El agregado es el componente de un material compuesto que resiste la tensión de compresión y proporciona volumen al material compuesto. Para un relleno eficiente, el agregado debe ser mucho más pequeño que el artículo terminado, pero tener una amplia variedad de tamaños. Los agregados generalmente se agregan para aumentar la resistencia de los materiales compuestos. Por ejemplo, las partículas de piedra que se usan para hacer hormigón generalmente incluyen arena y grava . Muchos cementos de construcción agregan agregados para aumentar su resistencia mecánica. [1] Los agregados constituyen el 60-80% del volumen del hormigón y el 70-85% de la masa del hormigón. [1]
Los compuestos de agregados tienden a ser mucho más fáciles de fabricar y mucho más predecibles en sus propiedades finales que los compuestos de fibra . La orientación y la continuidad de las fibras pueden tener un efecto abrumador, pero pueden ser difíciles de controlar y evaluar. Dejando de lado la fabricación, los materiales agregados en sí también tienden a ser menos costosos; los agregados más comunes mencionados anteriormente se encuentran en la naturaleza y, a menudo, se pueden usar con un procesamiento mínimo.
No todos los materiales compuestos incluyen agregados. Las partículas de agregados tienden a tener aproximadamente las mismas dimensiones en todas las direcciones (es decir, una relación de aspecto de aproximadamente uno), de modo que los compuestos de agregados no muestran el nivel de sinergia que suelen tener los compuestos de fibra. Un agregado fuerte unido por una matriz débil será débil en tensión , mientras que las fibras pueden ser menos sensibles a las propiedades de la matriz, especialmente si están correctamente orientadas y recorren toda la longitud de la pieza (es decir, un filamento continuo ).
La mayoría de los materiales compuestos están rellenos de partículas cuya relación de aspecto se encuentra en algún punto entre los filamentos orientados y los agregados esféricos. Una buena solución intermedia es la fibra picada , en la que se compensa el rendimiento del filamento o la tela a favor de técnicas de procesamiento más parecidas a los agregados. También se utilizan agregados en forma de elipsoide y de placa.
En la mayoría de los casos, la pieza final ideal sería 100% áridos. La cualidad más deseable para una aplicación determinada (ya sea alta resistencia, bajo costo, alta constante dieléctrica o baja densidad) suele ser más prominente en el propio árido; lo único que le falta al árido es la capacidad de fluir a pequeña escala y formar uniones entre partículas. La matriz se elige específicamente para cumplir esta función, pero no se debe abusar de sus capacidades.
Los experimentos y modelos matemáticos muestran que se puede llenar una mayor parte de un volumen dado con esferas duras si primero se llena con esferas grandes, luego los espacios entre ellas (intersticios) se llenan con esferas más pequeñas y los nuevos intersticios se llenan con esferas aún más pequeñas tantas veces como sea posible. Por esta razón, el control de la distribución del tamaño de las partículas puede ser muy importante en la elección del agregado; se necesitan simulaciones o experimentos apropiados para determinar las proporciones óptimas de partículas de diferentes tamaños.
El límite superior del tamaño de las partículas depende de la cantidad de flujo necesaria antes de que el compuesto se endurezca (la grava en el hormigón para pavimentos puede ser bastante gruesa, pero se debe utilizar arena fina para el mortero de baldosas ), mientras que el límite inferior se debe al espesor del material de la matriz en el que cambian sus propiedades (la arcilla no se incluye en el hormigón porque "absorbería" la matriz, impidiendo una unión fuerte con otras partículas de agregado). La distribución del tamaño de las partículas también es objeto de mucho estudio en los campos de la cerámica y la pulvimetalurgia .
Algunas excepciones a esta regla incluyen:
La tenacidad es un compromiso entre los requisitos (a menudo contradictorios) de resistencia y plasticidad . En muchos casos, el agregado tendrá una de estas propiedades y se beneficiará si la matriz puede agregar lo que le falta. Quizás los ejemplos más accesibles de esto son los compuestos con una matriz orgánica y agregado cerámico , como el hormigón asfáltico ("tarmac") y plástico relleno (es decir, nailon mezclado con vidrio en polvo ), aunque la mayoría de los compuestos de matriz metálica también se benefician de este efecto. En este caso, es necesario el equilibrio correcto de componentes duros y blandos o el material se volverá demasiado débil o demasiado quebradizo.
Muchas propiedades de los materiales cambian radicalmente en escalas de longitud pequeñas (véase nanotecnología ). En el caso en que este cambio sea deseable, es necesario un cierto rango de tamaño de agregado para garantizar un buen rendimiento. Esto naturalmente establece un límite inferior para la cantidad de material de matriz utilizado.
A menos que se implemente algún método práctico para orientar las partículas en micro o nanocompuestos, su pequeño tamaño y su (generalmente) alta resistencia en relación con el enlace partícula-matriz permiten que cualquier objeto macroscópico hecho a partir de ellas sea tratado como un compuesto agregado en muchos aspectos.
Aunque la síntesis en masa de nanopartículas como los nanotubos de carbono es actualmente demasiado cara para su uso generalizado, algunos materiales nanoestructurados menos extremos se pueden sintetizar mediante métodos tradicionales, como el electrohilado y la pirólisis por pulverización . Un agregado importante obtenido mediante pirólisis por pulverización son las microesferas de vidrio . A menudo denominadas microesferas , consisten en una carcasa hueca de varias decenas de nanómetros de espesor y aproximadamente un micrómetro de diámetro. Al fundirlas en una matriz de polímero se obtiene una espuma sintáctica , con una resistencia a la compresión extremadamente alta para su baja densidad.
Muchos nanocompuestos tradicionales escapan al problema de la síntesis de agregados de una de dos maneras:
Agregados naturales : Los agregados más utilizados para nanocompuestos son, con diferencia, los que se producen de forma natural. Por lo general, se trata de materiales cerámicos cuya estructura cristalina es extremadamente direccional, lo que permite separarla fácilmente en copos o fibras. La nanotecnología promocionada por General Motors para su uso en la automoción pertenece a la primera categoría: una arcilla de grano fino con una estructura laminar suspendida en una olefina termoplástica (una clase que incluye muchos plásticos comunes como el polietileno y el polipropileno ). La segunda categoría incluye los compuestos fibrosos de amianto (populares a mediados del siglo XX), a menudo con materiales de matriz como el linóleo y el cemento Portland .
Formación de agregados in situ : Muchos microcompuestos forman sus partículas de agregados mediante un proceso de autoensamblaje. Por ejemplo, en el poliestireno de alto impacto , se mezclan dos fases inmiscibles de polímero (incluido el poliestireno quebradizo y el polibutadieno gomoso ). Las moléculas especiales ( copolímeros de injerto ) incluyen porciones separadas que son solubles en cada fase y, por lo tanto, solo son estables en la interfaz entre ellas, a la manera de un detergente . Dado que la cantidad de este tipo de moléculas determina el área interfacial y que las esferas se forman naturalmente para minimizar la tensión superficial , los químicos sintéticos pueden controlar el tamaño de las gotas de polibutadieno en la mezcla fundida, que se endurecen para formar agregados gomosos en una matriz dura. El fortalecimiento por dispersión es un ejemplo similar del campo de la metalurgia . En la vitrocerámica , a menudo se elige el agregado para que tenga un coeficiente de expansión térmica negativo y se ajusta la proporción de agregado a matriz de modo que la expansión general sea muy cercana a cero. El tamaño del agregado se puede reducir para que el material sea transparente a la luz infrarroja .