連續(xù)纖維單向增強復(fù)合材料的一個顯著特點,是在它的纖維方向有很高的強度和彈性模量,但在垂直纖維方向卻很低。如果一個結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)可以精確地確定,在設(shè)計時可以考慮用這種鋪層形式,以獲得最輕質(zhì)量的結(jié)構(gòu)。連續(xù)纖維雙向鋪層(用纖維布或單向絲片作0。、90。正交鋪放)的復(fù)合材料在0。及90。方向上可以有相同的或一定比例的強度和彈性模量,其數(shù)值是較高的,但在45。方向上則較低。對于一般矩形或近似矩形的平板及薄殼形構(gòu)件,可以采用這種鋪層。但是如果結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)無法預(yù)測,或者已知各方向的應(yīng)力基本相同,或者對于強度和剛度要求不高,這時應(yīng)把復(fù)合材料設(shè)計成準各向同性的。準各向同性復(fù)合材料既可以用連續(xù)纖維作增強材料,也可以采用隨機取向的短切纖維作為增強材料。
短纖維被廣泛用于增強熱塑性樹脂和熱固性樹脂,并且有各種各樣制備及成型工藝。將短纖維混入樹脂基體中,比起沒有纖維增強的基體材料在強度、剛度和熱穩(wěn)定性方面要好得多,比單向連續(xù)纖維增強復(fù)合材料的橫向拉伸強度和剪切強度要高得多,比層合板的層間拉伸強度和剪切強度也要大得多,同時可改變熱膨脹、韌性等性能。但它在纖維方向的增強效果遠不如同類連續(xù)纖維顯著,這是由于纖維的作用明顯減弱了,且纖維體積含量也大大減少了。然而,由于短纖維復(fù)合材料可制成各種形狀復(fù)雜的制品,易使生產(chǎn)過程自動化。大批量生產(chǎn)的模塑技術(shù),如模壓法和注塑法,可以以很高的生產(chǎn)率制造出高精度的短纖維復(fù)合材料零部件。對于陶瓷基復(fù)合材料和金屬基復(fù)合材料,短纖維是主要的增強材料。在樹脂基復(fù)合材料中,短纖維應(yīng)用也很廣。如耐腐蝕產(chǎn)品中廣泛采用的短切纖維氈,模壓成型采用塊狀模塑料和片狀模塑料,噴射成型和增強反應(yīng)注射成型使用的增強材料形式都是短纖維。
為了建立確定短纖維復(fù)合材料的彈性模量和強度的細觀力學(xué)公式,需要考慮應(yīng)力如何從復(fù)合材料中的基體與短纖維的端頭傳遞到纖維的過程。因此,我們首先討論應(yīng)力傳遞理論,它是短纖維增強復(fù)合材料細觀分析的基礎(chǔ)。