纤维增强复合材料剪切试验方法综述

纤维增强复合材料剪切试验方法综述ID作者：张浩来源：《科技创新导报》2015年第21期张浩(上海飞机设计研究院上海200436)摘要：复合材料的剪切性能相对其他力学性能较低，往往引起整体结构过早地发生破坏。该文针对复合材料剪切性能试验方法多种多样、难以选择的情况，基于复合材料剪切试验的发展现状，从试验段的剪切应力和正应力分布、标准准状况、可获得的剪切性能、试样制备和实验装置、实际应用等方面入手，综合评价了现有剪切试验方法，从而为工程人员选取复合材料剪切试验方法提供一定指导。研究表明，短梁法可用于材料的筛选和质量控制；Iosipescu法及V开口剪切法适合于产生设计数据；斜双切口法处于起步发展阶段，需进一步研究推广。关键词：复合材料剪切试验IosiPescu法V开口剪切法短梁法中图分类号：V22文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2015)07(c)-0065-02复合材料是由增强相、基体和填料通过人工复合工艺制造的，具有多相细观结构的，有特殊性能的固体新型材料系统。其中，纤维增强复合材料由于具有比强度高、比刚度高等优点，已被广泛应用于航空航天、汽车、体育等领域。为准确的设计和分析复合材料构件，工程人员需获得齐全可靠的复合材料性能数据，如剪切、轴向、横向、疲劳等性能参数。其中，剪切性能相对较低，往往引起整体结构过早地发生破坏。可以这么说，基体抗剪性能差是复合材料这一“大木桶”中的短板［1］。因此，剪切性能是工程人员必须注意的问题，而这也要求测量复合材料剪切性能的精确方法。过去的几十年，研究者们发展了许多用于复合材料的剪切实验方法，但目前还没有一种方法能完全满足剪切试验所需的“试件可提供均匀的纯剪切区域，试验能够重现，不要求特殊的试验设备，能提供试样破坏前完整的应力—应变特性曲线”等要求。因此，关于剪切性能的试验方法还在不断地发展。而对于剪切试验方法的选取令人困惑。该文基于复合材料剪切试验的发展现状，综合评价了常用的复合材料剪切试验方法，从而为工程人员选取剪切试验方法提供一定指导。1主要剪切试验方法介绍在过去的几十年里研究者们发展的剪切试验方法几十种［1］，根据发展思路基本可以分为五类：拉伸类，如拉伸法、拉伸法；剪切类，如纯板剪切法、轨道法、Iosipescu法、V开口轨道法；扭转类，如薄壁圆管扭转法；梁弯曲类，如短梁剪切法、品字梁法；切口类，如双切口法、斜双切口法。拉伸类剪切试验这类方法直接拉伸层合板，通过理论分析获得剪切性能。其中拉伸法通过给一个平衡的和对称的层合板施加单轴拉伸载荷，从而测得连续维增强复合材料的面内剪切模量及面内剪切强度。该法简单易行、无需特殊的夹具，因此在实际中常常被使用。该法在测量面内剪切模量时所得数据较好。但是在测量剪切强度时，试验段处于双轴应力状态，不是纯剪切状态且发生混合断裂破坏，因此在解释最终的剪切强度和应变时必须十分小心。可用于指导该方法的标准有ISO14129及ASTMD3518。偏轴拉伸法是获得纤维增强高聚物复合材料剪切特性的通用方法。该法从理论分析入手，对单向层合板施加与材料主向成夹角的拉伸载荷，这样纵轴应力和横轴应力成分对剪切相应的影响最小，剪切应变接近最大值。该法具有与常规拉伸试验相匹配、试件厚度上剪切应力的分布均匀、无残余应力和易于加工等优点。但该法也存在：夹头附近易转动，数据处理复杂等缺点。此外研究表明［1］，即使是改进了垫片，该法还是严重的低估了最大的剪切强度和应变。所以该法一般不能独立使用，而作为参考方法与其他的方法进行比对或确认。该方法的试件的尺寸和试样的准备可参照国际标准ISO527的第五款。弯曲类剪切试验短梁法是一种常用于测试单向连续纤维增强和编织复合材料的名义层间剪切强度的方法。它有三点弯曲和四点弯曲两种。从理论上看，相对三点弯曲，四点弯曲可提高载荷的传递效率，降低加载柱对试件的压碎破坏，但实际研究并没有支持该观点。Whintey用弹性理论对短梁三点剪切和四点剪切试样作了分析比较。分析表明，经典梁理论显然不适合于分析短梁剪切试样的应力分布。因此，短梁法所得层间剪切强度令人生疑。此外，大量研究表明，短梁法所测得值与跨厚比及宽厚比有关。跨厚比越小，所得强度值越大，也越接近实际，但跨厚过小的话，经典梁理论的就越不适用。因此，标准建议跨厚比为4-5。虽然，短梁法所测的值令人生疑、应力状态也非纯剪切，但是由于该法简单易行，试验便宜，在实际使用中，该发的使用频率最高。不过由于只能测得名义层间剪切强度，该法一般不能用于设计，只能用于材料的筛选与质量控制。该方法的标准和指南有：BS、EN、ISO14,130。剪切类剪切试验该类方法通过在矩形板两侧施加对称力偶来逼近纯剪切状态。其中轨道剪切法是通过两根或三根轨道施加外载荷。该方法工作区较大但对于抗剪强度较高的试件中往往会发生滑移，从而引起试件与轨道螺栓发生压力接触，引发沿螺栓线而不是在试件中心的过早断裂，导致无法获得最终的抗剪强度。为克服上述缺点，Adams等人［2］将用于测试金属剪切性能的Iosipescu法引入复合材料。该方法采用双边V形开口矩形试件，通过特殊加载装置对试件施加力偶来逼近纯剪切状态。由于试件中有V形开口，在试件工作区可得到较均匀的剪应力场，且试件破坏时也基本发生在工作区中。该法可测得所有三个平面内的剪切性能（包括面内剪切性能及层间剪切性能），并且可获得较满意的测试结果，也是目前最常使用的剪切试验方法。该方法的标准有：ASTMD5379和HB7237。但该法所测剪切模量分散性较大，且受试件纤维取向影响较大且加载过程中容易引起局部压碎。为此研究人员提出了V形开口轨道法。V形开口轨道剪切实验是双轨剪切实验和Iosipescu剪切实验的综合产物，采用两对加载轨将V形开口试件两边夹持住，实验时加载轨道通过试件夹持面将剪力引入试件。该方法综合了上述两种方法的优点，克服了部分缺点，被认为是目前最有前途的剪切实验方法［3］。与Iosipescu剪切实验相比，该方法具有较大的工作区，夹持面通过面载荷引入剪，提高了载荷传递的效率，可测试高剪切强度的试件且能消除局部压碎破坏。与双轨剪切实验相比，试件无需钻孔，从而克服了试件与加载螺栓的挤压破坏及试件的分层破坏，同时在试件工作区可获得更均匀的剪应力状态，而v开口试件的采用也大大节省了材料。此外，该法与Iosipescu法是仅有的两个即可测面内剪切性能又可测层间剪切性能的方法。与Iosipescu法相比，该法可达到的剪应力水平是后的3〜4倍。在测量单向、正交铺层等低强度材料时，二者并无太大差别。但当测量更高的材料极限强度时，Iosipescu法需要加垫片。而45方向纤维百分比增大时，材料的强度会相应提高，此时，Iosipescu法无法使用，只有V开口轨道法可以使用。从这一点来说，V开口轨道法比Iosipescu法更有前途。该方法的标准和指南有：ASTMD7078-5。1.4扭转类剪切试验这类方法通过扭矩直接施加剪切载荷给纤维增强树脂基复合材料，从应用力学的角度看，它是用于剪切特征化最合适的方法。这类方法中最典型的是薄壁管扭转法。但该方法造价高、制造和测试管状试样十分困难以及需要专业的夹持设备，因此该方法在实际使用的较少。不过由于扭转在圆管内产生的应力状态接近理想的均衡剪切状态，这种方法还是经常被用来获得参考数据，用于与其他试验方法进行比较。该方法的标准有：ASTMD5448。1.5切口类剪切试验该类方法通过在试件上引入切口然后施加轴向拉伸或压缩载荷，从而获得层间剪切性能，主要有双切口实验法和斜双切口法。双切口试验法夹具尺寸小、结构简单、试件加工相对方便、便于实施且易产生层间剪切破坏，因而受到工程人员的重视。但是该法所得到的层间剪切强度依赖于试验片的尺寸，特别是受槽间距的影响较大，只能获得表观层间剪切强度，不能测得真实值。故而，该法所测的值一般用来筛选材料及质量控制，而不能作为设计数据。基于可指导该方法的标准和指南有：ASTMD3846、BS4994和BS6464。斜双切口法是双切口法的一种改进。该方法从加载方面入手，施加侧向载荷通过优化载荷比，从而增加了应力分布的均匀性，使所测得的层间剪切强度精度提高。研究表明［4］斜双切口法所测的层间剪切强度值相对于短梁法、Iosipescu法、双切口法等标准法所测值更高，更符合实际。当然，该方法还没有形成标准，对试件及夹具的几何尺寸也没有定论，需要进一步发展。2剪切试验方法的综合比较该文从试验段的剪切应力和正应力分布、标准准状况、可获得的剪切性能、试样制备和实验装置、实际应用等方面入手，综合评价了常用剪切试验方法，如表1。SL怙总齐拄It黄W口仇屯itASTMD7Q7Qft是lasipaxc口佚AETK-是+45eUR章ASTWNtLBft*直内ASTHD3S46-林THMSKiA*£■内駅叹切口层£朋THD54^S-是■t尤*蝉良豹SIA5TMD27LB是直内十孑*仗*£牛吧壬±-从表中，我们可以看出V开口轨道法与Iosipescu法满足所有评价标准的要求，是最有前途的剪切试验方法。而斜双切口法在测量层间剪切强度上具有一定优势但需要进一步推进标准化进程。当然，表中的一些方法如纯板剪切、十字梁法、品字梁法等由于试件复杂、成本较高、数据不准等原因现在已基本上不再使用。3结语如果要进行质量控制和材料筛选，短梁法是最佳的选择；如果要获得设计数据，V开口轨道法及Iosipescu法是现有试验方法中最好的，且对于高强复合材料的剪切性能测试只能用V开口轨道法。拉伸法、拉伸法的应力状态不是剪切应力状态，且适用的材料较少，因而在使用要十分小心。这两方法一般只用来进行试验的比较研究。薄壁圆管扭转法可以用来进行理论研究；双切口法是一种不错的表观层间剪切强度的测量方法；轨道法可作为一种测剪切模量的一种有力的补充。方法的选取不是绝对，对于个别特殊的试验条件及试件，我们应该从实际出发，具体问题具体分析。参考文献J.MHodghinson.先进纤维增强复合材料性能测试[M].北京:化学工业出版社,2005.D.F.Adams,E.Q.Lewis.Experimentalasessmentforfourcompositematerialsheartestmethods[J].JournalofTest