Заполнитель — это компонент композитного материала , который противостоит сжимающим напряжениям и придает композитному материалу объем. Для эффективного заполнения заполнитель должен быть намного меньше готового изделия, но иметь самые разнообразные размеры. Например, частицы камня, используемые для изготовления бетона , обычно включают в себя как песок , так и гравий .
Агрегатные композиты, как правило, гораздо проще изготовить, и их конечные свойства гораздо более предсказуемы, чем волокнистые композиты . Ориентация и непрерывность волокон могут иметь подавляющий эффект, но их трудно контролировать и оценивать. Помимо производства, сами заполнители также обычно дешевле; наиболее распространенные агрегаты, упомянутые выше, встречаются в природе и часто могут использоваться лишь с минимальной обработкой.
Не все композиционные материалы содержат заполнитель. Частицы заполнителя имеют тенденцию иметь примерно одинаковые размеры во всех направлениях (то есть соотношение сторон около единицы), поэтому композиты с заполнителями не демонстрируют тот уровень синергии , который часто демонстрируют волокнистые композиты. Прочный заполнитель, скрепленный 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. представляют собой непрерывную нить ).
Большинство композитов наполнены частицами, соотношение сторон которых находится где-то между ориентированными нитями и сферическими агрегатами. Хорошим компромиссом является рубленое волокно , при котором характеристики нити или ткани жертвуются в пользу методов обработки, более похожих на агрегаты. Также используются эллипсоидные и пластинчатые заполнители.
В большинстве случаев идеальной готовой деталью будет 100% заполнитель. Наиболее желательное качество данного применения (будь то высокая прочность, низкая стоимость, высокая диэлектрическая проницаемость или низкая плотность) обычно наиболее заметно в самом заполнителе; Все, чего не хватает агрегату, — это способности течь в небольших масштабах и образовывать связи между частицами. Матрица специально выбрана для этой роли, но ее возможностями не следует злоупотреблять.
Эксперименты и математические модели показывают, что большая часть данного объема может быть заполнена твердыми сферами, если сначала он будет заполнен большими сферами, затем пространства между (междоузлиями) будут заполнены меньшими сферами, а новые промежутки заполнены еще меньшими сферами, как можно больше раз, насколько это возможно. По этой причине контроль распределения частиц по размерам может быть весьма важным при выборе заполнителя; соответствующие симуляции или эксперименты необходимы для определения оптимальных пропорций частиц разного размера.
Верхний предел размера частиц зависит от количества расхода, необходимого для схватывания композита (гравий в бетоне для дорожного покрытия может быть довольно крупным, но для раствора для плитки необходимо использовать мелкий песок ), тогда как нижний предел обусловлен толщиной матрицы материал, при котором изменяются его свойства (глину не включают в состав бетона, поскольку она «поглощает» матрицу, препятствуя прочному сцеплению 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 в себя:
Прочность — это компромисс между (часто противоречивыми) 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 («гудронное покрытие») и наполненный пластик (т.е. нейлон, смешанный со стеклянным порошком ), 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 изменяются на малых масштабах длины (см. нанотехнологии ). В случае, когда такое изменение желательно, необходим определенный диапазон размера заполнителя для обеспечения хорошей производительности. 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 частица-матрица позволяет рассматривать любой макроскопический объект, изготовленный из них, как агрегатный композит во многих 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 электропрядение и распылительный пиролиз . Одним из важных агрегатов, полученных методом распылительного пиролиза, являются стеклянные микросферы . Их часто называют микросферами , они состоят из полой оболочки толщиной в несколько десятков нанометров и диаметром примерно один микрометр . Заливая их в полимерную матрицу, получается синтаксическая пена с чрезвычайно высокой прочностью на сжатие при низкой плотности.
Многие традиционные нанокомпозиты избегают проблемы синтеза агрегатов одним из двух способов:
Природные заполнители : безусловно, наиболее широко используемые заполнители для нанокомпозитов имеют природное происхождение. Обычно это керамические материалы, кристаллическая структура которых чрезвычайно направлена, что позволяет легко разделить их на чешуйки или волокна. Нанотехнология, рекламируемая General Motors для использования в автомобилях, относится к первой категории: мелкозернистая глина с пластинчатой 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 образуют агрегатные частицы в процессе самосборки. Например, в ударопрочном полистироле две несмешивающиеся фазы полимера (в том числе хрупкий полистирол и эластичный полибутадиен ) смешиваются вместе. Специальные молекулы ( привитые сополимеры ) включают отдельные части, растворимые в каждой фазе, и поэтому стабильны только на границе раздела между ними, как моющее средство . Поскольку количество молекул этого типа определяет площадь межфазной границы, а сферы естественным образом формируются для минимизации поверхностного натяжения , химики-синтетики могут контролировать размер капель полибутадиена в расплавленной смеси, которые затвердевают, образуя эластичные агрегаты в твердой матрице. Дисперсионное упрочнение – аналогичный пример из области металлургии . В стеклокерамике заполнитель часто выбирают с отрицательным коэффициентом теплового расширения , а пропорцию заполнителя к матрице подбирают так, чтобы общее расширение было близко к нулю. Размер заполнителя можно уменьшить, чтобы материал стал прозрачным для инфракрасного света.