Войти
Измельчение бетон обнажает заполнитель камни. заполнитель является компонентом композитного материала, который сопротивляется напряжению сжатия и придает объемность композитному материалу. Для эффективного наполнения заполнитель должен быть намного меньше готового изделия, но иметь самые разные размеры. Например, частицы камня, используемые для изготовления бетона, обычно включают и песок, и гравий.
Составные композиты, как правило, намного проще в изготовлении и намного более предсказуемы по своим конечным свойствам, чем волокнистые композиты. Ориентация и непрерывность волокна могут иметь подавляющий эффект, но их трудно контролировать и оценивать. Помимо изготовления, сами материалы-заполнители также имеют тенденцию быть менее дорогими; наиболее распространенные агрегаты, упомянутые выше, встречаются в природе и часто могут использоваться с минимальной обработкой.
Не все композитные материалы содержат заполнитель. Агрегатные частицы обычно имеют примерно одинаковые размеры во всех направлениях (то есть соотношение сторон примерно равно единице), так что совокупные композиты не демонстрируют уровень синергии, который создают волокнистые композиты. часто делают. Сильный агрегат, удерживаемый слабой матрицей , будет слабым при растяжении, тогда как волокна могут быть менее чувствительны к свойствам матрицы, особенно если они правильно ориентированы и проложить по всей длине детали (т. е. сплошной нитью).
Большинство композитов заполнено частицами, соотношение сторон которых находится где-то между ориентированными волокнами и сферическими агрегатами. Хорошим компромиссом является рубленое волокно, когда характеристики нити или ткани уступают место более похожим на агрегат методам обработки. Эллипсоид и пластинчатые агрегаты.
В большинстве случаев идеальной готовой деталью будет 100% заполнитель. Наиболее желаемое качество данного приложения (будь то высокая прочность, низкая стоимость, высокая диэлектрическая проницаемость или низкая плотность) обычно наиболее заметно в самом агрегате; все, чего не хватает агрегату, - это способность течь в малых масштабах и образовывать связи между частицами. Матрица специально выбрана для выполнения этой роли, но нельзя злоупотреблять ее возможностями.
Эксперименты и математические модели показывают, что большую часть заданного объема можно заполнить твердыми сферами, если сначала он заполнится большими сферами, а затем промежутки между (промежутками ) заполняются сферами меньшего размера, а новые пустоты заполняются сферами еще меньшего размера как можно больше раз. По этой причине контроль гранулометрического состава может быть весьма важным при выборе заполнителя; необходимо соответствующее моделирование или эксперименты для определения оптимальных пропорций частиц разного размера.
Верхний предел размера частиц зависит от количества потока, необходимого до схватывания композита (гравий в асфальте может быть довольно крупным, но для плитки <17 необходимо использовать мелкий песок>раствор ), в то время как нижний предел обусловлен толщиной материала матрицы, при которой его свойства изменяются (глина не входит в состав бетона, потому что она «впитывает» матрицу, предотвращая прочную связь с другими частицами заполнителя). Распределение частиц по размерам также является предметом многочисленных исследований в областях керамики и порошковой металлургии.
Некоторые исключения из этого правила включают:
Прочность представляет собой компромисс между (часто противоречащими) требованиями прочности и пластичности. Во многих случаях агрегат будет обладать одним из этих свойств и выиграет, если матрица сможет добавить то, чего ему не хватает. Возможно, наиболее доступными примерами этого являются композиты с органической матрицей и керамическим заполнителем, такие как асфальтобетон («асфальт») и (т. Е. Нейлон, смешанный с порошкообразным стеклом ), хотя большинство композитов с металлической матрицей также выигрывают от этого эффекта. В этом случае необходим правильный баланс твердых и мягких компонентов, иначе материал станет либо слишком слабым, либо слишком хрупким.
Свойства многих материалов радикально меняются при малых масштабах длины (см. нанотехнологии ). В случае, когда это изменение желательно, для обеспечения хорошей производительности необходим определенный диапазон размеров агрегата. Это, естественно, устанавливает нижний предел количества используемого матричного материала.
Если не реализован какой-либо практический метод ориентации частиц в микро- или нанокомпозитах, их небольшой размер и (обычно) высокая прочность по отношению к связи частицы с матрицей позволяют любой макроскопический объект изготовленные из них, во многих отношениях должны рассматриваться как совокупный композит.
Хотя массовый синтез таких наночастиц, как углеродные нанотрубки в настоящее время слишком дорог для широкого использования, некоторые менее экстремальные наноструктурированные материалы могут быть синтезированы традиционными методами, включая электроспиннинг и спрей пиролиз. Один важный агрегат, полученный пиролизом распылением, представляет собой стеклянные микросферы. Часто называемые микрошариками, они состоят из полой оболочки толщиной в несколько десятков нанометров и диаметром примерно один микрометр. Отливка их в полимерную матрицу дает синтаксическую пену с чрезвычайно высокой прочностью на сжатие при ее низкой плотности.
Многие традиционные нанокомпозиты избегают проблемы синтеза агрегатов одним из двух способов:
Природные агрегаты : Наиболее широко используемые агрегаты для нанокомпозитов встречаются в природе. Обычно это керамические материалы, кристаллическая структура которых чрезвычайно направлена, что позволяет легко разделять их на хлопья или волокна. Нанотехнология, рекламируемая General Motors для использования в автомобилестроении, относится к первой категории: мелкозернистая глина с ламинарной структурой, взвешенная в термопластическом олефине. (класс, который включает множество обычных пластиков, таких как полиэтилен и полипропилен ). Последняя категория включает волокнистые асбестовые композиты (популярные в середине 20-го века), часто с матричными материалами, такими как линолеум и портландцемент.
образование агрегатов на месте : Многие микрокомпозиты образуют свои агрегированные частицы в процессе самосборки. Например, в ударопрочном полистироле две несмешивающиеся фазы полимера (включая хрупкий полистирол и каучукоподобный полибутадиен ) смешиваются вместе. Специальные молекулы (привитые сополимеры ) включают отдельные части, которые растворимы в каждой фазе и поэтому стабильны только на границе раздела между ними, как детергент. Поскольку количество молекул этого типа определяет межфазную площадь, и поскольку сферы образуются естественным образом, чтобы минимизировать поверхностное натяжение, химики-синтетики могут контролировать размер капель полибутадиена в расплавленной смеси, которые затвердевают с образованием резиноподобных агрегатов в жесткая матрица. аналогичный пример из области металлургии. В стеклокерамике заполнитель часто выбирают так, чтобы он имел отрицательный коэффициент теплового расширения, а пропорцию заполнителя к матрице отрегулировали так, чтобы общее расширение было очень близким к нулю. Размер заполнителя можно уменьшить, чтобы материал был прозрачным для инфракрасного света.
