ИЗДАНИЕ ОСУЩЕСТВЛЕНО ПРИ ФИНАНСОВОЙ ПОДДЕРЖКЕ ФЕДЕРАЛЬНОЙ ЦЕЛЕВОЙ ПРОГРАММЫ

"ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОДДЕРЖКА ИНТЕГРАЦИИ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТАЛЬНОЙ НАУКИ НА 1997-2000 ГОДЫ"

А. В. Андреева

ОСНОВЫ ФИЗИКОХИМИИ И ТЕХНОЛОГИИ

композитов

Рекомендовано учебно-методическим объединением вузов по образованию в области машиностроения и приборостроения в качестве учебного пособия для студентов вузов по направлению «Материаловедение, технологии материалов и покрытий» (специальность «Материаловедение в машиностроении»)

Издательское предприятие редакции журнала «Радиотехника»

Москва 2001

УДК 620. 22

А 65

ББК 24.5

ИЗДАНИЕ ОСУЩЕСТВЛЕНО ПРИ ФИНАНСОВОЙ ПОДДЕРЖКЕ ФЕДЕРАЛЬНОЙ ЦЕЛЕВОЙ ПРОГРАММЫ

"ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОДДЕРЖКА ИНТЕГРАЦИИ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТАЛЬНОЙ НАУКИ НА 1997-2000 ГОДЫ"

Рецензенты:

чл.-корр. РАН, докт.физ.-мат. наук, проф. В.В. Аристон - директор

института проблем технологий микроэлектроники РАН, докт. техн. наук, проф. Б. К. Ушаков - декан факультета информатики, механики и управления, зав. кафедрой материаловедения и термической обработки материалов МГВМИ

Андреева А. В.

А65 Основы физикохимии и технологии композитов:

Учеб. пособие для вузов. - М.: ИПРЖР, 2001. - 192 с.: ил.

ISBN 5-93108-008-2

Изложены базовые основы конструирования композитов. Дан сравнительный анализ свойств, методов производства и областей применения основных групп композиционных материалов. Выделен синергетический, мультидисциплинарный подход к проектированию и использованию потенциальных возможностей композитов в технологиях будущего. Рассмотрены новые типы композиционных материалов, такие как нано-, биокомпозиты, кейвориты и др.

Для студентов и аспирантов материаловедческих специальностей вузов, а также для научных и инженерно-технических работников, занимающихся проектированием и созданием материалов и изделий новой техники.

УДК 620.22 ББК 24. 5

ISBN 5-93108-008-2

© Центр интеграции, 2001, © А. В. Андреева, 2001, © ИПРЖР, оформление,2001

Предисловие

Многообразие использования в различных отраслях науки и техники пер­спективных новых материалов - композитов поставило задачу создания учебни­ка для технических вузов. Данное учебное пособие написано на основе цикла лекций, читаемого автором в МГВМИ.

Цель книги-ознакомить с основами конструирования композитов, что включает:

• выбор матричного и армирующего компонентов, схемы армирования компо­зита в зависимости от назначения и условий работы изделия;

• анализ совместимости компонентов, граничных явлений в композите с целью прогнозирования стабильности работы изделия;

• проведение расчета упругих характеристик, адгезии и ряда других физи­ко-химических свойств композита для предварительной оценки работы изделия в процессе эксплуатации;

• выбор оптимальных технологий и проведение качественной сравнитель­ной оценки производства композитов целевого назначения, полученных из раз­ных материалов различными технологическими методами.

Книга рассчитана на творческий подход читателя к изучаемому материалу, поэтому в ней приведены задачи и вопросы, способствующие усвоению курса.

Соединение разных областей знаний, их взаимное проникновение и си­нергетика определяют прогресс развития науки и техники будущего, в том чис­ле и создание новых композиционных систем. Изложенный материал отражает лишь небольшую часть науки о композитах, о чем свидетельствует лавина ин­формации, ставшая доступной благодаря компьютеризации знаний.

Автор искренно благодарит людей, без помощи которых эта книга вряд ли смогла бы появиться на свет:

декана факультета информатики, механики и управления Московского го­сударственного вечернего металлургического института, докт. техн. наук, проф. Б. К. Ушакова - строгого и внимательного рецензента, подвигнувшего автора на разработку нового курса и написание учебника по материаловедению композитов;

директора Института проблем технологии микроэлектроники Российской Академии наук. член-корр. РАН, докт. физ.-мат. наук, проф. В.В. Аристова, обратившего внимание автора на ряд новых направлений применения компози­тов в современной микроэлектронике. Автор глубоко признательна рецензентам за ценные замечания, которые, по возможности, постаралась учесть.

Автор также благодарит В.Е. Андреева, чья конструктивная критика, острый юмор и моральная поддержка стимулировали работу над книгой; Н.А. Осипова и Л.И. Малыгину за техническую помощь в подготовке рукописи; центр "Интегра­ция" в лице Т.В. Марининой, А.А. Цистенко, В.В. Кулик за поддержку издания кни­ги; руководство и редакционный коллектив издательского предприятия редакции журнала "Радиотехника", особенно, И.Г. Волкову, И.Е. Якушину, приложивших мно­го усилий для приведения в надлежащий порядок авторского варианта рукописи.

Автор

Введение

«Соединяй!» - вот подходящий девиз, отвечающий духу нынешней информационной эры. А поскольку соединения изготавливают из материалов, то можно сказать, что это и эра науки о материалах.

Наше время характеризуется коренной «перестройкой отношений» между человеком и материалами. Экономические последствия этого процесса, вероятно, будут очень глубокими. Разработка новых материалов, создание сложных композитов, наряду с достижениями в техноло­гии изготовления деталей, будет играть ключевую роль в развитии ве­дущих отраслей науки и техники будущего.

В историческом аспекте человек сначала научился хозяйственному применению некоторых природных материалов, таких как камень, дере­во, глина, растительные волокна и животные ткани. На следующей, 5олее высокой стадии своего развития он научился плавить металлы и делать стекло. Однако только в последнее время, благодаря более глубокому пониманию физических, химических и биологических свойств различных веществ, а также достижениям в технологии появилась воз­можность получать материалы и изделия с заданными свойствами, т. е. удовлетворяющие конкретным требованиям. Такими свойствами обла­дают композиты, новые материалы, конструируемые гением человече­ской мысли.

Главная задача создания композита - достижение комбинации наи­лучших свойств, не присущих каждому из исходных материалов в от­дельности. Новые свойства системы, отсутствующие у ее компонентов, - свойства эмерджентности. Именно свойства эмерджентности (возник­новение новых качеств) характерны для композиционных материалов. Все это определяет мультидисциплинарность предлагаемого курса, поскольку может относиться к физическим, химическим, механическим, технологическим и другим свойствам композита.

Композиты все более активно входят в жизнь и заменяют традици­онные материалы в энергетике, средствах информации и связи, аэро­косм ичсской технике, наземном транспорте, электронике и фотонике, медицине и других областях, что и определяет необходимость введения новою курса по физикохимии и технологии композитов в высшей тех­нической школе. Еще более возрастет роль композиционных материа­лов в XXI в. Наука о композитах активно развивается. Исследователи

научились соединять в биокомпозите живую и неживую природу, соз­давать нанокомпозиты, осуществляя "сборку" из атомов и молекул. Это привело к созданию новых уникальных структур с квантовыми свойст­вами, к рождению новых научных идей, теорий, методов, к развитию междисциплинарных подходов. Однако физико-химические основы конструирования любого композиционного материала остаются одина­ковыми. Таким базовым основам, а также краткому анализу методов производства, свойств и областей применения ряда основных групп композитов посвящена эта книга.