複合材料
纖維-基材界面(fiber-matrix interface)
纖維與基材相接的那層薄邊界,是傳遞載重的「握手」面。它就像釘子與木頭之間的握持:不管釘子(纖維)多強,握持若不好,載重根本進不去,釘子就滑出來了。
基材靠沿此界面的剪應力把外加載重傳入纖維;鍵結可以是化學的、機械的(來自粗糙度),或來自基材收縮夾住纖維。它的強度決定臨界纖維長度(lc = sigma_f times d / (2 times tau_c)):界面越強(剪切強度 tau_c 越高),載重在越短的長度內就能傳遞完,因此更短的纖維也能發揮、強度也提高。纖維常經表面處理或加偶合劑(例如玻璃上的矽烷上漿)來建立此鍵結。
界面是複合材料強度與韌性的成敗之處,而兩個目標互相衝突。強鍵結能有效傳遞載重、使強度與剛度最大化,但鍵結太強又會讓裂縫直接貫穿,使複合材料變脆。刻意較弱的界面能引導裂縫偏折、讓纖維拔出而增加韌性,這正是陶瓷基複合材料背後的設計選擇。潮氣與高溫也常最先攻擊此界面。
玻璃纖維表面塗有矽烷「上漿」,把玻璃與樹脂化學連結;沒有它,樹脂會從光滑玻璃剝離,複合材料就脫層並喪失大部分強度。
強鍵結求強度與剛度;弱鍵結求韌性。這是一個設計選擇。
沒有單一「最佳」界面:要強度與剛度就強,要韌性就弱。多數複合材料破壞(脫層、纖維拔出、環境劣化)都始於此處,而非纖維或基材本體。
又称
另见