纖維增強復合材料剪切試驗方法綜述

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展現狀，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。其中，纖維增強復合材料由于具有比強度高、比剛度高等優點，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域，試驗能夠重現，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展現狀，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展的剪切試驗方法幾十種[1]，根據發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，不是純剪切狀態且發生混合斷裂破壞，因此在解釋最終的剪切強度和應變時必須十分小心?？捎糜谥笇г摲椒ǖ臉藴视校篒SO 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。跨厚比越小，所得強度值越大，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。其中軌道剪切法是通過兩根或三根軌道施加外載荷。該方法工作區較大但對于抗剪強度較高的試件中往往會發生滑移，從而引起試件與軌道螺栓發生壓力接觸，引發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。由于試件中有V形開口，在試件工作區可得到較均勻的剪應力場，且試件破壞時也基本發生在工作區中。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，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，同時在試件工作區可獲得更均勻的剪應力狀態，而v開口試件的采用也大大節省了材料。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接近理想的均衡剪切狀態，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。基于可指導該方法的標準和指南有：ASTMD3846、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、拉伸法的應力狀態不是剪切應力狀態，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，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