الركام (المركب)

تُظهر التجارب والنماذج الرياضية أنه يمكن ملء حجم معين بكرات صلبة بشكل أكبر إذا مُلئ أولًا بكرات كبيرة، ثم مُلئت الفراغات بينها بكرات أصغر، ثم مُلئت الفراغات الجديدة بكرات أصغر فأكبر قدر ممكن. لهذا السبب، يُعد التحكم في توزيع حجم الجسيمات بالغ الأهمية عند اختيار الركام؛ لذا، تُعد المحاكاة أو التجارب المناسبة ضرورية لتحديد النسب المثلى للجسيمات ذات الأحجام المختلفة.

يعتمد الحد الأعلى لحجم الجسيمات على مقدار التدفق المطلوب قبل تصلب المادة المركبة (يمكن أن يكون الحصى في خرسانة الرصف خشنًا إلى حد ما، ولكن يجب استخدام الرمل الناعم لمونة البلاط )، بينما يرجع الحد الأدنى إلى سمك مادة المصفوفة التي تتغير عندها خصائصها (لا يُضاف الطين إلى الخرسانة لأنه "يمتص" المصفوفة، مما يمنع الترابط القوي مع جسيمات الركام الأخرى). كما أن توزيع حجم الجسيمات موضوعٌ للعديد من الدراسات في مجالي السيراميك وتعدين المساحيق .

تُعدّ المتانة حلاً وسطاً بين متطلبات القوة واللدونة ( التي غالباً ما تكون متناقضة) . في كثير من الحالات، يمتلك الركام إحدى هاتين الخاصيتين، ويستفيد إذا أضافت المادة الأساسية ما ينقصه. ولعلّ أبرز الأمثلة على ذلك هي المواد المركبة ذات المادة الأساسية العضوية والركام الخزفي ، مثل الخرسانة الإسفلتية ("التارمك") والبلاستيك المُدعّم (أي النايلون الممزوج بمسحوق الزجاج )، مع العلم أن معظم المواد المركبة ذات المادة الأساسية المعدنية تستفيد أيضاً من هذا التأثير. في هذه الحالة، يُعدّ التوازن الصحيح بين المكونات الصلبة واللينة ضرورياً، وإلا ستصبح المادة إما ضعيفة للغاية أو هشة للغاية.

تتغير العديد من خصائص المواد بشكل جذري على نطاقات طولية صغيرة (انظر تقنية النانو ). وفي حال كان هذا التغيير مرغوبًا فيه، فمن الضروري وجود نطاق معين من حجم الركام لضمان الأداء الجيد. وهذا بدوره يفرض حدًا أدنى لكمية مادة المصفوفة المستخدمة.

ما لم يتم تطبيق طريقة عملية لتوجيه الجسيمات في المركبات الدقيقة أو النانوية، فإن صغر حجمها وقوتها العالية (عادةً) بالنسبة لرابطة الجسيمات بالمصفوفة يسمح بمعاملة أي جسم كبير مصنوع منها على أنه مركب متجمع من نواحٍ عديدة.

في حين أن تصنيع كميات كبيرة من الجسيمات النانوية، مثل أنابيب الكربون النانوية، مكلف للغاية حاليًا للاستخدام الواسع النطاق، إلا أنه يمكن تصنيع بعض المواد النانوية الأقل تعقيدًا باستخدام الطرق التقليدية، بما في ذلك الغزل الكهربائي والتحلل الحراري بالرش . ومن أهم المواد المُصنّعة بالتحلل الحراري بالرش الكريات المجهرية الزجاجية ، والتي تُعرف أيضًا باسم البالونات المجهرية ، وتتكون من غلاف مجوف بسمك عشرات النانومترات وقطر يبلغ حوالي ميكرومتر واحد . ويؤدي صبّها في مصفوفة بوليمرية إلى إنتاج رغوة تركيبية ، تتميز بقوة ضغط عالية للغاية مقارنةً بكثافتها المنخفضة.

تتجنب العديد من المواد النانوية المركبة التقليدية مشكلة التجميع التركيبي بإحدى طريقتين:

الركام الطبيعي : يُعدّ الركام الطبيعي الأكثر استخدامًا في المواد النانوية المركبة. وعادةً ما تكون هذه المواد خزفية ذات بنية بلورية شديدة التوجيه، مما يُسهّل فصلها إلى رقائق أو ألياف. وتندرج تقنية النانو التي تروج لها شركة جنرال موتورز للاستخدام في السيارات ضمن الفئة الأولى: وهي عبارة عن طين ناعم الحبيبات ذي بنية صفائحية معلق في مادة أوليفينية حرارية (وهي فئة تشمل العديد من أنواع البلاستيك الشائعة مثل البولي إيثيلين والبولي بروبيلين ). أما الفئة الثانية فتشمل مركبات الأسبستوس الليفية (التي شاعت في منتصف القرن العشرين)، وغالبًا ما تُستخدم فيها مواد أساسية مثل مشمع الأرضيات وأسمنت بورتلاند .

تكوين التجمعات في الموقع : تُشكّل العديد من المواد المركبة الدقيقة جزيئاتها المتجمعة من خلال عملية التجميع الذاتي. على سبيل المثال، في البوليسترين عالي التأثير ، تُخلط مرحلتان غير قابلتين للامتزاج من البوليمر (بما في ذلك البوليسترين الهش والبولي بوتادين المطاطي). تحتوي جزيئات خاصة ( بوليمرات مطعمة ) على أجزاء منفصلة قابلة للذوبان في كل مرحلة، وبالتالي فهي مستقرة فقط عند السطح البيني بينهما، كما هو الحال في المنظفات . بما أن عدد هذا النوع من الجزيئات يُحدد مساحة السطح البيني، وبما أن الكرات تتشكل بشكل طبيعي لتقليل التوتر السطحي ، يستطيع الكيميائيون المتخصصون في التركيب التحكم في حجم قطرات البولي بوتادين في الخليط المنصهر، والتي تتصلب لتُشكّل تجمعات مطاطية في مصفوفة صلبة. يُعدّ تقوية التشتت مثالًا مشابهًا من مجال علم المعادن . في السيراميك الزجاجي ، غالبًا ما يُختار التجمع بحيث يكون له معامل تمدد حراري سالب ، ويتم تعديل نسبة التجمع إلى المصفوفة بحيث يكون التمدد الكلي قريبًا جدًا من الصفر. يمكن تقليل حجم الركام بحيث تصبح المادة شفافة للأشعة تحت الحمراء .