Агрегатный (составной) - Aggregate (composite)

Шлифование конкретный разоблачает совокупность камни.

Совокупный компонент композитный материал который сопротивляется сжимающему напряжению 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 конкретный обычно включают как песок и гравий.

Сравнение с волокнистыми композитами

Агрегатные композиты как правило, намного проще в изготовлении и гораздо 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 имеют тенденцию иметь примерно одинаковые размеры во всех направлениях (т. Е. соотношение сторон примерно одного), так что совокупные композиты не отображают уровень синергия что часто делают волокнистые композиты. Сильный агрегат, удерживаемый слабым матрица будет слабым в напряжение, в то время как волокна могут быть менее чувствительны к свойствам матрицы, особенно если они правильно ориентированы и проходят по всей длине детали (т.е. непрерывная нить).

Большинство композитов заполнено частицами, соотношение сторон которых находится где-то между ориентированными нитями и сферическими агрегатами. Хороший компромисс - это рубленое волокно, где качество нити или ткани меняется в пользу методов обработки, более похожих на агрегаты. Эллипсоид также используются пластинчатые агрегаты.

Совокупные свойства

В большинстве случаев идеальная готовая деталь - это 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.

Совокупный размер

Эксперименты и математические модели показывают, что большую часть данного объема можно заполнить твердыми сферами, если сначала заполнить его большими сферами, а затем промежутки между (пустоты ) заполняются сферами меньшего размера, а новые пустоты заполняются сферами еще меньшего размера как можно больше раз. По этой причине контроль над Распределение частиц по размерам может иметь большое значение при выборе агрегата; 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 дорожном бетоне может быть довольно крупным, но для плитка ступка ), в то время как нижний предел обусловлен толщиной материала матрицы, при которой его свойства изменяются (глина не входит в состав бетона, потому что она «поглощает» матрицу, предотвращая прочную связь с другими частицами заполнителя). Распределение частиц по размерам также является предметом многих исследований в области керамика и порошковая металлургия.

Некоторые исключения из этого правила включают:

Закаленные композиты

Стойкость компромисс между (часто противоречащими) требованиями сила и пластичность. Во многих случаях агрегат будет обладать одним из этих свойств и выиграет, если матрица сможет добавить то, чего ему не хватает. Пожалуй, наиболее доступными примерами этого являются композиты с органический матрица и керамика совокупность, например асфальтобетон ("асфальт") и заполненный пластик (т.е. Нейлон смешанный с порошком стекло ), хотя большинство композиты с металлической матрицей также извлечь выгоду из этого эффекта. В этом случае необходим правильный баланс твердых и мягких компонентов, иначе материал станет либо слишком слабым, либо слишком хрупким.

Нанокомпозиты

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 будет 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 любому макроскопический объект, сделанный из них, во многих отношениях следует рассматривать как совокупность.

При массовом синтезе таких наночастиц, как углеродные нанотрубки в настоящее время слишком дорого для широкого использования, некоторые менее экстремальные наноструктурные материалы могут быть синтезированы традиционными методами, в том числе электроспиннинг и спрей пиролиз. Одним из важных агрегатов, получаемых методом распылительного пиролиза, является стеклянные микросферы. Часто называют микрошарики, они состоят из полой оболочки из нескольких десятков нанометры толстый и примерно один микрометр в диаметре. Бросая их в полимер матрица дает синтаксическая пена, с чрезвычайно высокой прочностью на сжатие при низкой плотности.

Многие традиционные нанокомпозиты избегают проблемы агрегатного синтеза одним из двух способов:

Природные агрегаты: Наиболее широко используемые заполнители для нанокомпозитов встречаются в природе. Обычно это керамические материалы, кристаллический структура чрезвычайно направленная, что позволяет легко разделять ее на хлопья или волокна. Нанотехнологии, рекламируемые Дженерал Моторс для автомобильного использования относится к первой категории: мелкозернистый глина с ламинарной структурой, подвешенной в термопласт олефин (класс, который включает в себя множество обычных пластиков, таких как полиэтилен и полипропилен ). К последней категории относятся фиброзные асбест композиты (популярные в середине 20 века), часто с матричными материалами, такими как линолеум и портландцемент.

Формирование агрегатов на месте: Многие микрокомпозиты образуют свои совокупные частицы в процессе самосборки. Например, при сильном воздействии полистирол, два несмешиваемый фазы полимер (включая хрупкий полистирол и каучукоподобный полибутадиен ) смешиваются вместе. Специальные молекулы (привитые сополимеры ) включают отдельные части, которые растворимы в каждой фазе и поэтому стабильны только в интерфейс между ними, как моющее средство. Поскольку количество молекул этого типа определяет площадь поверхности раздела, и поскольку сферы естественным образом образуются, чтобы минимизировать поверхностное натяжение, химики-синтетики могут контролировать размер капель полибутадиена в расплавленной смеси, которые затвердевают с образованием резиноподобных агрегатов в твердой матрице. Усиление дисперсии аналогичный пример из области металлургия. В стеклокерамика, совокупность часто выбирается так, чтобы иметь отрицательную коэффициент температурного расширения, а пропорция агрегата к матрице скорректирована так, чтобы общее расширение было очень близко к нулю. Размер заполнителя можно уменьшить так, чтобы материал был прозрачным для инфракрасный свет.