骨材（複合材）

実験や数理モデルによると、一定体積を硬球で満たすには、まず大きな球で満たし、次に球間の隙間（間隙）に小さな球を詰め、さらに新しい隙間にできるだけ多くの小さな球を詰め込むという方法が有効であることが示されています。このため、凝集材の選択においては、粒子サイズ分布の制御が非常に重要になります。異なるサイズの粒子の最適な比率を決定するには、適切なシミュレーションや実験が必要です。

粒子サイズの上限は、複合材が固まる前に必要な流動量によって決まります（舗装用コンクリートの砂利はかなり粗くても構いませんが、タイルモルタルには細かい砂を使用する必要があります）。一方、下限は、マトリックス材料の特性が変化する厚さによって決まります（粘土はマトリックスを「吸収」し、他の骨材粒子との強い結合を妨げるため、コンクリートには含まれません）。粒子サイズ分布は、セラミックスや粉末冶金の分野でも多くの研究対象となっています。

靭性とは、強度と可塑性という（しばしば相反する）要求の間の妥協点である。多くの場合、骨材はこれらの特性のいずれか一方を備えており、マトリックスが不足している特性を補うことで、より優れた特性が得られる。おそらく最も身近な例は、有機マトリックスとセラミック骨材を用いた複合材料であり、例えばアスファルトコンクリート（「タールマック」）や充填プラスチック（ナイロンと粉末ガラスの混合物など）が挙げられるが、ほとんどの金属マトリックス複合材料もこの効果の恩恵を受けている。この場合、硬質成分と軟質成分の適切なバランスが必要であり、そうでなければ材料は弱すぎたり脆すぎたりする。

多くの材料特性は、微小な長さスケールで劇的に変化します（ナノテクノロジーを参照）。このような変化が望ましい場合、良好な性能を確保するためには、凝集体のサイズを一定の範囲内に収める必要があります。これは当然、使用するマトリックス材料の量に下限を設けることになります。

マイクロコンポジットやナノコンポジットにおいて粒子を配向させるための実用的な方法が講じられない限り、粒子のサイズが小さく、（通常は）粒子とマトリックスの結合に対して強度が高いため、それらから作られたあらゆる巨視的な物体は、多くの点で集合体コンポジットとして扱われることになる。

カーボンナノチューブなどのナノ粒子の大量合成は現在、広く利用するにはコストが高すぎるが、それほど極端ではないナノ構造材料は、電気紡糸やスプレー熱分解などの従来の方法で合成できる。スプレー熱分解によって作られる重要な凝集体の一つに、ガラスマイクロ球がある。マイクロバルーンとも呼ばれるこの球は、厚さ数十ナノメートル、直径約1マイクロメートルの空洞の殻で構成されている。これをポリマーマトリックスに流し込むと、低密度にもかかわらず非常に高い圧縮強度を持つシンタクチックフォームが得られる。

多くの従来型ナノコンポジットは、次の2つの方法のいずれかによって凝集体合成の問題を回避している。

天然骨材：ナノコンポジットに最も広く使用されている骨材は、圧倒的に天然由来のものです。通常、これらは結晶構造が極めて方向性のあるセラミック材料であり、フレーク状または繊維状に容易に分離できます。ゼネラルモーターズが自動車用途向けに宣伝しているナノテクノロジーは前者のカテゴリーに属します。層状構造を持つ微細な粘土が熱可塑性オレフィン（ポリエチレンやポリプロピレンなど多くの一般的なプラスチックを含むクラス）に懸濁されています。後者のカテゴリーには、繊維状アスベスト複合材（20世紀半ばに人気）が含まれ、多くの場合、リノリウムやポルトランドセメントなどのマトリックス材料が用いられます。

その場での凝集体形成：多くのマイクロコンポジットは、自己組織化プロセスによって凝集粒子を形成します。例えば、高耐衝撃性ポリスチレンでは、2つの混ざり合わないポリマー相（脆いポリスチレンとゴム状のポリブタジエンなど）が混合されます。特殊な分子（グラフト共重合体）は、各相に溶解する別々の部分を含み、洗剤のように、それらの界面でのみ安定します。この種の分子の数が界面面積を決定し、表面張力を最小にするために球状が自然に形成されるため、合成化学者は溶融混合物中のポリブタジエン液滴のサイズを制御でき、それが硬化して硬いマトリックス中にゴム状の凝集体を形成します。分散強化は、冶金分野における同様の例です。ガラスセラミックスでは、凝集体はしばしば負の熱膨張係数を持つように選択され、全体の膨張がほぼゼロになるように凝集体とマトリックスの比率が調整されます。骨材の粒径を小さくすることで、材料を赤外線に対して透明にすることができる。