Гетерогенные или неоднофазные среды, к которым относятся и композиты (композиционные материалы), распространены в природе и широко используются в технике. Сравнительно простой способ получения состоит в механическом объединении нескольких компонентов, различающихся по своим свойствам. Путем всевозможных сочетаний составных элементов и видоизменением структурного построения можно создавать композиты с большим разнообразием физико-механических характеристик, зачастую несвойственных каждому в отдельности взятому компоненту.
Наполнитель распределяется в матрице с образованием различных структур (рис. 1): матричной (островковой), статистической, ориентированной или слоистой. Кроме того, частицы наполнителя могут распределяться в пространстве между гранулами или глобулами полимера. Все перечисленные структуры, за исключением, вероятно, матричной, встречаются в реальных композитах. Матричные являются моделями для теоретических расчетов.
Рис. 1. Различные типы структур, образуемых частицами наполнителя в полимере:
А – матричная (простая кубическая решетка);
Б – статистическая;
В – ориентированная;
Г – слоистая;
Д – Частицы находятся между гранулами (глобулами) полимера.
На свойства композиционных материалов влияет множество факторов. В частности многими исследованиями подтверждено, что они зависят от типа наполнителя и его концентрации, от формы и размера частиц, их способности к структурированию и физико-химического состояния поверхности, от типа полимера и его физического состояния, от способа и технологических параметров изготовления и переработки материала, а также от внешних факторов – частоты электромагнитного поля, температуры, давления, воздействия электрического и магнитного полей при изготовлении композита.
Одним из самых существенных параметров, определяющих основные свойства композитов, является концентрация наполнителя x. Так, при изменении x в пределах от 0 до 1 электропроводность возрастает от электропроводности матрицы до электропроводности наполнителя, причем увеличение происходит немонотонно.
Если в начальный момент все пространство заполнено диэлектриком (рис. 2, а), а затем случайным образом вводятся вкрапления проводника, то при малой концентрации проводящего наполнителя xпроводящие области появляются одиночно или в виде небольших скоплений, или кластеров. По мере возрастания x появляются и большие скопления, которые вместе с малыми образуют, так называемые, изолированные кластеры. Когда концентрация x приближается к критической xС, большие кластеры начинают сливаться друг с другим и возникают скопления, разделенные друг от друга узким непроводящим материалом. При x=xС образуется, так называемый, бесконечный кластер, система становится проводящей (рис. 2, б). По мере возрастания x>xС бесконечный кластер увеличивается, поглощая меньшие кластеры, и проводящие цепочки пронизывают всю систему, образуя структуру с взаимопроникающими компонентами (рис. 2, в). При достаточно больших значениях x возникает система проводящая основа – изолированные включения диэлектрика (рис. 2, г). При x=1 вся система становится однородной и проводящей.
Рис. 2. Модель двухкомпонентной неоднородной системы:
а – проводящие изолированные кластеры (x<xС);
б – появление бесконечного кластера из проводника;
в – взаимопроникающие компоненты (x=0,5);
г – бесконечные кластеры из проводника, изолированные кластеры из диэлектрика.
(зеленая область – проводник, малиновая – диэлектрик)
Следует отметить, что при низких x частицы наполнителя имеют большое количество степеней свободы и могут быть размещены в объеме композита большим числом способов. Поэтому электропроводность низконаполненных полимерных композиционных материалов определяется в основном распределением и ориентацией наполнителя. В высоконаполненных полимерных композитах онаприближается к электропроводности наполнителя и разность между ними определяется в большей степени контактным сопротивлением между частицами наполнителя.
Для описания свойств композитов используют модель эффективной среды, теорию перколяции (протекания), вероятностные методы и термодинамические модели.