Научные основы производства изделий из термопластичных композиционных материалов

Н А У Ч Н А Я  
М Ы С Л Ь

СЕРИЯ 
О С Н О ВА Н А 
В 2008 
ГОДУ

г . с .  г о л о в к и н  
Q .n. а м и Т Р Е Н К О

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ 
ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ 

ИЗ ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ 
КОМПОЗИЦИОННЫХ 

МАТЕРИАЛОВ

м о н о г р а ф и я

Э л е к т р о н н о 
znanium.com

Москва

ИНФРА-М

2020

УДК 620(075.4) 
ББК 30-3 
Г61

ФЗ

№ 436-ФЗ

Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1

Головкин Г.С.

Г61 
Научные основы производства изделий из термопластичных композиционных материалов : монография /  Г.С. Головкин, В.П. Дми- 
тренко. — Москва : ИНФРА-М, 2020. — 471 с. — (Научная мысль).

ISBN 978-5-16-010757-8 (print)
ISBN 978-5-16-102764-6 (online)

В монографии обобщен накопленный опыт и проведен анализ достигнутого 
в различных отраслях отечественной и зарубежной промышленности, определены эффективные направления для дальнейшего поиска и исследования 
в области материаловедения и технологии производства изделий из термопластичных композиционных материалов.

Книга рассчитана на специалистов во всех областях техники и технологии, 
связанных с разработкой, совершенствованием и переработкой в изделия ТКМ, 
и полезна для аспирантов и студентов, обучающихся по направлениям 22.03.01 
«Материаловедение и технологии материалов», 18.03.01 «Химическая технология» и по другим родственным направлениям подготовки дипломированных 
специалистов.

УДК 620(075.4) 
ББК 30-3

ISBN 978-5-16-010757-8 (print)
ISBN 978-5-16-102764-6 (online) 
© Головкин Г.С., Дмитренко В.П., 2005, 2016

Подписано в печать 13.05.2019.

Формат 60x90/16. Печать цифровая. Бумага офсетная.

Гарнитура Newton. Усл. печ. л. 29,5.

ППТ20. Заказ № 00000

ТК 341500-1032986-250915

ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»

127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр.1 
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29 
E-mail: books@infra-m.ru
http://www.infra-m.ru

Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»

127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1 
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АН 
— армированная нить

АП 
— армированный пластик

АР 
— армированные реактопласты

АФ 
— армирующая филамента

ДРПФ 
— двунаправленный регулярный полуфабрикат

КМ 
— композиционный материал

ММ 
— молекулярная масса

МН 
— матричная нить

МО 
— матричная нить основы ткани

МУ 
— матричная нить утка ткани

НПФ 
— нерегулярный полуфабрикат

ОП 
— органопластик

ОРПФ 
— однонаправленный регулярный полуфабрикат

ПА 
— полиамид

ПАВ 
— поверхностно-активные вещества

ПАН 
— полиакрилонитрил

ПАОВ 
— предельно армированные органоволокниты

ПБТФ 
— полибутилентерефталат

ПВС 
— поливиниловый спирт

ПВХ 
— поливинилхлорид

ПИ 
— полиимид

ПКА 
— поликапроамид

ПКМ 
— полимерный композиционный материал

ПМ 
— полимерные материалы

ПП 
— полипропилен

ПСу 
— полисульфон

ПФ 
— полуфабрикат

ПФО 
— полифениленоксид

ПФСу 
— полифениленсульфид

ПЭ 
— полиэтилен

ПЭТФ 
— полиэтилентерефталат

ПЭЭК 
— полиэфирэфиркетон

РПФ 
— регулярный полуфабрикат

СВ 
— синтетические волокна

ТКЛР 
— температурный коэффициент линейного расширения

ТКМ 
— термопластичный композиционный материал

УВ 
— углеродное волокно

3

СПИСОК ОСНОВНЫХ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

— диаметр АФ

— диаметр МН в НПФ

— диаметр МН по основе

— диаметр МН по утку

— условный диаметр АН

— энергия активации процесса деструкции 

связующего

— энергия активации вязкого течения связующего

— температура

— атмосферное давление

— давление вакуумирования

— массовая доля армирующей фазы

— число нитей на базу

— разрушающие напряжения волокон и матрицы

— относительные удлинения при разрыве

— коэффициент реализации прочности

— время пропитки

— время нагрева

— потери давления, расходуемые 

на упругую деформацию пакета

— физическая плотность материала АФ и МН

— относительное массовое содержание АФ

4

гэкв 
— средний эквивалентный радиус пор

Нпак 
— толщина пакета

h 
— относительная толщина пакета заготовки

Та 
— линейная плотность АН, текс

ра 
— плотность материала АФ

Р 
— давление формования (формующее давление)

Рк 
— капиллярное давление

Р0 
— начальное давление уплотнения

а 
— коэффициент линейного термического

расширения

к 
— коэффициент проницаемости

К 
— крутка АН

Рим 
— поверхностная плотность ПФ

г/ 
— коэффициент динамической вязкости

матричного расплава

m 
— пористость

I 
— глубина пропитки наполнителя

Vа 
— степень наполнения

ПРЕДИСЛОВИЕ

Передовая современная техника характеризуется во всем мире постоянным ростом объемов использования полимерных композиционных материалов (ПКМ), позволяющих разработчикам 
достигать более совершенных технических и экономических характеристик. К началу 3-го тысячелетия наиболее ускоренными 
темпами стали развиваться ПКМ на термопластичной основе 
(стекло-, угле- и органотермопластичные «композиты»), которые 
к комплексу выдающихся конструкционных свойств добавили 
прогрессивные технологические возможности — неограниченную жизнеспособность сырья и полуфабрикатов, сокращенный 
цикл формования, расширение номенклатуры способов переработки в изделия, возможность осуществления сварочной сборки 
узлов и агрегатов, а также возможность рентабельной утилизации 
и вторпереработки отходов производства и выработавших ресурс 
изделий.

Однако разработка новых составов термопластичных композиционных материалов (ТКМ) с эксплуатационно заданными 
свойствами продолжает в основном базироваться на методе 
«проб и ошибок». Отсутствие обобщенных и систематизированных основ проектирования «конструкций» ТКМ и технологических процессов их реализации, обеспечивающих необходимые 
показатели свойств, существенно сдерживает темпы развития 
этого прогрессивного вида ПКМ. Подтверждение может служить 
состояние разработки ТКМ в США, где интенсивные исследования начались с 1980-х годов, но в настоящее время, например, самолетостроение смогло получить рекомендации на использование

6

лишь двух вариантов ТКМ — на основе полифениленсульфида 
Фортрон и полиэфиримида, отличающихся исключительно высокой теплостойкостью, прочностью и огнестойкостью.

Неудовлетворительное положение дел в области разработки и 
производства изделий из ТКМ явилось основным стимулом для 
написания данной монографии. При этом авторы исходили из 
личного опыта разработки ТКМ и рациональных способов их переработки в изделия различного назначения от авиационнокосмического до протезно-медицинского, который был накоплен 
в результате совместной работы с коллективами сотрудников 
МАТИ, ВИАМ, НИАТ, НПО «Композит», НПО «Технология», 
НПО «Графит», лаборатории КМ РАН и ряда других организаций, начиная с 1970-х годов.

Практическая реализация монографии стала возможной 
благодаря Федеральной целевой программе «Интеграция 
науки и высшего образования России на 2002—2006 годы» 
(грант Ц3036/2260 от 26.09.03 г.).

В техническом обеспечении подготовки монографии активное участие приняли доц., к.т.н. Булычев С.Н. и доц., к.т.н. Горбачев С.И., которым авторы выражают свою глубокую признательность. Искреннюю благодарность за полезные замечания и 
ценные советы авторы также выражают рецензентам проф., 
д.т.н. Гончаренко В.А., проф., д.т.н. Перову Б.В., проф., д.т.н. 
Ковалеву И.Е. — видным деятелям отечественной научной школы ПКМ.

Книга рассчитана на специалистов во всех областях техники и 
технологии, связанных с разработкой, совершенствованием и переработкой в изделия ТКМ и полезна для аспирантов и студентов, обучающихся по направлениям 651700 «Материаловедение, 
технология материалов и покрытий», 655100 «Химическая технология высокомолекулярных соединений и полимерных материалов» и по другим родственным направлениям подготовки дипломированных специалистов.

Авторы

7

ВВЕДЕНИЕ

Одним из важнейших достижений материаловедения второй половины XX столетия явилась разработка принципов 
построения и получения композиционных материалов (КМ), 
прежде всего, на полимерной основе (ПКМ). Установлено, 
что их конструкционные возможности чрезвычайно широки 
благодаря неисчерпаемой вариабельности составов и структур. Диапазоны физико-механических характеристик нередко 
измеряются несколькими порядками величин, а сами характеристики, например, при испытаниях на растяжение, достигают по прочности 1,0 ГПа, по модулю упругости 1000 ГПа, при 
ударном нагружении — показателя вязкости разрушения до 
700 кДж/м2, в то время как область рабочих температур может 
простираться от -270 °С до +400 °С [1—3].

Достигнутые показатели свойств ПКМ явились следствием постоянно растущих требований со стороны современной 
техники и технологии. Вместе с тем, новые материалы предопределили появление принципиально иных конструктивных и 
функциональных решений с более совершенными тактикотехническими параметрами, с высокой эксплуатационной надежностью и долговечностью, а также с пониженными показателями материальных, трудовых и энергетических затрат в 
производстве техники.

Все эти стимулы обусловливают изменение спроса на 
ПКМ во всех областях применения конструкционных материалов (см. табл.).

8

Таблица

Хронология изменения мировой структуры потребления 
конструкционных материалов в % [4]

Статистические данные по годам:

Материалы
1980
1990
2000
2010

(прогноз)
2020

(прогноз)

Металлы
70
57
44
35
25

Пластмассы
14
18
22
25
32

ПКМ
6
12
14
17
18

Керамика
10
13
20
23
25

Так, если к 1980 г., когда доминировали металлические материалы (70 %), ПКМ могли удовлетворить всего лишь 6 % потребностей техники, то в настоящее время их доля возросла более чем 
вдвое, а в ближайшие годы увеличение прогнозируется еще в три 
раза.

Перспективными потребителями ПКМ являются автомобилестроение, трубопроводный транспорт, гражданское строительство, судостроение, производство медицинского оснащения и спортивного инвентаря [4—6]. Однако до настоящего времени основными потребителями не только ПКМ, но и углерод-углеродных 
(УУКМ), металлических (МКМ) и керамических КМ продолжают 
оставаться ракетостроение и авиакосмическое производство [6—9].

Уровень применения КМ в % от массы конструкции ракетной, авиационной и космической техники, характеризуется [9] 
следующими показателями:

космические аппараты 
15-5-20

стратегические ракеты с РДТТ 
75+80

крупногабаритные РДТТ 
85+90

стратегические ракеты с ЖРД 
25+30

боевые вертолеты 
45+55

боевые самолеты 
25+30

транспортные самолеты 
15+25

пассажирские самолеты 
15+25

9

Как следует из этих данных, доля КМ в общей массе конструкции летательных аппаратов, предъявляющих к конструкционным материалам наиболее высокие требования, уже 
может достигать 90 %.

Анализ недолгой истории становления и развития нового 
вида конструкционных материалов показывает, что термин 
«композиционные материалы» (КМ), привнесенный в отечественную научно-техническую литературу переводными изданиями, с самого начала соотносился с волокнонаполненными 
полимерами и металлами [6, 10— 13]. Позже были предприняты попытки распространить этот термин и на другие виды 
материалов, трактуя композиционность как многокомпо- 
нентность [14, 15]. Однако такое расширенное трактование 
вступило в противоречие с первоначальным определением 
понятия КМ, в частности, не выдерживалось требование к 
достигаемым комплексам свойств, которые не должны быть 
присущи ни одному из компонентов КМ в отдельности.

Согласно этому требованию называться КМ могут даже 
не все волокнонаполненные материалы, поскольку фиксировать новые комплексы свойств удается только при соблюдении двух основных условий — при достижении некоторого 
минимального объема наполнения волокнами и при их длине 
больше критической величины, обеспечивающей при разрушении КМ разрыв, а не выдергивание волокон [11, 16— 19]. 
Таким образом, в отличие от обычных многокомпонентных 
материалов, в которых упрочняющую роль играет матрица, 
основной вклад в прочность КМ вносит каркас из волокон. 
Именно эта силовая роль волокон в составе КМ дала впоследствии основание называть их армирующими, а соответствующие, например, ПКМ — армированными пластиками [3, 
12, 16]. Такая трактовка понятия КМ принята и в рамках данной монографии.

Роль матрицы первоначально ограничивалась в КМ лишь 
передачей армирующим волокнам внешних напряжений и 
сохранением заданной формы конструкции изделия [10, 11, 
16]. Однако по мере расширения номенклатуры матричных

10