Композиционные материалы и их соединения

УДК 669.017 
ББК 30.3 
О-35 
 
 
 
Рецензенты:  
к. т. н., заместитель директора ООО «Инновационные технологии»  
В. В. Равинский; 
к. т. н., доцент, начальник отдела продаж ООО «Унипрофит-Союз»  
С. В. Смирнов 
 
 
 
 
 
 
 
Овчинников, В. В.  
О-35   
Композиционные материалы и их соединения : учебник / В. В. Овчинников, М. А. Гуреева. ௅ Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 
320 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1806-5 
 
Обобщены сведения по основам технологии композиционных материалов и получению соединений из них в конструкциях. Приведены данные 
о свойствах и структуре композиционных материалов, методах получения 
из них неразъемных соединений, включая сварку плавлением и сварку в 
твердой фазе.  
Для студентов, обучающихся по направлению подготовки бакалавриата 22.03.01 «Материаловедение и технологии материалов». Может быть 
полезно для широкого круга инженерно-технических и научных работников различных отраслей промышленности. 
 
УДК 669.017 
ББК 30.3 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1806-5 
” Овчинников В. В., Гуреева М. А., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
2 
 

 
СОДЕРЖАНИЕ 
 
Ведение 
......................................................................................................................... 5 
 
Глава 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ  
О КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ 
......................................................... 6 
1.1. Классификация композиционных материалов 
.................................................. 6 
1.2. Преимущества композиционных материалов ................................................. 13 
1.3. Факторы, определяющие свойства композиционных материалов................ 14 
 
Глава 2. КОМПОНЕНТНЫЙ СОСТАВ КОМПОЗИЦИОННЫХ 
 МАТЕРИАЛОВ 
....................................................................................................... 21 
2.1. Матрицы .............................................................................................................. 21 
2.2. Армирующие элементы ..................................................................................... 30 
2.3. Взаимодействие компонентов и формирование структуры  
композиционных материалов 
................................................................................... 47 
 
Глава 3. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ  
НА НЕМЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ОСНОВЕ 
............................................................... 54 
3.1. Классификация и особенности свойств полимерных композиционных  
материалов ................................................................................................................. 54 
3.2. Влияние фазовой структуры полимерного композиционного материала  
на его свойства 
........................................................................................................... 55 
3.2.1. Дисперсное упрочнение пластиков ............................................................. 59 
3.2.2.  Армирование пластмасс .............................................................................. 65 
3.3. Методы формообразования деталей из полимерных композитов ................ 72 
3.4. Получение препрегов 
....................................................................................... 102 
3.5. Композиты типа «сэндвич» 
............................................................................. 105 
 
Глава 4. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ  
И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ 
................................................................................. 109 
4.1. Металлические композиционные материалы и их классификация ............ 109 
4.2. Методы производства слоистых металлических  
композиционных материалов 
................................................................................. 111 
4.3. Методы производства волокнистых композиционных материалов  
с металлической матрицей ..................................................................................... 117 
4.4. Методы производства металлических композиционных материалов,  
упрочненных частицами ......................................................................................... 121 
4.5. Основные механические и технологические свойства промышленных  
металлических композиционных материалов ...................................................... 129 
4.5.1. Свойства слоистых композиционных материалов .................................. 129 
4.5.2. Свойства волокнистых композиционных материалов ............................ 130 
3 
 

4.5.3. Основные механические свойства промышленных металлических  
композиционных материалов, упрочненных частицами .................................. 131 
4.6. Соединения деталей из композиционных материалов с металлической  
матрицей 
................................................................................................................... 134 
4.7. Классификация свариваемости металлических композиционных  
материалов, упрочненных частицами ................................................................... 143 
 
Глава 5.  СВАРКА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ  
С МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕЙ ............................................................... 151 
5.1. Сварка слоистых композиционных материалов из сплавов 1570 и 1915 
контактной точечной и аргонодуговой сваркой .................................................. 151 
5.2. Сварка волокнистых композиционных материалов  
с металлической матрицей ..................................................................................... 156 
5.2.1. Механические свойства свариваемых волокнистых  
композиционных материалов 
............................................................................... 156 
5.2.2. Контактная точечная сварка волокнистых композиционных материалов 
ВКА-1 с алюминиевым сплавом Д16чАТ 
........................................................... 174 
5.2.3. Сварка трением с перемешиванием волокнистого композиционного  
материала ВКА-1 ................................................................................................... 182 
5.3. Сварка дисперсно-упрочненных частицами  
композиционных материалов 
................................................................................. 184 
5.3.1. Особенности сварки плавлением дисперсно-упрочненного  
композиционного материала типа САП.............................................................. 184 
5.3.2. Особенности сварки трением с перемешиванием  
дисперсно-упрочненного композиционного материала типа САП ................. 202 
5.3.3. Структура и механические свойства ДУАКМ на основе сплава Д16  
с деформируемым алюминиевым сплавом системы Al–Cu–Mg 
...................... 234 
5.3.4. Инородные металлические включения в швах ДУАКМ,  
выполненных сваркой трением с перемешиванием .......................................... 248 
5.4. Методы сварки композиции Al–Be–Mg 
......................................................... 256  
5.5. Соединение железно-медных композиций аргонодуговой и лазерной  
сваркой 
...................................................................................................................... 286 
5.6. Сварка литейных композиционных материалов  
системы Al–Zn–Mg–Ca ........................................................................................... 297 
 
Заключение 
............................................................................................................... 309 
Библиографический список 
.................................................................................... 310 
 
 
4 
 

 
ВВЕДЕНИЕ 
 
Создание изделий новой техники с наивысшими показателями эксплуатационных характеристик требует поиска и применения материалов, принципиально отличающихся по физическим и механическим свойствам от традиционных конструкционных материалов. Таким новым классом гетерофазных материалов являются композиционные материалы с металлической матрицей, 
упрочнённые металлическими и керамическими волокнами и частицами. 
Основным преимуществом таких материалов является возможность его 
конструирования для получения именно тех свойств, которые требуются для 
изготовления того или иного изделия. Получаемые свойства невозможно достичь ни в одном из классических конструкционных материалов и сплавов. 
Многообразие сочетаний материалов, их составов и способов производства даёт возможность направленно регулировать такие свойства, как прочность, 
жёсткость, износостойкость, жаростойкость и многие другие. 
Наряду с проблемами создания таких материалов возникают сложнейшие 
задачи их соединения в конструкции методами сварки, как наиболее распространёнными. Многообразие процессов сварки позволяет рассмотреть наиболее 
рациональные и эффективные для соединения металлических композиционных 
материалов. Основные трудности сварки связаны с возможным взаимодействием компонентов композиционного материала в процессе неизбежного нагрева 
сварочным источником и образованием новых, зачастую вредоносных, фаз. Поэтому в данной монографии рассмотрены наиболее рациональные технологии 
сварки, позволяющие соединять некоторые, наиболее распространённые, виды 
металлических композиционных материалов. Представлены результаты исследований и испытаний целого ряда композиций, которые были использованы в 
промышленности для изготовления ответственных изделий с применением сварочных технологий. 
Учебное пособие будет полезно научным работникам, инженерамметаллургам и технологам, а также конструкторам новых изделий. Представляет интерес для аспирантов и студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям «Материаловедение в машиностроении», «Конструирование и производство изделий из композиционных материалов», «Порошковая металлургия, композиционные материалы, покрытия», «Сварка, родственные процессы и технологии», «Обработка высокоэффективными источниками 
энергии». 
 
 
 
 
 
5 
 

 
Глава 1 
СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ  
О КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ 
 
1.1. Классификация композиционных материалов 
 
Композиционные материалы представляют собой композиции из разных 
материалов, называемых компонентами, которые выполняют свое конкретное 
назначение при совместной работе в составе композита. Компоненты взаимодействуют только на границе раздела, сохраняя свою структуру, свойства и 
имеют явную границу раздела. Композиционный материал состоит из двух и 
более компонентов. Компоненты, структурные элементы композиции, выбираются готовыми, а структура формируется искусственно при изготовлении изделия или полуфабриката. Состав, форма и распределение компонентов в композиционных материалах запроектированы. Свойства композитов определяются 
каждым из его компонентов, которые должны присутствовать в композите в 
достаточном количестве (больше некоторого критического содержания). Изменяя состав и структуру композиции, возможно создание композиционных материалов с самыми разными свойствами. Знание закономерностей, определяющих 
свойства материалов (компонентов) и их взаимодействия позволяет рационально делать выбор компонентов и создавать композиты с высокими свойствами. 
Компонент, непрерывный в объеме композита представляет собой матрицу или связующее. Матрица является средой, передающей нагрузку на волокна, а в случае разрушения отдельных волокон перераспределяет напряжения. 
Матрица связывает композицию в единый монолит, образует форму изделия, 
определяет технологические режимы получения композиционного материала, 
поведение материала при сдвиге и сжатии, и влияет на такие характеристики 
композита, как рабочая температура, сопротивление усталостному разрушению, сопротивление воздействию окружающей среды, плотность, удельная 
прочность. 
В матрице равномерно распределены остальные компоненты – дисперсные наполнители, армирующие элементы.  Армирующие элементы имеют высокие прочностные характеристики, сравнительно низкую плотность и являются несущими элементами в композиции. Так, структура волокнистых и слоистых композитов образована матрицей и армирующими компонентами – высокопрочными и высокомодульными волокнами, проволокой, фольгой, являющимися фазой – упрочнителем.  
В дисперсно-упрочненных композитах несущим элементом является матрица, в которой дисперсные частицы создают эффективное торможение дислокаций, стабилизируя структуру, таким образом повышая прочность материала. 
Взаимодействие компонентов происходит на поверхностях раздела компонентов композиционных материалов (рис. 1.1). Поверхности раздела компонентов – это больше, чем геометрические поверхности раздела, это области, 
6 
 

прилежащие к поверхности раздела, в которых протекают процессы взаимодействия компонентов. В этих переходных слоях формируется связь между упрочняющими элементами и матрицей, через которую передаются напряжения. Совершенство этой связи влияет на условия торможения трещин, определяет уровень свойств композитов.  
При механическом нагружении композита напряжения достигают максимальных значений именно на границах раздела компонентов. И главной задачей переходного слоя является снижение локальных напряжений и равномерная 
передача нагрузки на границе раздела. Очень важно, чтобы переходный слой 
сохранял свою целостность как на этапе изготовления материала, так и при его 
эксплуатации. Причинами разрушения переходного слоя могут явиться, например, усадочные напряжения, которые возникают при отверждении матрицы или 
термические напряжения, возникающие при эксплуатации из-за разницы температурных коэффициентов линейного расширения компонентов соответственно. 
Взаимодействие между компонентами на поверхностях раздела обусловлено физико-химическими процессами. Взаимная диффузия и химическое взаимодействие компонентов происходят как на этапе изготовления композиционного материала, так и при его эксплуатации. Химическое взаимодействие является необходимым условием образования связи между компонентами, но слишком активное взаимодействие снижает механические свойства упрочняющей 
фазы и композита. 
 
 
 
Рис. 1.1. Схема композиционного материала: 1 – волокно, 2 – матрица,  
3 – переходный слой на границе раздела компонентов 
 
Для получения композитов используются самые разнообразные материалы и технологии. Производство композиционных материалов растет. Отрасли 
науки, связанные с разработкой композитов, развиваются сегодня очень динамично.  И для того, чтобы систематизировать все разнообразие получаемых 
композиционных материалов, необходима их классификация. Единой классификации на сегодняшний день нет. Объясняется это, в первую очередь тем, что 
композиты являются самым широким классом материалов, который объединяет 
металлы, полимеры и керамики. Часто можно встретить классификацию по ти7 
 

пу матричного материала. Также применяется классификация по трем характерным признакам: геометрии компонентов композиционных материалов, простран-ственному расположению компонентов, природе компонентов композиционных материалов. Но, более полную характеристику дает классификация 
композитов по следующим критериям: происхождению, назначению, материалу матрицы, по природе компонентов, вводимых в матрицу, по форме и размеру фазовых включений (компонентов), по признакам структуры и методам получения (рис. 1.2) [1]. 
По происхождению композиционные материалы подразделяют на природные, искусственные и синтетические. 
Природные композиционные материалы созданы самой природой и существуют уже в готовом виде, например, древесина. Она имеет волокнистую 
структуру, образованную высокопрочными целлюлозными волокнами трубчатого сечения, связанными между собой матричным материалом – органическим 
веществом лигнином, придающим древесине поперечную прочность. Или, 
например, раковина моллюска, представляющая собой слоистую конструкцию, 
состоящую из прочных и хрупких элементов – пластинок кристаллического 
арагонита, которые «склеены» тонкими прослойками мягких вязких белков. 
 
Рис. 1.2. Классификация композиционных материалов 
 
8 
 

Искусственные и синтетические композиционные материалы являются 
продуктом намеренного (искусственного) соединения компонентов (фаз), которыми являются металлы, керамики, полимеры. Сочетание свойств совмещаемых компонентов позволяет достигать лучшей комбинации эксплуатационных 
характеристик в получаемых материалах, расширяя возможности их применения. 
По назначению композиционные материалы подразделяют на композиты 
общетехнического назначения и специального. Композиты общетехнического 
назначения применяют для изготовления элементов конструкций, ответственных за восприятие и передачи механической нагрузки. Композиты специального назначения обладают особыми свойствами и выполняют в составе изделий 
специальные функции, например, снижают трение, защищают от коррозии  
и т. п.  
В композиционном материале важную роль играет матрица, она связывает все компоненты в монолитный материал, обеспечивая совместную работу 
компонентов композита. При изготовлении изделий из композитов, матрица 
обеспечивает образование заданной формы, а при эксплуатации изделий – 
обеспечивает передачу и распределение нагрузки в объеме материала. 
По материалу матрицы композиты классифицируют: полимерные, металлические, керамические, неорганические (на минеральной, углеродной, оксидной и т. д. матрицах), комбинированные. Композиты с металлической матрицей называют металлическими композиционными материалами (МКМ), с полимерной матрицей – полимерными композиционными материалами (ПКМ), с 
неорганической – неорганическими композиционными материалами. КМ, содержащие два и более различных по составу матричных материала, называют 
полиматричными.  
По природе компонентов, вводимых в матрицу композиты подразделяют 
на наполненные композиты и армированные композиты. В наполненных композитах матрица содержит дисперсные наполнители, такие как порошок, короткие волокна, микросферы и т. п. Наполнитель влияет на механические свойства, 
улучшает технологичность композита, снижает стоимость, может добавляться 
для придания специальных свойств. Армированные композиты содержат армирующие элементы (арматуру), а именно: волокна, нити, ткани, листовые материалы, объемные волокнистые и пористые элементы.  Арматура прочнее, чем 
матрица. При эксплуатации изделия матрица передает большую часть нагрузки 
на армирующие элементы, т. е. они являются несущими элементами в конструкции. В названиях композитов часто отражается природа арматуры – графитопласты, металлокерамика, стекловолокниты и т. п. В состав композитов 
могут одновременно входить и наполнители, и армирующие элементы. 
Компоненты (фазовые включения) композитов различают по размеру. В 
состав композита могут входить компоненты макро-, микро-, наноразмера. Фазовые включения (компоненты) макро-размера хорошо визуализируются не вооруженным глазом. Уменьшение размера включений до микро-размера (порядка 1 мкм), требует визуализации структуры с помощью микроскопа. Техноло9 
 

гия КМ позволяет вводить в состав композитов, на ряду с компонентами макроразмера, компоненты (частицы) наноразмерного ряда (размер 10-9 – 10-7 м). 
Свойства таких малых частиц отличаются от свойств вещества, когда оно находится в достаточно большом количестве (макро-объеме). Введение наноразмерных компонентов позволяет получить КМ с новыми свойствами. 
По форме (геометрии) наполнителя композиты различают: с нульмерным, одномерным, двумерным наполнителем (рис. 1.3). Размеры нульмерного 
(дисперсного) наполнителя во всех трех измерениях очень малы. Размеры одномерного (волокнистого) наполнителя велики в одном измерении и малы в 
двух других. Размеры двумерного (слоистого) наполнителя велики в двух измерениях и малы в одном. 
 
 
 
Рис. 1.3. Геометрия компонента: а – нульмерный (дисперсный),  
б –  одномерный (волокнистый), в – двумерный (слоистый).  
1 – матрица, 2 – наполнитель 
 
Схемы армирования композитов могут быть различными. Выделяют следующие группы расположения компонентов в композиционных материалах 
(рис. 1.4): 
– одноосное (линейное) расположение армирующего компонента: армирующие компоненты в виде волокон располагаются в матрице параллельно 
друг другу.  
– двухосное (плоскостное) расположение армирующего компонента: армирующие компоненты в виде волокон, фольги, матов расположены в матрице 
в плоскостях, параллельных друг другу.  
– трехосное расположение компонентов. В этой схеме армирования невозможно выделить преимущественное направление расположения наполнителя. 
 
Одно-, двух-, трехосное расположение возможно и при использовании 
наполнителя нульмерного размера. 
10 
 

 
Рис. 1.4. Классификация КМ по расположению наполнителя  
(по схеме армирования) 
 
По признакам структуры композиционные материалы разделяют на  
дисперсно-наполненные, волокнистые, слоистые, каркасные и комбинированные (рис. 1.5). 
Композиционные материалы, матрицы которых наполнены такими фазами, как порошок, короткие волокна, микросферы и т. п., являются дисперснонаполненными (рис. 1.5, а). Хаотическое расположение частиц наполнителя 
формирует изотропные композиты, а ориентированное – анизотропные. Композиты анизотропные в микрообъемах, но изотропные в целом называются квазиизотропными. Анизотропия – это различие свойств в различных направления 
материала. Так, свойства анизотропного КМ будут зависеть от направления. 
Волокнистые композиты образованы непрерывной матрицей, соединяющей длинные волокна (рис. 1.5, б). Волокна (однонаправленные или извитые) 
могут располагаться хаотически, и композиты в этом случае будут изотропны. 
При направленном расположении волокон композиты будут анизотропны.    
 
11