張 琴， 王雅娜， 劉燕峰， 陳新文

(1. 中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095; 2. 航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095; 3. 中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095; 4. 中國(guó)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(guó)航發(fā)北京航空材料研究院先進(jìn)復(fù)合材料國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095)

0 引 言

碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐疲勞等優(yōu)異特性，在航空航天、交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)有著大量應(yīng)用。2.5D碳纖維織物增強(qiáng)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(qiáng)，但針對(duì)這種材料的剪切性能測(cè)試手段還未完善。

迄今為止針對(duì)樹(shù)脂基復(fù)合材料有多種剪切試驗(yàn)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(yàn)原理是通過(guò)專(zhuān)用夾具對(duì)帶有雙 V 形缺口試樣左右兩邊施加一對(duì)壓縮載荷，實(shí)現(xiàn)在試樣工作區(qū)（對(duì)稱(chēng)V形缺口中間部分）形成均勻的面內(nèi)剪切應(yīng)力場(chǎng)。該方法主要缺點(diǎn)是工作區(qū)較小，適用于單向、簡(jiǎn)單機(jī)織物層壓板[2]?；谠摲椒ǖ膶?shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)有ASTM D5379。馮景鵬等[3]用ASTM D5379方法測(cè)試了不同溫度下2.5D淺交直聯(lián)復(fù)合材料的剪切強(qiáng)度。Liu[4]等提出并設(shè)計(jì)了一種基于該標(biāo)準(zhǔn)裝置改進(jìn)的V型缺口測(cè)試夾具，改進(jìn)后可以輕松放置不同厚度的試樣，同時(shí)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(jìn)行了試驗(yàn)，保證試樣處于純剪切狀態(tài)，但未對(duì)改進(jìn)前后測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較分析。

2.5D織物增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料含有厚度方向聯(lián)鎖紗線，對(duì)于這種復(fù)合材料，紡織復(fù)合材料試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)指南 ASTM D6856/D6856M-03（2016）表示不推薦用ASTM D5379試驗(yàn)方法，需要改進(jìn)試樣，但同時(shí)沒(méi)有指出一種適用的方法。V 形軌道剪切法是一種在兩對(duì)加載軌道上通過(guò)夾持V形缺口試樣兩端來(lái)確定高模量高強(qiáng)度纖維增強(qiáng)復(fù)合材料剪切性能的方法。基于該方法的試驗(yàn)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(guò)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(kāi)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(yàn)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(yàn)，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(duì)于玻纖層合板V 形開(kāi)口軌道剪切法測(cè)得的剪切強(qiáng)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(duì)紡織復(fù)合材料進(jìn)行剪切測(cè)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(duì)碳纖維復(fù)合材料層合板進(jìn)行面內(nèi)剪切測(cè)試并進(jìn)行了仿真分析。Gude等[9]對(duì)ASTM D7078夾具進(jìn)行了改良設(shè)計(jì)，提高了剪切加載的精確性并簡(jiǎn)化了試樣安裝。ASTM D7078方法在各種復(fù)合材料面內(nèi)剪切測(cè)試中已得到廣泛應(yīng)用，而針對(duì)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(cè)試過(guò)程中，若想獲得剪切應(yīng)變，一般可使用電阻應(yīng)變計(jì)進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于紡織復(fù)合材料，指南ASTM D6856-2016表示應(yīng)變計(jì)的長(zhǎng)度和寬度至少應(yīng)等于最小單胞的長(zhǎng)度和寬度。這是基于單胞性能對(duì)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(jì)尺寸的影響，發(fā)現(xiàn)敏感柵有效長(zhǎng)度越長(zhǎng)，越有利于應(yīng)變傳遞[10]；且敏感柵材料柵絲長(zhǎng)度越長(zhǎng)，應(yīng)變的傳遞誤差越小[11]。而應(yīng)變計(jì)尺寸對(duì)2.5D復(fù)合材料剪切性能測(cè)試的影響程度還未有研究。

為了探索適用于2.5D機(jī)織樹(shù)脂基復(fù)合材料的剪切方法，本文針對(duì)2.5D機(jī)織碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料，基于兩種V形缺口剪切試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行剪切試驗(yàn)，采用兩種不同規(guī)格的應(yīng)變計(jì)測(cè)量剪切響應(yīng)并計(jì)算模量，比較了兩種試驗(yàn)方法和兩種規(guī)格應(yīng)變計(jì)對(duì)2.5D機(jī)織樹(shù)脂基復(fù)合材料剪切性能測(cè)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(yàn)

1.1 試樣與試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

所用試樣件為2.5D碳纖維織物增強(qiáng)雙馬樹(shù)脂（EC230R/TG800）復(fù)合材料。其中機(jī)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T(mén)G800-12K）機(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)層層互鎖，襯經(jīng)紗補(bǔ)強(qiáng)經(jīng)向性能。

圖1 2.5D機(jī)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(zhǎng)76 mm，寬56 mm，V形槽缺口尺寸長(zhǎng)為31 mm，V形缺口工作段長(zhǎng)度超過(guò)該方向2個(gè)單胞長(zhǎng)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(zhǎng)76 mm，寬19 mm，V形槽缺口處尺寸長(zhǎng)為11.4 mm，小于2個(gè)單胞長(zhǎng)度。按照上述標(biāo)準(zhǔn)加工試樣，并在工作段貼上加強(qiáng)片。兩種試樣的厚度相同，約3.5 mm（以實(shí)測(cè)為準(zhǔn)），試樣尺寸如圖2所示。試樣按剪裁的長(zhǎng)度方向?yàn)榻?jīng)紗或者緯紗，分為經(jīng)向與緯向。

圖2 基于不同試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的試樣尺寸

1.2 電阻應(yīng)變計(jì)

采用兩種不同規(guī)格的粘貼式電阻應(yīng)變計(jì)測(cè)量2.5D機(jī)織樹(shù)脂基復(fù)合材料在面內(nèi)剪切試驗(yàn)過(guò)程中的應(yīng)變。兩種應(yīng)變計(jì)的型號(hào)分別為BE120-3AA（11）與BA120-10AA（11），均由中航電測(cè)儀器股份公司提供，兩種應(yīng)變計(jì)的具體規(guī)格見(jiàn)表1。紡織復(fù)合材料測(cè)試指南中推薦應(yīng)變計(jì)敏感柵的長(zhǎng)寬大于單胞長(zhǎng)寬，但暫時(shí)沒(méi)有能同時(shí)滿(mǎn)足敏感柵尺寸長(zhǎng)度≥7.5 mm和寬度≥5 mm的應(yīng)變計(jì)，所以選用了較為合適的9.8 mm×3 mm的 BA120-10AA（11）型應(yīng)變計(jì)。為表達(dá)更簡(jiǎn)約直觀，下文將BE120-3AA（11）稱(chēng)為小應(yīng)變計(jì)，BA120-10AA（11）稱(chēng)為大應(yīng)變計(jì)。

表1 應(yīng)變計(jì)規(guī)格

首先對(duì)試樣表面進(jìn)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(jì)，如圖3所示。單面即可測(cè)得剪應(yīng)變與模量，但在加載過(guò)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(duì)稱(chēng)貼一組應(yīng)變計(jì)，最終取兩面測(cè)量的模量值的平均數(shù)為最終剪切模量。應(yīng)變計(jì)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(jì)測(cè)量，其他以此類(lèi)推。值得注意的是，在ASTM D5379/D5379M-12試驗(yàn)方法中，由于大應(yīng)變計(jì)的粘貼空間受限，因此在試樣前后兩側(cè)中心對(duì)稱(chēng)面沿45°和-45°各只貼一片 BA120-10AA（11）大應(yīng)變計(jì)，如圖3（b）所示，黑色虛線框表示背面的應(yīng)變計(jì)，剪應(yīng)變由兩應(yīng)變計(jì)響應(yīng)絕對(duì)值相加得到。

圖3 應(yīng)變計(jì)粘貼示意圖

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

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

圖4 ASTM D7078/D7078M-12剪切試驗(yàn)裝卡圖

圖5 ASTM D5379/D5379M-12剪切試驗(yàn)裝卡圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

采用不同試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、利用不同規(guī)格應(yīng)變計(jì)測(cè)量2.5D機(jī)織樹(shù)脂基復(fù)合材料的剪切響應(yīng)，得到2.5D機(jī)織樹(shù)脂基復(fù)合材料的經(jīng)、緯向剪切模量。同時(shí)計(jì)算2.5D機(jī)織樹(shù)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(duì)2.5D機(jī)織復(fù)合材料剪切破壞形貌進(jìn)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(wú)論經(jīng)向還是緯向，用ASTM D5379結(jié)合小應(yīng)變計(jì)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(cè)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(jì)和小應(yīng)變計(jì)測(cè)量的曲線幾乎重合，表明ASTM D7078受應(yīng)變計(jì)測(cè)量的影響較小，這是因?yàn)锳STM D7078試樣尺寸比較大，應(yīng)變計(jì)粘貼在試樣V形缺口工作段中間，離V形缺口較遠(yuǎn)，變形更均勻，所以無(wú)論應(yīng)變計(jì)大小，測(cè)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(jì)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(cè)量失真，因此導(dǎo)致采用ASTM D5379方法時(shí)大應(yīng)變計(jì)和小應(yīng)變計(jì)測(cè)量的剪切曲線差別很大。由此可以說(shuō)明，ASTM D7078試樣用于2.5D機(jī)織樹(shù)脂基復(fù)合材料剪切試驗(yàn)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(jì)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(fù)。ASTM D5379壓縮應(yīng)變數(shù)值正負(fù)與ASTM D7078相反。

由圖 7的（a）～（h）可以看出，無(wú)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(duì)稱(chēng)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(tái)區(qū)出現(xiàn)了類(lèi)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(guò)程中，裂紋在表面擴(kuò)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(cuò)動(dòng)，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(jì)算方法，復(fù)合材料的面內(nèi)剪切強(qiáng)度由下式計(jì)算：

式中：Fu——剪切強(qiáng)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(yàn)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(jì)算得到的模量保留四位小數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可以看出，對(duì)于經(jīng)向剪切，ASTM D7078方法結(jié)合大應(yīng)變計(jì)測(cè)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(jì)測(cè)出的模量最高，其中不排除試樣之間的略微差異。無(wú)論是經(jīng)向或是緯向，采用同一種標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，大應(yīng)變計(jì)測(cè)量的剪切模量總是高于小應(yīng)變計(jì)的。不同尺寸應(yīng)變計(jì)測(cè)出的模量具有差距的原因可能是大尺寸應(yīng)變計(jì)的覆蓋長(zhǎng)度超過(guò)2.5D機(jī)織復(fù)合材料的單胞長(zhǎng)度，應(yīng)變計(jì)測(cè)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(jì)敏感柵長(zhǎng)度未能達(dá)到單胞長(zhǎng)度，測(cè)量的應(yīng)變受試樣表面局部樹(shù)脂變形的影響較大。一般來(lái)說(shuō)，碳纖維的模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于雙馬樹(shù)脂的模量，在剪切試驗(yàn)初始加載時(shí)的相同載荷下，樹(shù)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(jì)受局部樹(shù)脂影響測(cè)得的應(yīng)變更大，導(dǎo)致計(jì)算的模量小。由此可以推測(cè)大應(yīng)變計(jì)測(cè)量2.5D機(jī)織碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料更加準(zhǔn)確適用。

表2 剪切試驗(yàn)結(jié)果1）

2.3 剪切失效模式

由于2.5D機(jī)織樹(shù)脂基復(fù)合材料其特殊的編織結(jié)構(gòu)，剪切過(guò)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(shù)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(jī)織樹(shù)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(jiàn)基體樹(shù)脂裂紋，富樹(shù)脂區(qū)發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷，導(dǎo)致與之粘連的應(yīng)變計(jì)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(kāi)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(shuō)明無(wú)論是經(jīng)向剪切還是緯向剪切，都是基體沿緯紗方向開(kāi)裂，緯紗先與周?chē)喚€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(zhǎng)有關(guān)。樹(shù)脂破碎與紗線屈曲進(jìn)一步發(fā)展，導(dǎo)致樹(shù)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(yǔ)

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

1）2.5 D機(jī)織樹(shù)脂基復(fù)合材料V形缺口剪切試驗(yàn)中ε45和ε-45表現(xiàn)出良好的對(duì)稱(chēng)性，且兩面應(yīng)變計(jì)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(duì)于2.5D機(jī)織樹(shù)脂基復(fù)合材料面內(nèi)剪切試驗(yàn)，用大尺寸應(yīng)變計(jì)測(cè)量的剪切模量比小尺寸應(yīng)變計(jì)的高。ASTM D7078的應(yīng)變計(jì)粘貼得離缺口更遠(yuǎn)，均勻性更好。而ASTM D5379試樣工作段較小，應(yīng)變計(jì)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(jì)測(cè)出的模量差異較大。故相對(duì)來(lái)說(shuō)，ASTM D7078方法結(jié)合大應(yīng)變計(jì)更適用于2.5D機(jī)織復(fù)合材料剪切試驗(yàn)。