El agregado es el componente de un material compuesto que resiste la tensión de compresión y proporciona volumen al material compuesto. Para un llenado eficiente, el agregado debe ser mucho más pequeño que el producto terminado, pero tener una amplia variedad de tamaños. Por ejemplo, las partículas de piedra que se utilizan para fabricar hormigón suelen incluir tanto arena como grava .
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 continuidad de las fibras pueden tener un efecto abrumador, pero pueden ser difíciles de controlar y evaluar. Dejando a un 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, pueden usarse con un procesamiento mínimo.
No todos los materiales compuestos incluyen agregados. Las partículas de agregado 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 fibras. Un agregado fuerte mantenido 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 orientadas adecuadamente y recorren toda la longitud de la pieza (es decir, un filamento continuo ).
La mayoría de los compuestos están llenos de partículas cuya relación de aspecto se encuentra entre filamentos orientados y agregados esféricos. Un buen compromiso es la fibra cortada , donde el rendimiento del filamento o la tela se compensa a favor de técnicas de procesamiento más similares a las de agregados. También se utilizan agregados elipsoides y en forma de placa.
En la mayoría de los casos, la pieza acabada ideal sería 100% árido. La cualidad más deseable de una determinada aplicación (ya sea alta resistencia, bajo costo, alta constante dieléctrica o baja densidad) suele ser más prominente en el agregado mismo; Lo único que le falta al agregado es la capacidad de fluir a pequeña escala y formar uniones entre las partículas. La matriz se elige específicamente para cumplir esta función, pero no se debe abusar de sus capacidades.
Los experimentos y los 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 ellos (intersticios) se llenan con esferas más pequeñas, y los nuevos intersticios se llenan con esferas aún más pequeñas tantas veces como sea necesario. veces 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 requerido antes de que fragüe el compuesto (la grava en el hormigón para pavimentar puede ser bastante gruesa, pero se debe usar arena fina para el mortero para losas ), mientras que el límite inferior se debe al espesor de la matriz. material en el que cambian sus propiedades (la arcilla no se incluye en el hormigón porque "absorbería" la matriz, impidiendo una fuerte unión 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 sean los compuestos con una matriz orgánica y agregado cerámico , como el hormigón asfáltico ("tarmac") y el 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 entre los componentes duros y blandos o el material se volverá demasiado débil o demasiado quebradizo.
Las propiedades de muchos materiales cambian radicalmente en escalas de longitud pequeñas (ver nanotecnología ). En el caso en que este cambio sea deseable, es necesario un cierto rango de tamaño de agregado para garantizar un buen desempeño. Naturalmente, esto establece un límite inferior a 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 (generalmente) alta resistencia en relación con el enlace partícula-matriz permite que cualquier objeto macroscópico hecho a partir de ellas sea tratado como un compuesto agregado en muchos casos. saludos.
Si bien la síntesis masiva de nanopartículas como los nanotubos de carbono es actualmente demasiado costosa para su uso generalizado, algunos materiales nanoestructurados menos extremos pueden sintetizarse mediante métodos tradicionales, incluidos el electrohilado y la pirólisis por pulverización . Un agregado importante elaborado mediante pirólisis por pulverización son las microesferas de vidrio . A menudo llamados microglobos , consisten en una capa hueca de varias decenas de nanómetros de espesor y aproximadamente un micrómetro de diámetro. Al fundirlos en una matriz polimérica 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 dos maneras:
Agregados naturales : con diferencia, los agregados más utilizados para los nanocompuestos son los de origen natural. Generalmente se trata de materiales cerámicos cuya estructura cristalina es extremadamente direccional, lo que permite separarlos fácilmente en escamas o fibras. La nanotecnología promocionada por General Motors para uso automotriz 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 última categoría incluye compuestos fibrosos de amianto (populares a mediados del siglo XX), a menudo con materiales de matriz como linóleo y cemento Portland .
Formación de agregados in situ : muchos microcompuestos forman sus partículas de agregado 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, sólo son estables en la interfaz entre ellas, a la manera de un detergente . Dado que el número de este tipo de molécula determina el área interfacial, y dado 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 refuerzo por dispersión es un ejemplo similar del campo de la metalurgia . En vitrocerámica , a menudo se elige que el agregado tenga un coeficiente de expansión térmica negativo y se ajusta la proporción de agregado a matriz de manera 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 .