2.5D機織復合材料V形缺口試樣剪切測試方法研究

張 琴， 王雅娜， 劉燕峰， 陳新文

(1. 中國航發北京航空材料研究院，北京 100095; 2. 航空材料檢測與評價北京市重點實驗室，北京 100095; 3. 中國航空發動機集團材料檢測與評價航空科技重點實驗室，北京 100095; 4. 中國航發北京航空材料研究院軟材料技術研究中心，北京 100095;5. 中國航發北京航空材料研究院先進復合材料國防科技重點實驗室，北京 100095)

0 引 言

碳纖維增強樹脂基復合材料具有高比強度、高比模量、耐疲勞等優異特性，在航空航天、交通運輸等行業有著大量應用。2.5D碳纖維織物增強復合材料是其中十分重要的一種，由于其特殊的層間接結作用，抗剪切能力大大增強，但針對這種材料的剪切性能測試手段還未完善。

迄今為止針對樹脂基復合材料有多種剪切試驗方法，其中最重要最常用的方法是Iosipescu剪切方法[1]。Iosipescu剪切試驗原理是通過專用夾具對帶有雙 V 形缺口試樣左右兩邊施加一對壓縮載荷，實現在試樣工作區（對稱V形缺口中間部分）形成均勻的面內剪切應力場。該方法主要缺點是工作區較小，適用于單向、簡單機織物層壓板[2]。基于該方法的實驗標準有ASTM D5379。馮景鵬等[3]用ASTM D5379方法測試了不同溫度下2.5D淺交直聯復合材料的剪切強度。Liu[4]等提出并設計了一種基于該標準裝置改進的V型缺口測試夾具，改進后可以輕松放置不同厚度的試樣，同時大大減小了摩擦和彎矩的影響，并用三維編織復合材料進行了試驗，保證試樣處于純剪切狀態，但未對改進前后測試結果進行比較分析。

2.5D織物增強樹脂基復合材料含有厚度方向聯鎖紗線，對于這種復合材料，紡織復合材料試驗標準指南 ASTM D6856/D6856M-03（2016）表示不推薦用ASTM D5379試驗方法，需要改進試樣，但同時沒有指出一種適用的方法。V 形軌道剪切法是一種在兩對加載軌道上通過夾持V形缺口試樣兩端來確定高模量高強度纖維增強復合材料剪切性能的方法。基于該方法的試驗標準有ASTM D7078。與Iosipescu剪切法相比，該方法采用的是面內加載方式，軌道通過接觸面把剪切作用傳遞給試樣，而不是在試樣頂部和底端部施加載荷。V 形開口軌道剪切法能夠實現在工作段部位V形缺口截面處發生破壞。張宇[5]等遵循ASTMD7078試驗標準研究了碳纖維復合材料V形缺口試樣的剪切試驗，發現V形缺口的圓角增加后的V形缺口試樣應力狀態更接近純剪切。徐琪[6]比較了V形缺口軌道剪切法與±45°拉伸剪切法，對于玻纖層合板V 形開口軌道剪切法測得的剪切強度和模量高于±45°方法。Antonios等[7]用V形缺口軌道剪切方法和±45°拉伸方法對紡織復合材料進行剪切測試比較，發現±45°拉伸剪切應變均勻性較差。孟憲明等[8]采用ASTM D7078方法結合數字圖像相關方法，對碳纖維復合材料層合板進行面內剪切測試并進行了仿真分析。Gude等[9]對ASTM D7078夾具進行了改良設計，提高了剪切加載的精確性并簡化了試樣安裝。ASTM D7078方法在各種復合材料面內剪切測試中已得到廣泛應用，而針對不同復合材料的適用性和精確性尚未有確切定論。

在V形缺口剪切測試過程中，若想獲得剪切應變，一般可使用電阻應變計進行測量。對于紡織復合材料，指南ASTM D6856-2016表示應變計的長度和寬度至少應等于最小單胞的長度和寬度。這是基于單胞性能對復合材料整體性能的代表性提出的規定。許藝青等人研究了電阻應變計尺寸的影響，發現敏感柵有效長度越長，越有利于應變傳遞[10]；且敏感柵材料柵絲長度越長，應變的傳遞誤差越小[11]。而應變計尺寸對2.5D復合材料剪切性能測試的影響程度還未有研究。

為了探索適用于2.5D機織樹脂基復合材料的剪切方法，本文針對2.5D機織碳纖維樹脂基復合材料，基于兩種V形缺口剪切試驗標準進行剪切試驗，采用兩種不同規格的應變計測量剪切響應并計算模量，比較了兩種試驗方法和兩種規格應變計對2.5D機織樹脂基復合材料剪切性能測量結果的影響，分析了經緯向剪切的失效模式。

1 剪切試驗

1.1 試樣與試驗標準

所用試樣件為2.5D碳纖維織物增強雙馬樹脂（EC230R/TG800）復合材料。其中機織預制體是由6層緯紗、5層經紗和5層襯經紗（紗線規格均為TG800-12K）機織形成的層與層角聯鎖三枚斜紋襯經結構織物，單胞（即結構重復單元）大小為7.5 mm×5 mm×0.5 mm，由天津工業大學提供；復合材料板材由北京航空材料研究院利用RTM工藝制備。2.5D機織復合材料的幾何結構如圖1所示，緯紗垂直于紙面，經紗實現層層互鎖，襯經紗補強經向性能。

圖1 2.5D機織復合材料幾何結構示意圖

美標ASTM D7078/D7078M-12中規定試樣尺寸長76 mm，寬56 mm，V形槽缺口尺寸長為31 mm，V形缺口工作段長度超過該方向2個單胞長度（ASTM D6856推薦試樣工作段寬度為單胞寬度的2倍）。按照美標ASTM D5379/D5379M-12，試樣名義尺寸長76 mm，寬19 mm，V形槽缺口處尺寸長為11.4 mm，小于2個單胞長度。按照上述標準加工試樣，并在工作段貼上加強片。兩種試樣的厚度相同，約3.5 mm（以實測為準），試樣尺寸如圖2所示。試樣按剪裁的長度方向為經紗或者緯紗，分為經向與緯向。

圖2 基于不同試驗標準的試樣尺寸

1.2 電阻應變計

采用兩種不同規格的粘貼式電阻應變計測量2.5D機織樹脂基復合材料在面內剪切試驗過程中的應變。兩種應變計的型號分別為BE120-3AA（11）與BA120-10AA（11），均由中航電測儀器股份公司提供，兩種應變計的具體規格見表1。紡織復合材料測試指南中推薦應變計敏感柵的長寬大于單胞長寬，但暫時沒有能同時滿足敏感柵尺寸長度≥7.5 mm和寬度≥5 mm的應變計，所以選用了較為合適的9.8 mm×3 mm的 BA120-10AA（11）型應變計。為表達更簡約直觀，下文將BE120-3AA（11）稱為小應變計，BA120-10AA（11）稱為大應變計。

表1 應變計規格

首先對試樣表面進行清潔、打磨，然后在試樣工作段加載軸線中心的位置分別沿45°和-45°粘貼應變計，如圖3所示。單面即可測得剪應變與模量，但在加載過程中試樣可能發生扭轉，為了衡量扭轉的程度，在試樣前側和后側對稱貼一組應變計，最終取兩面測量的模量值的平均數為最終剪切模量。應變計粘貼示意圖如圖2所示，為方便描述，用“7078小”表示用ASTM D7078方法和小應變計測量，其他以此類推。值得注意的是，在ASTM D5379/D5379M-12試驗方法中，由于大應變計的粘貼空間受限，因此在試樣前后兩側中心對稱面沿45°和-45°各只貼一片 BA120-10AA（11）大應變計，如圖3（b）所示，黑色虛線框表示背面的應變計，剪應變由兩應變計響應絕對值相加得到。

圖3 應變計粘貼示意圖

1.3 試驗過程

ASTM D7078/D7078M-12試驗方法采用拉伸加載的方式，軌道通過接觸面將載荷傳遞到試樣上。而ASTM D5379/D5379M-12試驗方法采用壓縮加載的方式，上端面和下端面受載。試驗機型號為INSTRON 5882。加載速度均為2 mm/min。試驗如圖4和圖5所示。

圖4 ASTM D7078/D7078M-12剪切試驗裝卡圖

圖5 ASTM D5379/D5379M-12剪切試驗裝卡圖

2 試驗結果與討論

采用不同試驗標準、利用不同規格應變計測量2.5D機織樹脂基復合材料的剪切響應，得到2.5D機織樹脂基復合材料的經、緯向剪切模量。同時計算2.5D機織樹脂基復合材料剪切性能不同側面的模量結果，然后對2.5D機織復合材料剪切破壞形貌進行宏觀觀察，判斷失效模式。

2.1 剪切響應分析

剪切應力-應變曲線如圖6所示，整體呈現非線性特征。可以看出無論經向還是緯向，用ASTM D5379結合小應變計的剪應力-應變曲線斜率比其他三種方法明顯小得多，表明其測得的剪切模量最小，與其他方法差距較大。采用ASTM D7078方法在大應變計和小應變計測量的曲線幾乎重合，表明ASTM D7078受應變計測量的影響較小，這是因為ASTM D7078試樣尺寸比較大，應變計粘貼在試樣V形缺口工作段中間，離V形缺口較遠，變形更均勻，所以無論應變計大小，測量的應變偏差都很小。而ASTM D5379試樣的工作段區域小，應變計粘貼空間有限，離V形缺口較近，該區域應力集中容易引起應變測量失真，因此導致采用ASTM D5379方法時大應變計和小應變計測量的剪切曲線差別很大。由此可以說明，ASTM D7078試樣用于2.5D機織樹脂基復合材料剪切試驗更為合適。

圖6 剪切應力-應變曲線

圖7給出了試樣兩面應變計采集到的線應變與應力曲線，其中 ε45和 ε-45分別表示 45°和-45°方向的線應變，ASTM D7078拉伸剪切規定ε45數值為正，ε-45數值為負。ASTM D5379壓縮應變數值正負與ASTM D7078相反。

由圖 7的（a）～（h）可以看出，無論是經向剪切還是緯向剪切，在低應力區，ε45和ε-45呈線性且對稱性較好，試樣前后兩側的應變曲線幾乎重合。在高應力區，材料的剪切非線性加劇，直至最后應變急劇增大而應力幾乎不再增加。值得注意的是，圖 7的（c）與（d）（ASTM D5379方法）中的經向剪切響應曲線在接近平臺區出現了類似于“屈服”的階段，這與圖 7 的（a）和（b）（ASTM D7078 方法）不同。這可能是由于ASTM D5379試樣工作段小，經向試樣剪切過程中，裂紋在表面擴展到一定程度后向內部延伸并相互連接，碳纖維紗線與基體脫粘，在壓縮剪切作用下，紗線之間產生錯動，受到紗線間基體的摩擦阻礙，所以抗力增加，曲線出現凸起。

圖7 剪切響應曲線

2.2 剪切性能結果

按照力學行為計算方法，復合材料的面內剪切強度由下式計算：

式中：Fu——剪切強度，MPa；

Pu——極限載荷或工程剪切應變等于5%處載荷，取兩者中較低值；

A——V形槽工作段橫截面積。

剪切模量取值方法參考兩試驗標準中所描述，選取剪應變區間為2 000～6 000 με的弦向剪切模量。為了充分顯示兩面的剪切響應的差別，將計算得到的模量保留四位小數，結果見表2。

由表2可以看出，對于經向剪切，ASTM D7078方法結合大應變計測出的模量最高，而緯向剪切中則是ASTM D5379方法結合大應變計測出的模量最高，其中不排除試樣之間的略微差異。無論是經向或是緯向，采用同一種標準試驗方法，大應變計測量的剪切模量總是高于小應變計的。不同尺寸應變計測出的模量具有差距的原因可能是大尺寸應變計的覆蓋長度超過2.5D機織復合材料的單胞長度，應變計測量的是敏感柵覆蓋區域下的平均應變，覆蓋區域面積越大，越能代表材料本身的性能。而小應變計敏感柵長度未能達到單胞長度，測量的應變受試樣表面局部樹脂變形的影響較大。一般來說，碳纖維的模量遠遠高于雙馬樹脂的模量，在剪切試驗初始加載時的相同載荷下，樹脂主導的變形量比纖維主導的變形量大，那么小應變計受局部樹脂影響測得的應變更大，導致計算的模量小。由此可以推測大應變計測量2.5D機織碳纖維樹脂基復合材料更加準確適用。

表2 剪切試驗結果1）

2.3 剪切失效模式

由于2.5D機織樹脂基復合材料其特殊的編織結構，剪切過程中，可以觀察到V形槽剪切區域逐漸向面外凸起產生面外變形，表面樹脂裂紋叢生，近表面纖維有屈曲現象，伴隨著發出崩裂聲。

2.5D機織樹脂基復合材料的工作段表觀破壞形貌如圖8所示，已標注出紗線方向。試樣未完全斷裂，但整體結構完整性已遭到破壞。肉眼可見基體樹脂裂紋，富樹脂區發生嚴重損傷，導致與之粘連的應變計發生破壞。經向試樣比緯向試樣破壞特征更加明顯，經向試樣剪切的典型失效模式為V形缺口之間縱向開裂，而緯向試樣剪切則是出現橫向裂紋。裂紋方向都是沿緯紗方向。說明無論是經向剪切還是緯向剪切，都是基體沿緯紗方向開裂，緯紗先與周圍紗線局部脫粘，產生屈曲，這與前述2.5D織物結構中緯紗比經紗的暴露段更長有關。樹脂破碎與紗線屈曲進一步發展，導致樹脂與紗線界面完全破壞，二者脫粘，直至失去承載能力。

圖8 典型試樣破壞處（V形缺口工作段）宏觀觀察圖片

3 結束語

本文針對2.5D機織樹脂基復合材料進行了V形缺口面內剪切試驗，采用兩種不同試驗方法、兩種不同大小電阻應變計進行剪切試驗，得到了經、緯向剪切響應曲線，量化比較了兩種試驗方法與不同應變計的測量結果，并對試樣破壞外觀形貌進行觀察，結論如下：

1）2.5 D機織樹脂基復合材料V形缺口剪切試驗中ε45和ε-45表現出良好的對稱性，且兩面應變計的正應變曲線幾乎重合。在高應力區，剪切應力-應變曲線呈現非線性。

2）對于2.5D機織樹脂基復合材料面內剪切試驗，用大尺寸應變計測量的剪切模量比小尺寸應變計的高。ASTM D7078的應變計粘貼得離缺口更遠，均勻性更好。而ASTM D5379試樣工作段較小，應變計粘貼離缺口較近，缺口造成的邊緣效應不可忽略，導致用不同尺寸應變計測出的模量差異較大。故相對來說，ASTM D7078方法結合大應變計更適用于2.5D機織復合材料剪切試驗。