E3 Matrix-Verstärkungsschnittstelle

Thema

Die Qualität der Verbindung zwischen Matrix und Verstärkung dieses Verbundwerkstoffs bestimmt in diesem Modell, wie gut die Last zwischen den beiden Komponenten übertragen wird. Diese Verbindungsqualität wird über die Grenzflächenscherfestigkeit gemessen. Gemäß dem Kelly-Tyson-Modell führt eine höhere oder niedrigere Grenzflächenscherfestigkeit zu einer anderen kritischen Faserlänge.

Bei Belastung dieses Verbundwerkstoffs wird die Last von der Matrix auf jede Verstärkungsfaser durch eine Scherspannung übertragen, die entlang der Grenzfläche zwischen ihnen über die gesamte Einbettungslänge der Faser wirkt. Je länger der Abschnitt der Faser ist, über den diese Scherspannung wirkt, desto mehr Last wird in die Faser übertragen. Eine höhere Grenzflächenscherfestigkeit macht diese Lastübertragung pro Längeneinheit effizienter, und folglich ist die kritische Faserlänge, die erforderlich ist, um die volle Tragfähigkeit der Faser zu übertragen, kürzer. Eine niedrigere Grenzflächenscherfestigkeit erfordert eine längere kritische Faserlänge, um die gleiche vollständige Lastübertragung zu erreichen.

Ist die Länge einer Faser größer oder gleich der kritischen Faserlänge, spricht man von einer Langfaser: Die Faser erreicht ihre maximale Zugfestigkeit in ihrem Mittelteil, noch bevor die Grenzfläche an ihren Enden versagt, und überträgt somit ihre gesamte Last. Dieser Zustand einer Langfaser bedeutet, dass sich die Faser hinsichtlich der Verstärkung des Verbundwerkstoffs wie eine durchgehende Faser verhält.

Ist die Faserlänge jedoch kürzer als die kritische Faserlänge, tritt der gegenteilige Effekt ein: Die Faser ist nicht lang genug, um durch Grenzflächenschubspannung die für das Erreichen ihrer maximalen Zugfestigkeit notwendige Last aufzunehmen, und es kommt zur Ablösung, bevor die Faser bricht. Ist diese Faser kürzer als die kritische Länge, versagt die Verbindung zwischen Faser und Matrix, bevor die Faser selbst ihre Tragfähigkeit erreicht.

Dieses Modell mit seiner Grenzflächenschubfestigkeit und der kritischen Faserlänge beim Bruch steht daher in Zusammenhang mit einem anderen Modell dieser Gruppe, das den physikalischen Scherverzögerungsmechanismus beschreibt, der denselben Lasttransfer zwischen Matrix und Faser detailliert regelt. Die Tatsache, dass dieses Modell eine bestimmte kritische Faserlänge vorhersagt, erlaubt es einem anderen Modell dieser Gruppe, diese experimentell zu überprüfen, indem die auf der Bruchfläche beobachtete durchschnittliche Auszugslänge mit derselben kritischen Faserlänge verglichen wird.

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