Заполнитель — это компонент композитного материала , который выдерживает сжимающее напряжение и обеспечивает объем композитного материала. Для эффективного заполнения заполнитель должен быть намного меньше готового изделия, но иметь широкий диапазон размеров. Заполнители обычно добавляются для повышения прочности композитных материалов. Например, частицы камня, используемые для изготовления бетона, обычно включают как песок, так и гравий . Во многие строительные цементы добавляют заполнители для повышения их механической прочности. [1] Заполнители составляют 60–80 % объема бетона и 70–85 % массы бетона. [1]
Композиты на основе заполнителя, как правило, гораздо проще в изготовлении и гораздо более предсказуемы в своих конечных свойствах, чем композиты на основе волокон . Ориентация и непрерывность волокон могут иметь подавляющее влияние, но их может быть трудно контролировать и оценивать. Помимо изготовления, сами по себе материалы на основе заполнителя также, как правило, менее дороги; наиболее распространенные заполнители, упомянутые выше, встречаются в природе и часто могут использоваться с минимальной обработкой.
Не все композитные материалы включают в себя агрегат. Частицы агрегата, как правило, имеют примерно одинаковые размеры в каждом направлении (то есть соотношение сторон около единицы), поэтому композиты с агрегатом не демонстрируют тот уровень синергии , который часто демонстрируют волокнистые композиты. Прочный агрегат, удерживаемый вместе 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 (то есть непрерывная нить ).
Большинство композитов заполнены частицами, соотношение сторон которых находится где-то между ориентированными нитями и сферическими агрегатами. Хорошим компромиссом является рубленое волокно , где производительность нити или ткани уступает место более агрегатоподобным технологиям обработки. Также используются эллипсоидные и пластинчатые агрегаты.
В большинстве случаев идеальной готовой деталью будет 100%-ный заполнитель. Наиболее желательное качество конкретного применения (будь то высокая прочность, низкая стоимость, высокая диэлектрическая проницаемость или низкая плотность) обычно наиболее заметно в самом заполнителе; все, чего не хватает заполнителю, — это способность течь в малых масштабах и образовывать связи между частицами. Матрица специально выбирается для выполнения этой роли, но ее возможностями не следует злоупотреблять.
Эксперименты и математические модели показывают, что большую часть заданного объема можно заполнить твердыми сферами, если сначала заполнить его большими сферами, затем пространства между ними (промежутки) заполнить более мелкими сферами, а новые промежутки заполнить еще более мелкими сферами столько раз, сколько возможно. По этой причине контроль распределения размеров частиц может быть весьма важен при выборе заполнителя; для определения оптимальных пропорций частиц разного размера необходимы соответствующие симуляции или эксперименты.
Верхний предел размера частиц зависит от количества потока, необходимого для застывания композита (гравий в бетоне для мощения может быть довольно крупным, но для раствора для плитки необходимо использовать мелкий песок ), тогда как нижний предел обусловлен толщиной материала матрицы, при которой его свойства изменяются (глина не включается в бетон, поскольку она «поглощает» матрицу, предотвращая прочную связь с другими частицами заполнителя). Распределение размеров частиц также является предметом многочисленных исследований в области керамики и порошковой металлургии .
Некоторые исключения из этого правила включают в себя:
Прочность — это компромисс между (часто противоречивыми) требованиями прочности и пластичности . Во многих случаях заполнитель 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 («гудрон») и наполненный пластик (например, 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.
Многие свойства материалов радикально меняются в малых масштабах длины (см. нанотехнологии ). В случае, когда это изменение желательно, необходим определенный диапазон размеров агрегата для обеспечения хорошей производительности. Это, естественно, устанавливает нижний предел для количества используемого матричного материала.
Если не реализован какой-либо практический метод ориентации частиц в микро- или нанокомпозитах, их малый размер и (обычно) высокая прочность по отношению к связи частица-матрица позволяют рассматривать любой макроскопический объект, изготовленный из них, как агрегированный композит во многих отношениях.
В то время как 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 электропрядение и распылительный пиролиз . Одним из важных агрегатов, полученных распылительным пиролизом, являются стеклянные микросферы . Часто называемые микрошариками , они состоят из полой оболочки толщиной в несколько десятков нанометров и диаметром приблизительно один микрометр . Отливка их в полимерную матрицу дает синтактическую пену с чрезвычайно высокой прочностью на сжатие для ее низкой плотности.
Многие традиционные нанокомпозиты избегают проблемы синтеза агрегатов одним из двух способов:
Естественные 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, рекламируемая General Motors для использования в автомобильной промышленности, относится к первой категории: мелкозернистая глина с ламинарной структурой, взвешенная в термопластичном олефине (класс, который включает многие распространенные пластики, такие 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 формируют свои агрегатные частицы в процессе самосборки. Например, в ударопрочном полистироле две несмешивающиеся фазы полимера (включая хрупкий полистирол и резиноподобный полибутадиен ) смешиваются вместе. Специальные молекулы ( привитые сополимеры ) включают отдельные порции, которые растворимы в каждой фазе и, таким образом, стабильны только на границе раздела между ними, подобно моющему средству . Поскольку количество молекул этого типа определяет площадь поверхности раздела, и поскольку сферы естественным образом образуются для минимизации поверхностного натяжения , химики-синтетики могут контролировать размер капель полибутадиена в расплавленной смеси, которые затвердевают, образуя резиноподобные агрегаты в твердой матрице. Дисперсионное упрочнение является похожим примером из области металлургии . В стеклокерамике агрегат часто выбирается с отрицательным коэффициентом теплового расширения , а пропорция агрегата к матрице регулируется таким образом, чтобы общее расширение было очень близко к нулю. Размер заполнителя можно уменьшить настолько, что материал станет прозрачным для инфракрасного света.