增強材料的強度首先和破壞聯(lián)系在一起。樹脂基復(fù)合材料的破壞是一個動態(tài)的過程,且破壞模式復(fù)雜。各組分性能對破壞的作用機理、各種缺陷對強度的影響,均有街于具體深入研究。樹脂基復(fù)合材強度的復(fù)合是一種協(xié)同效應(yīng),從組分材料的性能和樹脂基復(fù)合材料本身的細觀結(jié)構(gòu)導出其強度性質(zhì)。對于最簡單的情形,即單向樹脂基復(fù)合材料的強度和破壞的細觀力學研究,還不夠成熟。如何增強樹脂基復(fù)合材料的強度?
單向樹脂基復(fù)合材料的軸向拉、壓強度不等,軸向壓縮問題比拉伸問題復(fù)雜。其破壞機理也與拉伸不同,它伴隨有纖維在基體中的局部屈曲。實驗得知:單向樹脂基復(fù)合材料在軸向壓縮下,碳纖維是剪切破壞的;凱芙拉(Kevlar)纖維的破壞模式是扭結(jié);玻璃纖維一般是彎曲破壞。單向樹脂基復(fù)合材料的橫向拉伸強度和壓縮強度也不同。實驗表明,橫向壓縮強度是橫向拉伸強度的4~7倍。橫向拉伸的破壞模式是基體和界面破壞,也可能伴隨有纖維橫向拉裂;橫向壓縮的破壞是因基體破壞所致,大體沿45°斜面剪壞,有時伴隨界面破壞和纖維壓碎。單向樹脂基復(fù)合材料的面內(nèi)剪切破壞是由基體和界面剪切所致,這些強度數(shù)值的估算都需依靠實驗。
雜亂短纖維增強樹脂基復(fù)合材料盡管不具備單向樹脂基復(fù)合材料軸向上的高強度,但在橫向拉、壓性能方面要比單向樹脂基復(fù)合材料好得多,在破壞機理方面具有自己的特點:編織纖維增強樹脂基復(fù)合材料在力學處理上可近似看作兩層的層合材料,但在疲勞、損傷、破壞的微觀機理上要更加復(fù)雜。
樹脂基復(fù)合材料強度性質(zhì)的協(xié)同效應(yīng)還表現(xiàn)在層合材料的層合效應(yīng)及混雜復(fù)合材料的混雜效應(yīng)上。在層合結(jié)構(gòu)中,單層表現(xiàn)出來的潛在強度與單獨受力的強度不同,如0/90/0層合拉伸所得90°層的橫向強度是其單層單獨實驗所得橫向拉伸強度的2~3倍;面內(nèi)剪切強度也是如此,這一現(xiàn)象稱為層合效應(yīng)。樹脂基復(fù)合材料強度問題的復(fù)雜性來自可能的各向異性和不規(guī)則的分布,諸如通常的環(huán)境效應(yīng),也來自上面提及的不同的破壞模式,而且同一材料在不同的條件和不同的環(huán)境下,斷裂有可能按不同的方式進行。這些包括基體和纖維(粒子)的結(jié)構(gòu)的變化,例如由于局部的薄弱點、空穴、應(yīng)力集中引起的效應(yīng)。除此之外,界面粘結(jié)的性質(zhì)和強弱、堆積的密集性、纖維的搭接、纖維末端的應(yīng)力集中、裂縫增長的干擾以及塑性與彈性響應(yīng)的差別等都有一定的影響。