 | В этой статье не процитировать какие - либо источники . ( декабрь 2009 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить это сообщение-шаблон ) |
Заполнитель - это компонент 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 содержат как песок, так и гравий .
Сравнение с волокнистыми композитами [ править ]
Составные композиты, как правило, намного проще в изготовлении и гораздо более предсказуемы по своим конечным свойствам, чем композиты на основе волокна . 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. Частицы заполнителя имеют тенденцию иметь примерно одинаковые размеры во всех направлениях (то есть соотношение сторон примерно равно единице), так что композиты заполнителя не демонстрируют уровень синергии, который часто проявляют композиты из волокон. 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 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. Хорошим компромиссом является рубленое волокно , когда характеристики нити или ткани уступают место более похожим на агрегат методам обработки. Также используются эллипсоидные и пластинчатые агрегаты.
Совокупные свойства [ править ]
В большинстве случаев идеальная готовая деталь будет состоять из 100% заполнителя. 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.
Общий размер [ править ]
Эксперименты и математические модели показывают, что большую часть данного объема можно заполнить твердыми сферами, если он сначала заполнен большими сферами, затем промежутки между ( промежутки ) заполнены меньшими сферами, а новые промежутки заполнены еще меньшими сферами. раз, насколько это возможно. По этой причине контроль гранулометрического состава может быть весьма важным при выборе заполнителя; необходимо соответствующее моделирование или эксперименты, чтобы определить оптимальные пропорции частиц разного размера.
Верхний предел размера частиц зависит от количества потока, необходимого до схватывания композита (гравий в бетоне для мощения может быть довольно крупным, но для плиточного раствора необходимо использовать мелкий песок ), тогда как нижний предел обусловлен толщиной матрицы. материал, у которого изменяются его свойства (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 области керамики и порошковой металлургии .
Некоторые исключения из этого правила включают:
Закаленные композиты [ править ]
Прочность - это компромисс между (часто противоречащими друг другу) 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 наполненный пластик (например, нейлон, смешанный с порошковым стеклом ), хотя большинство композитов с металлической матрицейтакже 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 [ править ]
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 для ориентации частиц в микро- или нанокомпозитах, их небольшой размер и (обычно) высокая прочность по отношению к связи частицы с матрицей позволяют рассматривать любой макроскопический объект, сделанный из них, как агрегатный композит во многих случаях. уважает.
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 пиролиз распылением . Одним из важных агрегатов, получаемых при пиролизе распылением, являются 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 агрегатного синтеза одним из двух способов:
Природные заполнители . Наиболее широко используемые заполнители для нанокомпозитов встречаются в природе. Обычно это керамические материалы, кристаллическая структура которых чрезвычайно направлена, что позволяет легко разделять их на хлопья или волокна. Нанотехнология, которую General Motors рекламирует для использования в автомобилях, относится к первой категории: мелкозернистая глина с ламинарной структурой, взвешенная в термопластичном олефине (класс, который включает многие распространенные пластмассы, такие как полиэтилен и полипропилен ). Последняя категория включает волокнистые композиты асбеста (популярные в середине 20 века), часто с матричными материалами, такими каклинолеум и портландцемент .
Формирование агрегатов на месте : многие микрокомпозиты образуют свои агрегатные 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 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. Подобный пример из области металлургии - дисперсионное упрочнение . 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.
См. Также [ править ]
- Строительный агрегат
- Агрегат (геология)
- Межфазная переходная зона (ITZ)
- Насыщенная-сухая поверхность
