Effect of the fiber-matrix bond on the toughness of soft, short-fiber composites

材料科学 复合材料 韧性 纤维 纤维拔出 刚度 聚二甲基硅氧烷 复合数 复合材料层合板
作者
Chengyang Mo,Rui Yin,Haiyi Long,Jordan R. Raney
出处
期刊:Journal of Composite Materials [SAGE]
卷期号:57 (4): 521-530
标识
DOI:10.1177/00219983231154974
摘要

In this work, we investigate toughening mechanisms in soft polymers reinforced with stiff fibers, particularly focusing on the effect of the strength of the fiber-matrix bond on the toughness. We print polydimethylsiloxane with short milled glass fibers using direct ink writing, an extrusion-based 3D printing method. This process produces composites with aligned fibers. Fibers can be treated with acid prior to printing, which improves the strength of the fiber-matrix bond. This results in higher yield stress and toughness. The higher toughness of the composites can be attributed to intrinsic mechanisms such as matrix deformation and fiber pullout, as well as to extrinsic mechanisms like mechanical dissipation. The intrinsic toughness of the composites is analytically estimated using a micro-mechanical model and experimentally measured by stretching the composites in the direction of fiber alignment. Finally, we demonstrate partial healing of the fiber-matrix bond after initial pre-stretch. Thermal treatment of the damaged composites results in partial recovery of stiffness and toughness.
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