纖維增強復合材料剪切試驗方法綜述

張浩

摘要：復合材料的剪切性能相對其他力學性能較低，往往引起整體結構過早地發(fā)生破壞。本文針對復合材料剪切性能試驗方法多種多樣、難以選擇的情況，基于復合材料剪切試驗的發(fā)展現(xiàn)狀，從試驗段的剪切應力和正應力分布、標準準狀況、可獲得的剪切性能、試樣制備和實驗裝置、實際應用等方面入手，綜合評價了現(xiàn)有剪切試驗方法，從而為工程人員選取復合材料剪切試驗方法提供一定指導。研究表明，短梁法可用于材料的篩選和質量控制；Iosipescu法及V開口剪切法適合于產生設計數據；斜雙切口法處于起步發(fā)展階段，需進一步研究推廣。

關鍵詞：復合材料 剪切試驗

中圖分類號：V22 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）07（c）-0000-00

復合材料是由增強相、基體和填料通過人工復合工藝制造的，具有多相細觀結構的，有特殊性能的固體新型材料系統(tǒng)。其中，纖維增強復合材料由于具有比強度高、比剛度高等優(yōu)點，已被廣泛應用于航空航天、汽車、體育等領域。為準確的設計和分析復合材料構件，工程人員需獲得齊全可靠的復合材料性能數據，如剪切、軸向、橫向、疲勞等性能參數。其中，剪切性能相對較低，往往引起整體結構過早地發(fā)生破壞。可以這么說，基體抗剪性能差是復合材料這一“大木桶”中的短板[1]。因此，剪切性能是工程人員必須注意的問題，而這也要求測量復合材料剪切性能的精確方法。

過去的幾十年，研究者們發(fā)展了許多用于復合材料的剪切實驗方法，但目前還沒有一種方法能完全滿足剪切試驗所需的“試件可提供均勻的純剪切區(qū)域，試驗能夠重現(xiàn)，不要求特殊的試驗設備，能提供試樣破壞前完整的應力—應變特性曲線”等要求。因此，關于剪切性能的試驗方法還在不斷地發(fā)展。而對于剪切試驗方法的選取令人困惑。本文基于復合材料剪切試驗的發(fā)展現(xiàn)狀，綜合評價了常用的復合材料剪切試驗方法，從而為工程人員選取剪切試驗方法提供一定指導。

1 主要剪切試驗方法介紹

在過去的幾十年里研究者們發(fā)展的剪切試驗方法幾十種[1]，根據發(fā)展思路基本可以分為五類：拉伸類，如拉伸法、拉伸法；剪切類，如純板剪切法、軌道法、Iosipescu法、V開口軌道法；扭轉類，如薄壁圓管扭轉法；梁彎曲類，如短梁剪切法、品字梁法；切口類，如雙切口法、斜雙切口法。

1.1 拉伸類剪切試驗

這類方法直接拉伸層合板，通過理論分析獲得剪切性能。其中拉伸法通過給一個平衡的和對稱的層合板施加單軸拉伸載荷，從而測得連續(xù)維增強復合材料的面內剪切模量及面內剪切強度。該法簡單易行、無需特殊的夾具，因此在實際中常常被使用。該法在測量面內剪切模量時，所得數據較好。但是在測量剪切強度時，試驗段處于雙軸應力狀態(tài)，不是純剪切狀態(tài)且發(fā)生混合斷裂破壞，因此在解釋最終的剪切強度和應變時必須十分小心。可用于指導該方法的標準有：ISO 14129及ASTMD3518

偏軸拉伸法是獲得纖維增強高聚物復合材料剪切特性的通用方法。該法從理論分析入手，對單向層合板施加與材料主向成夾角的拉伸載荷，這樣縱軸應力和橫軸應力成分對剪切相應的影響最小，剪切應變接近最大值。該法具有與常規(guī)拉伸試驗相匹配、試件厚度上剪切應力的分布均勻、無殘余應力和易于加工等優(yōu)點。但該法也存在：夾頭附近易轉動，數據處理復雜等缺點。此外研究表明[1]，即使是改進了墊片，該法還是嚴重的低估了最大的剪切強度和應變。所以該法一般不能獨立使用，而作為參考方法與其他的方法進行比對或確認。該方法的試件的尺寸和試樣的準備可參照國際標準ISO 527的第五款

1.2 彎曲類剪切試驗

短梁法是一種常用于測試單向連續(xù)纖維增強和編織復合材料的名義層間剪切強度的方法。它有三點彎曲和四點彎曲兩種。從理論上看，相對三點彎曲，四點彎曲可提高載荷的傳遞效率，降低加載柱對試件的壓碎破壞，但實際研究并沒有支持該觀點。Whintey用彈性理論對短梁三點剪切和四點剪切試樣作了分析比較。分析表明，經典梁理論顯然不適合于分析短梁剪切試樣的應力分布。因此，短梁法所得層間剪切強度令人生疑。此外，大量研究表明，短梁法所測得值與跨厚比及寬厚比有關?？绾癖仍叫。脧姸戎翟酱?，也越接近實際，但跨厚過小的話，經典梁理論的就越不適用。因此，標準建議跨厚比為4-5。雖然，短梁法所測的值令人生疑、應力狀態(tài)也非純剪切，但是由于該法簡單易行，試驗便宜，在實際使用中，該發(fā)的使用頻率最高。不過由于只能測得名義層間剪切強度，該法一般不能用于設計，只能用于材料的篩選與質量控制。該方法的標準和指南有：BS、EN、ISO 14，130。

1.3 剪切類剪切試驗

該類方法通過在矩形板兩側施加對稱力偶來逼近純剪切狀態(tài)。其中軌道剪切法是通過兩根或三根軌道施加外載荷。該方法工作區(qū)較大但對于抗剪強度較高的試件中往往會發(fā)生滑移，從而引起試件與軌道螺栓發(fā)生壓力接觸，引發(fā)沿螺栓線而不是在試件中心的過早斷裂，導致無法獲得最終的抗剪強度。

為克服上述缺點，Adams等人[2]將用于測試金屬剪切性能的Iosipescu法引入復合材料。該方法采用雙邊V形開口矩形試件，通過特殊加載裝置對試件施加力偶來逼近純剪切狀態(tài)。由于試件中有V形開口，在試件工作區(qū)可得到較均勻的剪應力場，且試件破壞時也基本發(fā)生在工作區(qū)中。該法可測得所有三個平面內的剪切性能（包括面內剪切性能及層間剪切性能），并且可獲得較滿意的測試結果，也是目前最常使用的剪切試驗方法。該方法的標準有：ASTMD5379和HB 7237。但該法所測剪切模量分散性較大，且受試件纖維取向影響較大且加載過程中容易引起局部壓碎。為此研究人員提出了V形開口軌道法。

V形開口軌道剪切實驗是雙軌剪切實驗和Iosipescu剪切實驗的綜合產物，采用兩對加載軌將V形開口試件兩邊夾持住，實驗時加載軌道通過試件夾持面將剪力引入試件。該方法綜合了上述兩種方法的優(yōu)點，克服了部分缺點，被認為是目前最有前途的剪切實驗方法[3]。與Iosipescu剪切實驗相比，該方法具有較大的工作區(qū)，夾持面通過面載荷引入剪，提高了載荷傳遞的效率，可測試高剪切強度的試件且能消除局部壓碎破壞。與雙軌剪切實驗相比，試件無需鉆孔，從而克服了試件與加載螺栓的擠壓破壞及試件的分層破壞，同時在試件工作區(qū)可獲得更均勻的剪應力狀態(tài)，而v開口試件的采用也大大節(jié)省了材料。此外，該法與Iosipescu法是僅有的兩個即可測面內剪切性能又可測層間剪切性能的方法。與Iosipescu法相比，該法可達到的剪應力水平是后的3-4倍。在測量單向、正交鋪層等低強度材料時，二者并無太大差別。但當測量更高的材料極限強度時，Iosipescu法需要加墊片。而45方向纖維百分比增大時，材料的強度會相應提高，此時，Iosipescu法無法使用，只有V開口軌道法可以使用。從這一點來說，V開口軌道法比Iosipescu法更有前途。該方法的標準和指南有：ASTM D 7078-5。

1.4 扭轉類剪切試驗

這類方法通過扭矩直接施加剪切載荷給纖維增強樹脂基復合材料，從應用力學的角度看，它是用于剪切特征化最合適的方法。這類方法中最典型的是薄壁管扭轉法。但該方法造價高、制造和測試管狀試樣十分困難以及需要專業(yè)的夾持設備，因此該方法在實際使用的較少。不過由于扭轉在圓管內產生的應力狀態(tài)接近理想的均衡剪切狀態(tài)，這種方法還是經常被用來獲得參考數據，用于與其他試驗方法進行比較。該方法的標準有：ASTM D 5448。

1.5 切口類剪切試驗

該類方法通過在試件上引入切口然后施加軸向拉伸或壓縮載荷，從而獲得層間剪切性能，主要有雙切口實驗法和斜雙切口法。

圖 1 切口類剪切試驗試件

雙切口試驗法夾具尺寸小、結構簡單、試件加工相對方便、便于實施且易產生層間剪切破壞，因而受到工程人員的重視。但是該法所得到的層間剪切強度依賴于試驗片的尺寸，特別是受槽間距的影響較大，只能獲得表觀層間剪切強度，不能測得真實值。故而，該法所測的值一般用來篩選材料及質量控制，而不能作為設計數據?；诳芍笇г摲椒ǖ臉藴屎椭改嫌校篈STMD3846、BS4994和BS6464。

斜雙切口法是雙切口法的一種改進。該方法從加載方面入手，施加側向載荷通過優(yōu)化載荷比，從而增加了應力分布的均勻性，使所測得的層間剪切強度精度提高。研究表明[4]斜雙切口法所測的層間剪切強度值相對于短梁法、Iosipescu法、雙切口法等標準法所測值更高，更符合實際。當然，該方法還沒有形成標準，對試件及夾具的幾何尺寸也沒有定論，需要進一步發(fā)展。

2 剪切試驗方法的綜合比較

本文從試驗段的剪切應力和正應力分布、標準準狀況、可獲得的剪切性能、試樣制備和實驗裝置、實際應用等方面入手，綜合評價了常用剪切試驗方法，如下表：

從表中，我們可以看出V開口軌道法與Iosipescu法滿足所有評價標準的要求，是最有前途的剪切試驗方法。而斜雙切口法在測量層間剪切強度上具有一定優(yōu)勢但需要進一步推進標準化進程。當然，表中的一些方法如純板剪切、十字梁法、品字梁法等由于試件復雜、成本較高、數據不準等原因現(xiàn)在已基本上不再使用

3 總結

1 如果要進行質量控制和材料篩選，短梁法是最佳的選擇；如果要獲得設計數據，V開口軌道法及Iosipescu法是現(xiàn)有試驗方法中最好的，且對于高強復合材料的剪切性能測試只能用V開口軌道法。

2 拉伸法、拉伸法的應力狀態(tài)不是剪切應力狀態(tài)，且適用的材料較少，因而在使用要十分小心。這兩方法一般只用來進行試驗的比較研究。

3 薄壁圓管扭轉法可以用來進行理論研究；雙切口法是一種不錯的表觀層間剪切強度的測量方法；軌道法可作為一種測剪切模量的一種有力的補充。

4 方法的選取不是絕對，對于個別特殊的試驗條件及試件，我們應該從實際出發(fā)，具體問題具體分析。

參考文獻

[1] J.M Hodghinson.先進纖維增強復合材料性能測試[M].北京：化學工業(yè)出版社，2005.

[2] D.F.Adams，E.Q.Lewis.Experimental asessment for four composite material shear test methods[J].Journal of Testing and Evaluation，JTEVA，1997，25（2）：174-181..

[3]王言磊，郝慶多，歐進萍.復合材料層合板面內剪切試驗方法的評價[J].玻璃鋼/復合材料，2007，03：6-8

[4] Kaj B.Petterson，Jonas M.Neumister. A tensile setup for the IDNS composite shear test[J].Composites：Part A，2006（37）：229-242