張 琴， 王雅娜， 劉燕峰， 陳新文

(1. 中國航發(fā)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(fā)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(fā)北京航空材料研究院軟材料技術(shù)研究中心，北京 100095;5. 中國航發(fā)北京航空材料研究院先進復(fù)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(fù)合材料具有高比強度、高比模量、耐疲勞等優(yōu)異特性，在航空航天、交通運輸?shù)刃袠I(yè)有著大量應(yīng)用。2.5D碳纖維織物增強復(fù)合材料是其中十分重要的一種，由于其特殊的層間接結(jié)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(fù)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(xiàn)在試樣工作區(qū)（對稱V形缺口中間部分）形成均勻的面內(nèi)剪切應(yīng)力場。該方法主要缺點是工作區(qū)較小，適用于單向、簡單機織物層壓板[2]?；谠摲椒ǖ膶嶒灅?biāo)準(zhǔn)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(lián)復(fù)合材料的剪切強度。Liu[4]等提出并設(shè)計了一種基于該標(biāo)準(zhǔn)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(fù)合材料進行了試驗，保證試樣處于純剪切狀態(tài)，但未對改進前后測試結(jié)果進行比較分析。

2.5D織物增強樹脂基復(fù)合材料含有厚度方向聯(lián)鎖紗線，對于這種復(fù)合材料，紡織復(fù)合材料試驗標(biāo)準(zhǔn)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(fù)合材料剪切性能的方法。基于該方法的試驗標(biāo)準(zhǔn)有ASTM D7078。與Iosipescu剪切法相比，該方法采用的是面內(nèi)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?qū)崿F(xiàn)在工作段部位V形缺口截面處發(fā)生破壞。張宇[5]等遵循ASTMD7078試驗標(biāo)準(zhǔn)研究了碳纖維復(fù)合材料V形缺口試樣的剪切試驗，發(fā)現(xiàn)V形缺口的圓角增加后的V形缺口試樣應(yīng)力狀態(tài)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(fù)合材料進行剪切測試比較，發(fā)現(xiàn)±45°拉伸剪切應(yīng)變均勻性較差。孟憲明等[8]采用ASTM D7078方法結(jié)合數(shù)字圖像相關(guān)方法，對碳纖維復(fù)合材料層合板進行面內(nèi)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(shè)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(fù)合材料面內(nèi)剪切測試中已得到廣泛應(yīng)用，而針對不同復(fù)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(yīng)變，一般可使用電阻應(yīng)變計進行測量。對于紡織復(fù)合材料，指南ASTM D6856-2016表示應(yīng)變計的長度和寬度至少應(yīng)等于最小單胞的長度和寬度。這是基于單胞性能對復(fù)合材料整體性能的代表性提出的規(guī)定。許藝青等人研究了電阻應(yīng)變計尺寸的影響，發(fā)現(xiàn)敏感柵有效長度越長，越有利于應(yīng)變傳遞[10]；且敏感柵材料柵絲長度越長，應(yīng)變的傳遞誤差越小[11]。而應(yīng)變計尺寸對2.5D復(fù)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(fù)合材料的剪切方法，本文針對2.5D機織碳纖維樹脂基復(fù)合材料，基于兩種V形缺口剪切試驗標(biāo)準(zhǔn)進行剪切試驗，采用兩種不同規(guī)格的應(yīng)變計測量剪切響應(yīng)并計算模量，比較了兩種試驗方法和兩種規(guī)格應(yīng)變計對2.5D機織樹脂基復(fù)合材料剪切性能測量結(jié)果的影響，分析了經(jīng)緯向剪切的失效模式。

1 剪切試驗

1.1 試樣與試驗標(biāo)準(zhǔn)

所用試樣件為2.5D碳纖維織物增強雙馬樹脂（EC230R/TG800）復(fù)合材料。其中機織預(yù)制體是由6層緯紗、5層經(jīng)紗和5層襯經(jīng)紗（紗線規(guī)格均為TG800-12K）機織形成的層與層角聯(lián)鎖三枚斜紋襯經(jīng)結(jié)構(gòu)織物，單胞（即結(jié)構(gòu)重復(fù)單元）大小為7.5 mm×5 mm×0.5 mm，由天津工業(yè)大學(xué)提供；復(fù)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(fù)合材料的幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示，緯紗垂直于紙面，經(jīng)紗實現(xiàn)層層互鎖，襯經(jīng)紗補強經(jīng)向性能。

圖1 2.5D機織復(fù)合材料幾何結(jié)構(gòu)示意圖

美標(biāo)ASTM D7078/D7078M-12中規(guī)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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)），試樣尺寸如圖2所示。試樣按剪裁的長度方向為經(jīng)紗或者緯紗，分為經(jīng)向與緯向。

圖2 基于不同試驗標(biāo)準(zhǔn)的試樣尺寸

1.2 電阻應(yīng)變計

采用兩種不同規(guī)格的粘貼式電阻應(yīng)變計測量2.5D機織樹脂基復(fù)合材料在面內(nèi)剪切試驗過程中的應(yīng)變。兩種應(yīng)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(yīng)變計的具體規(guī)格見表1。紡織復(fù)合材料測試指南中推薦應(yīng)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(yīng)變計，所以選用了較為合適的9.8 mm×3 mm的 BA120-10AA（11）型應(yīng)變計。為表達更簡約直觀，下文將BE120-3AA（11）稱為小應(yīng)變計，BA120-10AA（11）稱為大應(yīng)變計。

表1 應(yīng)變計規(guī)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(yīng)變計，如圖3所示。單面即可測得剪應(yīng)變與模量，但在加載過程中試樣可能發(fā)生扭轉(zhuǎn)，為了衡量扭轉(zhuǎn)的程度，在試樣前側(cè)和后側(cè)對稱貼一組應(yīng)變計，最終取兩面測量的模量值的平均數(shù)為最終剪切模量。應(yīng)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(yīng)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(yīng)變計的粘貼空間受限，因此在試樣前后兩側(cè)中心對稱面沿45°和-45°各只貼一片 BA120-10AA（11）大應(yīng)變計，如圖3（b）所示，黑色虛線框表示背面的應(yīng)變計，剪應(yīng)變由兩應(yīng)變計響應(yīng)絕對值相加得到。

圖3 應(yīng)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(jié)果與討論

采用不同試驗標(biāo)準(zhǔn)、利用不同規(guī)格應(yīng)變計測量2.5D機織樹脂基復(fù)合材料的剪切響應(yīng)，得到2.5D機織樹脂基復(fù)合材料的經(jīng)、緯向剪切模量。同時計算2.5D機織樹脂基復(fù)合材料剪切性能不同側(cè)面的模量結(jié)果，然后對2.5D機織復(fù)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(yīng)分析

剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示，整體呈現(xiàn)非線性特征?？梢钥闯鰺o論經(jīng)向還是緯向，用ASTM D5379結(jié)合小應(yīng)變計的剪應(yīng)力-應(yīng)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(yīng)變計和小應(yīng)變計測量的曲線幾乎重合，表明ASTM D7078受應(yīng)變計測量的影響較小，這是因為ASTM D7078試樣尺寸比較大，應(yīng)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(yīng)變計大小，測量的應(yīng)變偏差都很小。而ASTM D5379試樣的工作段區(qū)域小，應(yīng)變計粘貼空間有限，離V形缺口較近，該區(qū)域應(yīng)力集中容易引起應(yīng)變測量失真，因此導(dǎo)致采用ASTM D5379方法時大應(yīng)變計和小應(yīng)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(fù)合材料剪切試驗更為合適。

圖6 剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線

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

由圖 7的（a）～（h）可以看出，無論是經(jīng)向剪切還是緯向剪切，在低應(yīng)力區(qū)，ε45和ε-45呈線性且對稱性較好，試樣前后兩側(cè)的應(yīng)變曲線幾乎重合。在高應(yīng)力區(qū)，材料的剪切非線性加劇，直至最后應(yīng)變急劇增大而應(yīng)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(jīng)向剪切響應(yīng)曲線在接近平臺區(qū)出現(xiàn)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(jīng)向試樣剪切過程中，裂紋在表面擴展到一定程度后向內(nèi)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(chǎn)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(xiàn)凸起。

圖7 剪切響應(yīng)曲線

2.2 剪切性能結(jié)果

按照力學(xué)行為計算方法，復(fù)合材料的面內(nèi)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)中所描述，選取剪應(yīng)變區(qū)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(yīng)的差別，將計算得到的模量保留四位小數(shù)，結(jié)果見表2。

由表2可以看出，對于經(jīng)向剪切，ASTM D7078方法結(jié)合大應(yīng)變計測出的模量最高，而緯向剪切中則是ASTM D5379方法結(jié)合大應(yīng)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(jīng)向或是緯向，采用同一種標(biāo)準(zhǔn)試驗方法，大應(yīng)變計測量的剪切模量總是高于小應(yīng)變計的。不同尺寸應(yīng)變計測出的模量具有差距的原因可能是大尺寸應(yīng)變計的覆蓋長度超過2.5D機織復(fù)合材料的單胞長度，應(yīng)變計測量的是敏感柵覆蓋區(qū)域下的平均應(yīng)變，覆蓋區(qū)域面積越大，越能代表材料本身的性能。而小應(yīng)變計敏感柵長度未能達到單胞長度，測量的應(yīng)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(dǎo)的變形量比纖維主導(dǎo)的變形量大，那么小應(yīng)變計受局部樹脂影響測得的應(yīng)變更大，導(dǎo)致計算的模量小。由此可以推測大應(yīng)變計測量2.5D機織碳纖維樹脂基復(fù)合材料更加準(zhǔn)確適用。

表2 剪切試驗結(jié)果1）

2.3 剪切失效模式

由于2.5D機織樹脂基復(fù)合材料其特殊的編織結(jié)構(gòu)，剪切過程中，可以觀察到V形槽剪切區(qū)域逐漸向面外凸起產(chǎn)生面外變形，表面樹脂裂紋叢生，近表面纖維有屈曲現(xiàn)象，伴隨著發(fā)出崩裂聲。

2.5D機織樹脂基復(fù)合材料的工作段表觀破壞形貌如圖8所示，已標(biāo)注出紗線方向。試樣未完全斷裂，但整體結(jié)構(gòu)完整性已遭到破壞。肉眼可見基體樹脂裂紋，富樹脂區(qū)發(fā)生嚴(yán)重損傷，導(dǎo)致與之粘連的應(yīng)變計發(fā)生破壞。經(jīng)向試樣比緯向試樣破壞特征更加明顯，經(jīng)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(xiàn)橫向裂紋。裂紋方向都是沿緯紗方向。說明無論是經(jīng)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(chǎn)生屈曲，這與前述2.5D織物結(jié)構(gòu)中緯紗比經(jīng)紗的暴露段更長有關(guān)。樹脂破碎與紗線屈曲進一步發(fā)展，導(dǎo)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(jié)束語

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

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

2）對于2.5D機織樹脂基復(fù)合材料面內(nèi)剪切試驗，用大尺寸應(yīng)變計測量的剪切模量比小尺寸應(yīng)變計的高。ASTM D7078的應(yīng)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(yīng)變計粘貼離缺口較近，缺口造成的邊緣效應(yīng)不可忽略，導(dǎo)致用不同尺寸應(yīng)變計測出的模量差異較大。故相對來說，ASTM D7078方法結(jié)合大應(yīng)變計更適用于2.5D機織復(fù)合材料剪切試驗。