Agregát (kompozitní) - Aggregate (composite)
Kamenivo je složka kompozitního materiálu, která odolává tlakovému napětí a poskytuje kompozitnímu materiálu objem. Pro efektivní plnění by agregát měl být mnohem menší než hotový předmět, ale měl by mít širokou škálu velikostí. Například částice kamene používané k výrobě betonu obvykle zahrnují jak písek, tak štěrk .
Srovnání s vláknovými kompozity
Souhrnné kompozity mají tendenci být mnohem snadněji vyrobitelné a mnohem předvídatelnější ve svých hotových vlastnostech než vláknové kompozity . Orientace vláken a kontinuita mohou mít ohromný účinek, ale může být obtížné je kontrolovat a hodnotit. Kromě výroby jsou agregované materiály také obvykle levnější; nejběžnější agregáty uvedené výše se vyskytují v přírodě a lze je často použít pouze s minimálním zpracováním.
Ne všechny kompozitní materiály obsahují kamenivo. Agregované částice mají tendenci mít přibližně stejné rozměry v každém směru (tj. Poměr stran asi jeden), takže agregované kompozity nevykazují úroveň synergie, kterou vláknové kompozity často mají. Silný agregát držený pohromadě slabou matricí bude mít slabé napětí , zatímco vlákna mohou být méně citlivá na vlastnosti matrice, zvláště pokud jsou správně orientována a probíhají po celé délce dílu (tj. Spojité vlákno ).
Většina kompozitů je naplněna částicemi, jejichž poměr stran leží někde mezi orientovanými vlákny a sférickými agregáty. Dobrým kompromisem je nasekané vlákno , kde se výkon vlákna nebo látky vyměňuje ve prospěch více technik zpracování podobných agregátu. Používají se také elipsoidní a deskovité agregáty.
Souhrnné vlastnosti
Ve většině případů by ideální hotový kus byl 100% agregát. Nejžádanější kvalita dané aplikace (ať už je to vysoká pevnost, nízká cena, vysoká dielektrická konstanta nebo nízká hustota) je obvykle nejvýznamnější v samotném agregátu; vše, co agregátu chybí, je schopnost proudit v malém měřítku a vytvářet připevnění mezi částicemi. Matice je speciálně vybrána, aby sloužila této roli, ale její schopnosti by neměly být zneužívány.
Celková velikost
Experimenty a matematické modely ukazují, že větší část daného objemu může být vyplněna tvrdými koulemi, pokud je nejprve vyplněna velkými koulemi, potom jsou mezery mezi ( mezerami ) vyplněny menšími koulemi a nové mezery vyplněny ještě menšími koulemi tolik jak je to možné. Z tohoto důvodu může být kontrola distribuce velikosti částic docela důležitá při výběru agregátu; k určení optimálního poměru částic různé velikosti jsou nutné vhodné simulace nebo experimenty.
Horní hranice velikosti částic závisí na potřebném množství toku před zatuhnutím kompozitu (štěrk v dlažbovém betonu může být poměrně hrubý, ale pro obkladovou maltu musí být použit jemný písek ), zatímco spodní limit je způsoben tloušťkou matrice materiál, u kterého se jeho vlastnosti mění (jíl není obsažen v betonu, protože by „absorboval“ matrici a zabránil silné vazbě na další agregované částice). Distribuce velikosti částic je také předmětem mnoha studií v oborech keramiky a práškové metalurgie .
Některé výjimky z tohoto pravidla zahrnují:
Zpevněné kompozity
Tvrdost je kompromisem mezi (často protichůdnými) požadavky na pevnost a plasticitu . V mnoha případech bude mít agregát jednu z těchto vlastností a bude mít výhodu, pokud matice může přidat to, co jí chybí. Snad nejdostupnějším příkladem jsou kompozity s organickou matricí a keramickým kamenivem, jako je asfaltový beton („asfalt“) a plněný plast (tj. Nylon smíchaný s práškovým sklem ), ačkoli většina těchto kompozitů s kovovou matricí také těží z tohoto efektu. V takovém případě je nutné správné vyvážení tvrdých a měkkých součástí, jinak bude materiál příliš slabý nebo příliš křehký.
Nanokompozity
Mnoho vlastností materiálů se radikálně mění v malých délkových měřítcích (viz nanotechnologie ). V případě, že je tato změna žádoucí, je pro zajištění dobrého výkonu nezbytný určitý rozsah velikosti agregátu. Tím se přirozeně stanoví spodní hranice množství použitého materiálu matrice.
Pokud není implementována nějaká praktická metoda pro orientaci částic v mikro- nebo nanokompozitech, jejich malá velikost a (obvykle) vysoká pevnost ve vztahu k vazbě částice a matice umožňuje, aby se s jakýmkoli makroskopickým objektem z nich vyrobeným zacházelo v mnoha respektuje.
Zatímco hromadná syntéza takových nanočástic, jako jsou uhlíkové nanotrubičky, je v současné době příliš nákladná pro široké použití, některé méně extrémní nanostrukturované materiály lze syntetizovat tradičními metodami, včetně elektrostatického zvlákňování a sprejové pyrolýzy . Jedním důležitým agregátem vyrobeným rozprašovací pyrolýzou jsou skleněné mikrokuličky . Často se nazývají mikrobalony , skládají se z duté skořápky o tloušťce několika desítek nanometrů a průměru přibližně jednoho mikrometru . Jejich odlitím do polymerní matrice se získá syntaktická pěna s extrémně vysokou pevností v tlaku pro její nízkou hustotu.
Mnoho tradičních nanokompozitů uniká problému syntézy agregátů jedním ze dvou způsobů:
Přírodní agregáty : Zdaleka nejpoužívanější agregáty pro nanokompozity se přirozeně vyskytují. Obvykle se jedná o keramické materiály, jejichž krystalická struktura je extrémně směrová, což umožňuje její snadné rozdělení na vločky nebo vlákna. Nanotechnologie nabízená společností General Motors pro automobilové použití je v první kategorii: jemnozrnná hlína s laminární strukturou suspendovanou v termoplastickém olefinu (třída, která zahrnuje mnoho běžných plastů, jako je polyethylen a polypropylen ). Druhá kategorie zahrnuje vláknité azbestové kompozity (populární v polovině 20. století), často s matricovými materiály, jako je linoleum a portlandský cement .
Tvorba agregátů in situ : Mnoho mikrokompozitů vytváří své agregované částice procesem samovolného sestavování. Například v polystyrenu s vysokou rázovou houževnatostí jsou smíchány dvě nemísitelné fáze polymeru (včetně křehkého polystyrenu a kaučukovitého polybutadienu ). Speciální molekuly ( roubované kopolymery ) zahrnují oddělené části, které jsou rozpustné v každé fázi, a tak jsou stabilní pouze na rozhraní mezi nimi, způsobem detergentu . Jelikož počet tohoto typu molekuly určuje mezipovrchovou oblast a protože se koule přirozeně tvoří, aby se minimalizovalo povrchové napětí , mohou syntetičtí chemici kontrolovat velikost kapiček polybutadienu v roztavené směsi, které tvrdnou a vytvářejí gumové agregáty v tvrdé matrici. Podobným příkladem z oblasti metalurgie je zesílení disperze . Ve sklokeramice je kamenivo často voleno tak, aby mělo záporný koeficient tepelné roztažnosti a poměr kameniva k matrici byl upraven tak, aby celková expanze byla velmi blízká nule. Souhrnnou velikost lze zmenšit, aby byl materiál průhledný pro infračervené světlo.