Komposiitmaterjalid ja mikrostruktuur

Komposiitmaterjal on tahtlikult ehitatud kahest või enamast eraldiseisvast koostismaterjalist, mis jäävad valmis materjalis füüsiliselt eraldiseisvaks ja tuvastatavaks, selle asemel et lahustuda üheks ühtlaseks aineks. Eesmärk on ühendada iga koostisosa parimad omadused, tasakaalustades samal ajal teise nõrkusi — kombinatsioon, mis hästi kavandatud komposiidis tekitab üldised omadused, mis ületavad seda, mida lihtne koostisosade kaalutud keskmine ennustaks, eriti selliste omaduste jaoks nagu purunemissitkus ja kahjustuste taluvus, mis sõltuvad kriitiliselt sisemisest mikrostruktuurist, mitte ainult koguselisest koostisest.

Enamik konstruktsioonilisi komposiite järgib ühist arhitektuuri: tugevdav faas, tavaliselt jäigad, tugevad kiud või osakesed, sisestatuna ümbritsevasse maatriksfaasi, tavaliselt võrdlemisi pehmemasse ja sitkemasse materjali nagu polümeervaik, metall või keraamika. Tugevdav faas on valitud kõrge jäikuse ja tugevuse tõttu, kuid tugevad jäigad materjalid nagu süsinik- või klaaskiud on tavaliselt ka haprad ega saa ise kergesti kujundatud kasulikuks koormust kandvaks struktuuriks — üksikul pikal kiul puudub üksinda võime hoida end mõlemast otsast jäigalt, ja üksi hapras kiuvõrgustik oleks katastroofiliselt haavatav mistahes väikese defekti või takistamatult läbi selle leviva pragu suhtes. Maatriks lahendab mõlemad probleemid: see hoiab tugevdavat faasi fikseeritud, kasulikus geomeetrilises paigutuses ja kannab mehaanilise koormuse üksikute kiudude või osakeste vahel üle nihkejõu abil kiu-maatriksi liidesel, nii et pragu või defekt üheski kius on piiratud, selle asemel et levida katastroofiliselt läbi kogu struktuuri, kuna ümbritsev maatriks ja naaberkiud jätkavad koormuse kandmist ümber kahjustatud piirkonna.

See rollide jaotus — tugevdus kannab koormust, maatriks seob ja jaotab seda — on täpselt see, mis lubab komposiidil ületada kummagi koostisosa üksikuid omadusi mõõdikutes, mis on konstruktsioonilise disaini jaoks olulised, kõige kuulsamalt jäikuse-kaalu ja tugevuse-kaalu suhtes: süsinikkiuga tugevdatud polümeerkomposiidid, näiteks, saavutavad jäikuse ja tugevuse, mis on konkurentsivõimeline konstruktsiooniliste metallidega, murdosalises kaalus, mis on põhjus, miks nad domineerivad lennundus-, tippjõudlusega autotööstuse ja spordikaupade rakendustes, kus kaalu minimeerimine mehaanilist jõudlust ohverdamata on peamine disainipiirang. Sama tugevdus- pluss-maatriks loogika laieneb graanul- ja osakestekomposiitidele (nagu betoon, mis on tugevdatud kruusaosakestega tsemendi maatriksis) ja looduslikele komposiitidele (nagu luu, jäikade mineraalikristallide komposiit sitkema kollageenvalgu maatriksis), näidates, et aluseks olev disainipõhimõte on üldine, mitte spetsiifiline ühelegi konkreetsele materjaliklassile.