытания опытных листовых образцов с размерами в плане 500500 мм ряда КМ, предназначенных для изготовления композиционных обшивок отечественных и зарубежных пассажирских самолетов (в том числе и для самолета типа Вoeing 787 Dreamliner [14]), на стойкость к прямому воздействию на них импульсного тока искусственной молнии [18]. Данные испытания были выполнены на разработан- ном и созданном в нашем институте (в отделе №4 «Электромагнитных исследований») уникальном ге- нераторе тока искусственной молнии типа УИТОМ-1, формирующем на испытываемом техническом объек- те импульсную А- и длительную С- компоненты тока имитированного грозового воздушного разряда с нормированными амплитудно-временными парамет- рами (АВП) [19]. Кроме того, указанные сильноточ- ные высоковольтные испытания были проведены в соответствии с жесткими требованиями действующих нормативных документов США SAE ARP 5412 и SAE ARP 5416 [20, 21]. В результате длительных испыта- ний (при общем числе испытанных на рабочем столе генератора типа УИТОМ-1 различных по составу и идентичных по геометрическим размерам опытных образцов листовых композитов не менее 250 шт.) бы- ли определены стойкие КМ к прямому воздействию на них указанных нормированных по [20, 21] компо- нент импульсного тока искусственной молнии с пре- дельными АВП (при амплитуде ImA импульсной А- компоненты тока отрицательной полярности с дли- тельностью фронта ≤50 мкс, равной (200±20) кА; ин- теграле действия импульсной А- компоненты тока, равном (2±0,4)·106 Дж/Ом; длительности импульсной А- компоненты тока ≤500 мкс; амплитуде ImC дли- тельной С- компоненты тока отрицательной полярно- сти, равной (0,2-0,8) кА; протекшем по образцу элек- трическом заряде от длительной С- компоненты тока, равном (200±40) Кл; длительности протекания дли- тельной С- компоненты тока, равной (0,25-1) с [18]). На рис. 6 приведен внешний вид округлой зоны повреждения (диаметром до 100 мм) опытного лис- тового образца композиционной обшивки ЛА тол- щиной 3 мм (при его размерах в плане 500500 мм) при воздействии на него лишь импульсной А- ком- поненты тока искусственной молнии с амплитудой, равной ImA≈−212 кА [18]. Многослойный композит данного образца при этом в своем составе имел слои стеклопластика с эпоксидной матрицей, слои углепластика с эпоксифенольной матрицей и слои тонких металлических сеточек, выполняющих роль упрочнителя [7, 18]. 4.2. Машиностроение. В машиностроительной отрасли КМ широко применяются для создания твер- дых покрытий на режущем инструменте и защитных покрытий на металлических поверхностях с интен- сивным трением, а также для изготовления различных деталей двигателей внутреннего сгорания (например, поршней, шатунов и др.) [1-9, 22]. При этом для соз- дания износостойких покрытий на режущем инстру- менте применяются твердые структуры карбида тита- на TiC [22], а для защитных покрытий могут исполь- зоваться ряд функционально отличающихся материа- лов [2, 11]: неорганические материалы (модифициро- ванные различными добавками силикаты магния, же- леза и алюминия); полимерные материалы (политет- рафторэтилены, модифицированные ультрадисперс- ными алмазографитовыми порошками и ультрадис- персными порошками мягких металлов); металлоор- ганические материалы, содержащие повышенное ко- личество кислотных функциональных групп. За счет формирования на защищаемых поверхностях высоко- прочных металлокерамических, политетрафторэтиле- новых и металлоорганических слоев в локальной зоне высоких силовых нагрузок (из-за фазовых переходов и процессов пластифицирования) образуемые защит- ные композиционные покрытия характеризуются сле- дующими свойствами [1-9]: высокой адгезией к по- верхности защищаемого металла; высокой чистотой рабочей поверхности (до 9 класса); низкой пористо- стью (при размерах пор до 3 мкм и толщине покрытия до 100 мкм); низким коэффициентом трения (до 0,01). Рис. 6. Результаты действия импульса тока искусственной молнии (ImA≈−212 кА) на опытный образец обшивки само- лета, выполненный из многослойного КМ с использованием стекловолокнита, углепласта и металлических сеточек [18] 4.3. Спецобласти техники. Из высокотемпера- турных керметов в настоящее время делают детали для реактивных самолетов и космической техники, газовых турбин, а также различную арматуру элек- тропечей [11]. Твердые износостойкие керметы ис- пользуют для изготовления режущих инструментов. Кроме того, керметы применяют в специальных об- ластях техники при изготовлении тепловыделяющих элементов атомных реакторов на основе оксида при- родного урана 92 238U, фрикционных материалов для тормозных систем различных устройств и др. [11]. ФГМ могут эффективно использоваться в сле- дующих технических областях [12]: в военной техни- ке (изготовление бронежилетов и защиты танков и вертолетов от пулевого и осколочного поражения); при металлообработке (изготовление резцов для об- работки труднообрабатываемых сталей и сплавов); в горнодобывающей промышленности (изготовление резцов для бурения скальных пород); в перерабаты- вающей промышленности (выполнение облицовки измельчителей для размола твердых веществ) и др. 12 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №6 Дисперсионно-упрочненные композиты на осно- ве спеченного алюминиевого сплава САП использу- ются при изготовлении лопаток мощных компрессо- ров, вентиляторов и паровых турбин [11]. КМ, содер- жащие армированные нитевидные монокристаллы, нашли применение при производстве лопаток газовых турбин, которые изготавливаются из никелевых спла- вов, армированных кристаллическими нитями сапфи- ра (оксида алюминия Al2O3) [7, 9]. Это позволяет зна- чительно повысить температуру перегретого пара на входе в турбину (заметим, что предел прочности сап- фировых монокристаллов при температуре 1680 С составляет не менее 700 МПа [11-17]) и соответствен- но повысить ее коэффициент полезного действия. Такие известные еще с середины 20-го столетия композиты как различные типы текстолитов (в этих КМ в качестве наполнителя используются ткани из разнообразных волокон – хлопковых, синтетических, стеклянных, углеродных, асбестовых, базальтовых и др. [2]) и древесно-слоистые пластики на основе фе- нолформальдегидной смолы нашли применение в вы- соковольтной сильноточной электротехнике при изго- товлении силовых узлов и несущих элементов изоля- ционных конструкций мощных электрофизических установок для научных и технологических целей [18]. Выводы. 1. Металлические и неметаллические композиты из-за своих высоких физико-механических характери- стик уже нашли весьма широкое практическое при- менение во многих областях современной техники (в авиационной технике для высоконагруженных дета- лей самолетов и их двигателей; в космической техни- ке для узлов силовых конструкций ЛА, подвергаю- щихся интенсивному нагреву и большим перегрузкам, элементов жесткости и тепловой защиты ЛА; в реак- торостроении для атомных электростанций; в маши- ностроении при создании твердых и защитных по- крытий и др.; в судо- и автомобилестроении для про- изводства гребных винтов и облегчения кузовов, рам, автопанелей и др.; в турбиностроении для создания лопаток; в химической промышленности для автокла- вов и цистерн для хранения и перевозки хим- и неф- тепродуктов; в горнодобывающей промышленности при изготовлении бурового инструмента, деталей подземных комбайнов и др.; в гражданском строи- тельстве при выполнении пролетов мостов, элементов сборных конструкций высотных сооружений и др.; в высоковольтной импульсной технике для изготовле- ния таких усиленных изоляционных материалов как стеклотекстолит, древесно-слоистый пластик марки ДСПБ-Э, бакелит, бакелизированная фанера и др.). 2. Сложной научно-технической задачей, стоящей в мире перед производителями композитов, является разработка новых технологий их изготовления с более низкими затратами, которые сделали бы КМ конку- рентоспособными по отношению к традиционным металлам и сплавам, тоже участвующим в борьбе за ведущую роль в производстве будущей техники. 3. Композиты могут стать для человечества конст- рукционными материалами ближайшего будущего. Именно в этих синтетических материалах удачно со- четаются высокая механическая прочность с их высо- ким модулем упругости и небольшой плотностью. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. http://ru.wikipedia.org/wiki/Композиционный_материал. 2. http://www.e-plastic.ru/main/articles/r2/pk01. 3. Достижения в области композиционных материалов / Под. ред. Дж. Пиатти. − М.: Металлургия, 1982. − 304 с. 4. http://www.mtomd.info/archives/1764. 5. Васильев В.В. Механика конструкций из композицион- ных материалов. − М.: Машиностроение, 1988. − 272 с. 6. http://stroimsamolet.ru/057.php. 7. http://www.hccomposite.com/catalog/40/131. 8. http://www.mtomd.info/archives/1764. 9. http://www.zadachi.org.ru/?n=150240. 10. Баранов М.И. Антология выдающихся достижений в науке и технике. Часть 13: Нанотехнологии // Електротехні- ка і електромеханіка. − 2013. − №2. − С. 3-13. doi: 10.20998/2074-272X.2013.2.01. 11. http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/himiya/KOM POZITSIONNIE_MATERIALI.html?page=0,0. 12. http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/367846. 13. http://pentagonus.ru/publ/1976/kompozicionnye_materialy_ v_aviastroenii_1976/126-1-0-1942. 14. http://olymp.asclub.ru/publ/raboty_1_go_tura/gotovye_rabot y/kak_i_gde_v_samoletostroenii_ispolzujutsja_kompozicion- nye_materialy/6-1-0-825. 15. http://www.spblp.ru/ru/magazine/82/183. 16. http://olgamwill.livejournal.com/5463.html. 17. http://rnd.cnews.ru/news/top/index_science.shtml?2012/05/1 2/489249. 18. Баранов М.И. Избранные вопросы электрофизики: Мо- нография в 2-х томах. Том 2, Кн. 2: Теория электрофизиче- ских эффектов и задач. − Х.: Точка, 2010. − 407 с. 19. Баранов М.И., Колиушко Г.М., Кравченко В.И., Недзель- ский О.С., Дныщенко В.Н. Генератор тока искусственной молнии для натурных испытаний технических объектов // Приборы и техника эксперимента. − 2008. − №3. − С. 81-85. doi: 10.1134/s0020441208030123. 20. SAE ARP 5412: 2013. Aircraft Lightning Environment and Ralated Test Waveforms. SAE Aerospace. USA, 2013. − pp. 1-56. 21. SAE ARP 5416: 2013. Aircraft Lightning Test Methods. SAE Aerospace. USA, 2013. − pp. 1-145. 22. Верещака А.С., Третьяков И.П. Режущие инструменты с износостойкими покрытиями. − М.: Машиностроение, 1986. − 192 с. REFERENCES 1. Available at: https://en.wikipedia.org/wiki/Composite_material (accessed 13 June 2015). 2. Available at: http://www.e-plastic.ru/main/articles/r2/pk01. (accessed 12 May 2016). (Rus). 3. Piatti J. Dostizhenija v oblasti kompozicionnyh materialov [Achievements in the field of composite materials]. Moscow, Metallurgy Publ., 1982. 304 p. (Rus). 4. Available at: http://www.mtomd.info/archives/1764 (ac- cessed 03 March 2014). (Rus). 5. Vasil’ev V.V. Mehanika konstrukcij iz kompozicionnyh materialov [Mechanics of composite structures materials]. Mos- cow, Metallurgy Publ., 1988. 272 p. (Rus). 6. Available at: http://stroimsamolet.ru/057.php (accessed 21 October 2015). (Rus). 7. Available at: http://www.hccomposite.com/catalog/40/131 (accessed 10 May 2016). (Rus). 8. Available at: http://www.mtomd.info/archives/1764 (ac- cessed 20 April 2015). (Rus). 9. Available at: http://www.zadachi.org.ru/?n=150240 (ac- cessed 15 August 2014). (Rus). 10. Baranov M.I. An anthology of outstanding achievements in science and technology. Part 13: Nanotechnologies. Electrical engineering & electromechanics, 2013, no.2, pp. 3-13. (Rus). doi: 10.20998/2074-272X.2013.2.01. ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №6 13 11. Available at: http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/himiya/KOMPOZ ITSIONNIE_MATERIALI.html?page=0,0 (accessed 12 May 2015). (Rus). 12. Available at: http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/367846 (accessed 02 January 2013). (Rus). 13. Available at: http://pentagonus.ru/publ/1976/kompozicionnye_materialy_v_a viastroenii_1976/126-1-0-1942 (accessed 01 May 2013). (Rus). 14. Available at: http://olymp.asclub.ru/publ/raboty_1_go_tura/gotovye_raboty/k ak_i_gde_v_samoletostroenii_ispolzujutsja_kompozicion- nye_materialy/6-1-0-825 (accessed 21 September 2015). (Rus). 15. Available at: http://www.spblp.ru/ru/magazine/82/183 (ac- cessed 11 November 2016). (Rus). 16. Available at: http://olgamwill.livejournal.com/5463.html (accessed 18 June 2015). (Rus). 17. Available at: http://rnd.cnews.ru/news/top/index_science.shtml?2012/05/12/4 89249 (accessed 22 April 2014). (Rus). 18. Baranov M.I. Izbrannye voprosy elektrofiziki. Tom 2, Kn. 2: Teoriia elektrofizicheskikh effektov i zadach [Selected topics of Electrophysics. Vol.2, Book 2. A theory of electrophysical effects and tasks]. Kharkiv, Tochka Publ., 2010. 407 p. (Rus). 19. Baranov M.I., Koliushko G.M., Kravchenko V.I., Nedzel’skii O.S., Dnyshchenko V.N. A Current Generator of the Artificial Lightning for Full-Scale Tests of Engineering Objects. Instruments and Experimental Technique, 2008, no.3, pp. 401- 405. doi: 10.1134/s0020441208030123. 20. SAE ARP 5412: 2013. Aircraft Lightning Environment and Ralated Test Waveforms. SAE Aerospace. USA, 2013. − pp. 1-56. 21. SAE ARP 5416: 2013. Aircraft Lightning Test Methods. SAE Aerospace. USA, 2013. − pp. 1-145. 22. Vereshchaka A.S., Tret’yakov I.P. Rezhushchie instrumenty s iznosostojkimi pokrytijami [Tool pieces with wearproof cover- ages]. Moscow, Engineering Publ., 1986. 192 p. (Rus). Поступила (received) 10.10.2016 Баранов Михаил Иванович, д.т.н., гл.н.с., НИПКИ «Молния» Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», 61013, Харьков, ул. Шевченко, 47, тел/phone +38 057 7076841, e-mail: baranovmi@kpi.kharkov.ua M.I. Baranov Scientific-&-Research Planning-&-Design Institute «Molniya», National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute», 47, Shevchenko Str., Kharkiv, 61013, Ukraine. An anthology of the distinguished achievements in science and technique. Part 41: Composite materials: their classifi- cation, technologies of making, properties and application domains in modern technique. Purpose. Preparation of brief scientific and technical review about the state, achievements and prospects of development of works do- mestic and foreign scientists-specialists on materials and technolo- gists in area of development and creation of composite materials (compos). Methodology. Scientific methods of collection, analysis and analytical treatment of the opened scientific and technical in- formation of world level in area of studies about materials, related to development of basic technologies of making of new perspective compos and their application in a modern technique. Results. A state-of-the-art scientific and technical review is resulted about the state, achievements and prospects on the future in the world of re- searches on development and creation of new metallic and non- metal compos, possessing as compared to traditional homogeneous materials substantially more high physical and mechanical descrip- tions. Classification of compos is executed. Technologies of making of basic types of compos, findings a practical wide use enough in an aviation and space-rocket technique, engineering and row of the special areas of modern technique are briefly described. Main properties of basic types of compos and their advantage are indi- cated before traditional metals and alloys. The basic failings and technical application for today of different compos domains are resulted. Considerable progress is marked in technologies of mak- ing and volumes of the use in the front-rank areas of technique of compos. The possible nearest prospects are indicated in the use of compos on the future in a number of stormy developing in the whole world technical areas. Originality. Systematization of the scientific and technical materials, devoted the basic results of works on being in 2016 year of domestic and foreign specialists in area of develop- ment, making and application in the modern technique of the most perspective types of compos, known from the sources opened in outer informative space is executed. Practical value. Popularization and deepening for students, engineers and technical specialists and research workers of scientific and technical knowledges in the nec- essary area of development, creation and application in the modern technique of compos, extending their scientific range of interests and further development of scientific and technical progress in hu- man society. References 22, figures 6. Key words: composite materials, basic technologies of receipt of compos, advantages of compos before traditional materi- als, world achievements in creation of compos.

Institution

Ähnliche Einträge