複合材料
臨界纖維長度(critical fiber length)
嵌在基材裡的短纖維,只有側面被握住。載重不會在纖維切斷的兩端直接跳進纖維,而是透過界面剪力沿長度逐漸累積,就像釘在木頭裡的釘子,握住的長度越多,抽出前能拉的力就越大。纖維若太短,還沒被拉到足以斷裂就先被拔出來了。
臨界長度 lc 是纖維能在界面失效前達到完整斷裂應力所需的最小長度。公式為 lc = (sigma_f times d) / (2 times tau_c),其中 sigma_f 是纖維強度、d 是直徑、tau_c 是基材-纖維剪切(鍵結或基材降伏)強度。舉例:sigma_f = 3500 MPa、d = 10 micrometres、tau_c = 25 MPa,得 lc = (3500 times 10)/(2 times 25) = 700 micrometres,即 0.7 mm。遠長於 lc 的纖維(例如大於 15 倍 lc)表現幾乎像連續纖維;較短的承載較少,多半被拔出。
這決定了短「切段」纖維究竟能有效強化,還是只是填充。連續纖維(長度遠大於 lc)能完整利用纖維強度;次臨界纖維會被拔出(有趣的是,這雖降低強度,卻能吸收能量而增加韌性)。界面強度 tau_c 直接調節 lc:鍵結越強,臨界長度越短、強度越好,但鍵結太強又可能讓複合材料變脆。
射出成型的短玻璃纖維尼龍齒輪使用數毫米長的纖維,遠大於次毫米級的臨界長度,因此每根纖維都真的承載,而非惰性地待著。
低於臨界長度纖維會被拔出;高於臨界長度纖維才能以完整強度斷裂。
界面越強,臨界長度越短、強度越高,但也消除了吸能的拔出行為所帶來的韌性,所以「最佳」鍵結是折衷,而非越強越好。
又稱
另見