张 琴， 王雅娜， 刘燕峰， 陈新文
(1. 中国航发北京航空材料研究院，北京 100095; 2. 航空材料检测与评价北京市重点实验室，北京 100095; 3. 中国航空发动机集团材料检测与评价航空科技重点实验室，北京 100095; 4. 中国航发北京航空材料研究院软材料技术研究中心，北京 100095;5. 中国航发北京航空材料研究院先进复合材料国防科技重点实验室，北京 100095)
碳纤维增强树脂基复合材料具有高比强度、高比模量、耐疲劳等优异特性，在航空航天、交通运输等行业有着大量应用。2.5D碳纤维织物增强复合材料是其中十分重要的一种，由于其特殊的层间接结作用，抗剪切能力大大增强，但针对这种材料的剪切性能测试手段还未完善。
迄今为止针对树脂基复合材料有多种剪切试验方法，其中最重要最常用的方法是Iosipescu剪切方法[1]。Iosipescu剪切试验原理是通过专用夹具对带有双 V 形缺口试样左右两边施加一对压缩载荷，实现在试样工作区（对称V形缺口中间部分）形成均匀的面内剪切应力场。该方法主要缺点是工作区较小，适用于单向、简单机织物层压板[2]。基于该方法的实验标准有ASTM D5379。冯景鹏等[3]用ASTM D5379方法测试了不同温度下2.5D浅交直联复合材料的剪切强度。Liu[4]等提出并设计了一种基于该标准装置改进的V型缺口测试夹具，改进后可以轻松放置不同厚度的试样，同时大大减小了摩擦和弯矩的影响，并用三维编织复合材料进行了试验，保证试样处于纯剪切状态，但未对改进前后测试结果进行比较分析。
2.5D织物增强树脂基复合材料含有厚度方向联锁纱线，对于这种复合材料，纺织复合材料试验标准指南 ASTM D6856/D6856M-03（2016）表示不推荐用ASTM D5379试验方法，需要改进试样，但同时没有指出一种适用的方法。V 形轨道剪切法是一种在两对加载轨道上通过夹持V形缺口试样两端来确定高模量高强度纤维增强复合材料剪切性能的方法。基于该方法的试验标准有ASTM D7078。与Iosipescu剪切法相比，该方法采用的是面内加载方式，轨道通过接触面把剪切作用传递给试样，而不是在试样顶部和底端部施加载荷。V 形开口轨道剪切法能够实现在工作段部位V形缺口截面处发生破坏。张宇[5]等遵循ASTMD7078试验标准研究了碳纤维复合材料V形缺口试样的剪切试验，发现V形缺口的圆角增加后的V形缺口试样应力状态更接近纯剪切。徐琪[6]比较了V形缺口轨道剪切法与±45°拉伸剪切法，对于玻纤层合板V 形开口轨道剪切法测得的剪切强度和模量高于±45°方法。Antonios等[7]用V形缺口轨道剪切方法和±45°拉伸方法对纺织复合材料进行剪切测试比较，发现±45°拉伸剪切应变均匀性较差。孟宪明等[8]采用ASTM D7078方法结合数字图像相关方法，对碳纤维复合材料层合板进行面内剪切测试并进行了仿真分析。Gude等[9]对ASTM D7078夹具进行了改良设计，提高了剪切加载的精确性并简化了试样安装。ASTM D7078方法在各种复合材料面内剪切测试中已得到广泛应用，而针对不同复合材料的适用性和精确性尚未有确切定论。
在V形缺口剪切测试过程中，若想获得剪切应变，一般可使用电阻应变计进行测量。对于纺织复合材料，指南ASTM D6856-2016表示应变计的长度和宽度至少应等于最小单胞的长度和宽度。这是基于单胞性能对复合材料整体性能的代表性提出的规定。许艺青等人研究了电阻应变计尺寸的影响，发现敏感栅有效长度越长，越有利于应变传递[10]；
且敏感栅材料栅丝长度越长，应变的传递误差越小[11]。而应变计尺寸对2.5D复合材料剪切性能测试的影响程度还未有研究。
为了探索适用于2.5D机织树脂基复合材料的剪切方法，本文针对2.5D机织碳纤维树脂基复合材料，基于两种V形缺口剪切试验标准进行剪切试验，采用两种不同规格的应变计测量剪切响应并计算模量，比较了两种试验方法和两种规格应变计对2.5D机织树脂基复合材料剪切性能测量结果的影响，分析了经纬向剪切的失效模式。
1.1 试样与试验标准
所用试样件为2.5D碳纤维织物增强双马树脂（EC230R/TG800）复合材料。其中机织预制体是由6层纬纱、5层经纱和5层衬经纱（纱线规格均为TG800-12K）机织形成的层与层角联锁三枚斜纹衬经结构织物，单胞（即结构重复单元）大小为7.5 mm×5 mm×0.5 mm，由天津工业大学提供；
复合材料板材由北京航空材料研究院利用RTM工艺制备。2.5D机织复合材料的几何结构如图1所示，纬纱垂直于纸面，经纱实现层层互锁，衬经纱补强经向性能。
图1 2.5D机织复合材料几何结构示意图
美标ASTM D7078/D7078M-12中规定试样尺寸长76 mm，宽56 mm，V形槽缺口尺寸长为31 mm，V形缺口工作段长度超过该方向2个单胞长度（ASTM D6856推荐试样工作段宽度为单胞宽度的2倍）。按照美标ASTM D5379/D5379M-12，试样名义尺寸长76 mm，宽19 mm，V形槽缺口处尺寸长为11.4 mm，小于2个单胞长度。按照上述标准加工试样，并在工作段贴上加强片。两种试样的厚度相同，约3.5 mm（以实测为准），试样尺寸如图2所示。试样按剪裁的长度方向为经纱或者纬纱，分为经向与纬向。
图2 基于不同试验标准的试样尺寸
1.2 电阻应变计
采用两种不同规格的粘贴式电阻应变计测量2.5D机织树脂基复合材料在面内剪切试验过程中的应变。两种应变计的型号分别为BE120-3AA（11）与BA120-10AA（11），均由中航电测仪器股份公司提供，两种应变计的具体规格见表1。纺织复合材料测试指南中推荐应变计敏感栅的长宽大于单胞长宽，但暂时没有能同时满足敏感栅尺寸长度≥7.5 mm和宽度≥5 mm的应变计，所以选用了较为合适的9.8 mm×3 mm的 BA120-10AA（11）型应变计。为表达更简约直观，下文将BE120-3AA（11）称为小应变计，BA120-10AA（11）称为大应变计。
表1 应变计规格
首先对试样表面进行清洁、打磨，然后在试样工作段加载轴线中心的位置分别沿45°和-45°粘贴应变计，如图3所示。单面即可测得剪应变与模量，但在加载过程中试样可能发生扭转，为了衡量扭转的程度，在试样前侧和后侧对称贴一组应变计，最终取两面测量的模量值的平均数为最终剪切模量。应变计粘贴示意图如图2所示，为方便描述，用“7078小”表示用ASTM D7078方法和小应变计测量，其他以此类推。值得注意的是，在ASTM D5379/D5379M-12试验方法中，由于大应变计的粘贴空间受限，因此在试样前后两侧中心对称面沿45°和-45°各只贴一片 BA120-10AA（11）大应变计，如图3（b）所示，黑色虚线框表示背面的应变计，剪应变由两应变计响应绝对值相加得到。
图3 应变计粘贴示意图
1.3 试验过程
ASTM D7078/D7078M-12试验方法采用拉伸加载的方式，轨道通过接触面将载荷传递到试样上。而ASTM D5379/D5379M-12试验方法采用压缩加载的方式，上端面和下端面受载。试验机型号为INSTRON 5882。加载速度均为2 mm/min。试验如图4和图5所示。
图4 ASTM D7078/D7078M-12剪切试验装卡图
图5 ASTM D5379/D5379M-12剪切试验装卡图
采用不同试验标准、利用不同规格应变计测量2.5D机织树脂基复合材料的剪切响应，得到2.5D机织树脂基复合材料的经、纬向剪切模量。同时计算2.5D机织树脂基复合材料剪切性能不同侧面的模量结果，然后对2.5D机织复合材料剪切破坏形貌进行宏观观察，判断失效模式。
2.1 剪切响应分析
剪切应力-应变曲线如图6所示，整体呈现非线性特征。可以看出无论经向还是纬向，用ASTM D5379结合小应变计的剪应力-应变曲线斜率比其他三种方法明显小得多，表明其测得的剪切模量最小，与其他方法差距较大。采用ASTM D7078方法在大应变计和小应变计测量的曲线几乎重合，表明ASTM D7078受应变计测量的影响较小，这是因为ASTM D7078试样尺寸比较大，应变计粘贴在试样V形缺口工作段中间，离V形缺口较远，变形更均匀，所以无论应变计大小，测量的应变偏差都很小。而ASTM D5379试样的工作段区域小，应变计粘贴空间有限，离V形缺口较近，该区域应力集中容易引起应变测量失真，因此导致采用ASTM D5379方法时大应变计和小应变计测量的剪切曲线差别很大。由此可以说明，ASTM D7078试样用于2.5D机织树脂基复合材料剪切试验更为合适。
图6 剪切应力-应变曲线
图7给出了试样两面应变计采集到的线应变与应力曲线，其中 ε45和 ε-45分别表示 45°和-45°方向的线应变，ASTM D7078拉伸剪切规定ε45数值为正，ε-45数值为负。ASTM D5379压缩应变数值正负与ASTM D7078相反。
由图 7的（a）～（h）可以看出，无论是经向剪切还是纬向剪切，在低应力区，ε45和ε-45呈线性且对称性较好，试样前后两侧的应变曲线几乎重合。在高应力区，材料的剪切非线性加剧，直至最后应变急剧增大而应力几乎不再增加。值得注意的是，图 7的（c）与（d）（ASTM D5379方法）中的经向剪切响应曲线在接近平台区出现了类似于“屈服”的阶段，这与图 7 的（a）和（b）（ASTM D7078 方法）不同。这可能是由于ASTM D5379试样工作段小，经向试样剪切过程中，裂纹在表面扩展到一定程度后向内部延伸并相互连接，碳纤维纱线与基体脱粘，在压缩剪切作用下，纱线之间产生错动，受到纱线间基体的摩擦阻碍，所以抗力增加，曲线出现凸起。
图7 剪切响应曲线
2.2 剪切性能结果
按照力学行为计算方法，复合材料的面内剪切强度由下式计算：
式中：Fu——剪切强度，MPa；
Pu——极限载荷或工程剪切应变等于5%处载荷，取两者中较低值；
A——V形槽工作段横截面积。
剪切模量取值方法参考两试验标准中所描述，选取剪应变区间为2 000～6 000 με的弦向剪切模量。为了充分显示两面的剪切响应的差别，将计算得到的模量保留四位小数，结果见表2。
由表2可以看出，对于经向剪切，ASTM D7078方法结合大应变计测出的模量最高，而纬向剪切中则是ASTM D5379方法结合大应变计测出的模量最高，其中不排除试样之间的略微差异。无论是经向或是纬向，采用同一种标准试验方法，大应变计测量的剪切模量总是高于小应变计的。不同尺寸应变计测出的模量具有差距的原因可能是大尺寸应变计的覆盖长度超过2.5D机织复合材料的单胞长度，应变计测量的是敏感栅覆盖区域下的平均应变，覆盖区域面积越大，越能代表材料本身的性能。而小应变计敏感栅长度未能达到单胞长度，测量的应变受试样表面局部树脂变形的影响较大。一般来说，碳纤维的模量远远高于双马树脂的模量，在剪切试验初始加载时的相同载荷下，树脂主导的变形量比纤维主导的变形量大，那么小应变计受局部树脂影响测得的应变更大，导致计算的模量小。由此可以推测大应变计测量2.5D机织碳纤维树脂基复合材料更加准确适用。
表2 剪切试验结果1）
2.3 剪切失效模式
由于2.5D机织树脂基复合材料其特殊的编织结构，剪切过程中，可以观察到V形槽剪切区域逐渐向面外凸起产生面外变形，表面树脂裂纹丛生，近表面纤维有屈曲现象，伴随着发出崩裂声。
2.5D机织树脂基复合材料的工作段表观破坏形貌如图8所示，已标注出纱线方向。试样未完全断裂，但整体结构完整性已遭到破坏。肉眼可见基体树脂裂纹，富树脂区发生严重损伤，导致与之粘连的应变计发生破坏。经向试样比纬向试样破坏特征更加明显，经向试样剪切的典型失效模式为V形缺口之间纵向开裂，而纬向试样剪切则是出现横向裂纹。裂纹方向都是沿纬纱方向。说明无论是经向剪切还是纬向剪切，都是基体沿纬纱方向开裂，纬纱先与周围纱线局部脱粘，产生屈曲，这与前述2.5D织物结构中纬纱比经纱的暴露段更长有关。树脂破碎与纱线屈曲进一步发展，导致树脂与纱线界面完全破坏，二者脱粘，直至失去承载能力。
图8 典型试样破坏处（V形缺口工作段）宏观观察图片
本文针对2.5D机织树脂基复合材料进行了V形缺口面内剪切试验，采用两种不同试验方法、两种不同大小电阻应变计进行剪切试验，得到了经、纬向剪切响应曲线，量化比较了两种试验方法与不同应变计的测量结果，并对试样破坏外观形貌进行观察，结论如下：
1）2.5 D机织树脂基复合材料V形缺口剪切试验中ε45和ε-45表现出良好的对称性，且两面应变计的正应变曲线几乎重合。在高应力区，剪切应力-应变曲线呈现非线性。
2）对于2.5D机织树脂基复合材料面内剪切试验，用大尺寸应变计测量的剪切模量比小尺寸应变计的高。ASTM D7078的应变计粘贴得离缺口更远，均匀性更好。而ASTM D5379试样工作段较小，应变计粘贴离缺口较近，缺口造成的边缘效应不可忽略，导致用不同尺寸应变计测出的模量差异较大。故相对来说，ASTM D7078方法结合大应变计更适用于2.5D机织复合材料剪切试验。
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