摘　要

　　本文介绍了复合材料层合板的面内剪切试验方法，以ASTM美国标准ASTM D 7078/D7078M-05为方法指导，讨论了方法的优势、劣势以及使用过程中的经验，并对试验中出现的不连续现象作了归纳和假设。
　　关键词：层合板  面内剪切 试验方法
　　本文是作者在参与制定标准过程中，对于复合材料层合板面内剪切性能的一些了解和试验经验，以及过程中一些值得注意的内容的总结。
　　本文中的面内剪切试验方法是按照美国标准ASTM D 7078/D7078M-05《V型缺口轨道剪切复合材料剪切性能试验方法》进行的，正文将会有所简介。

　　1、检测方法简介
　　在复合材料中，剪切性能主要出现在以下三个模式中（见表1）：

　　面内剪切，意指平面内剪切方法。该方法测得的性能与纤维的铺设方式极为密切。同时，复合材料的各向异性可以通过纤维的铺设和排布而十分灵活多变。故而，面内剪切性能的测定得到了相当的关注。
　　ASTM D 7078/D7078M-05《V型缺口轨道剪切复合材料剪切性能试验方法》（下文简称7078方法）就是用于测定该性能方法的佼佼者（见图1），它脱胎于ASTM D 5379/D 5379M-05《剪切性能之V型缺口梁试验方法》，并且从理论上适用于以上3种剪切性能的测定。不过出于制样、试验等简便程度的考虑，它还是在面内剪切性能的测定中一枝独秀。

　　2、原理与应用

　　7078方法主要使用于测定复合材料层合板的剪切性能，而且一般都用于测试平面厚度不超过4mm的板材。它可以测定板材受到剪力负荷状态时的性能表征。
　　7078方法，通过对样品的两端施加大小相等、方向相反的平行力来模拟纯剪状态下的应力形式，通过对试样加工V形缺口来获得测试区域的应力集中，通过在应力集中区域贴应变片来获取剪切变形。总体而言，数据是可信的。（见图2）

　　3、方法使用的问题和分析

　　7078方法理论上适用于所有铺层的复合材料板材。同时，从力学角度而言，剪切性能不会因剪切加载的角度变化90°后发生改变，即0°方向测试与90°方向测试的值应相同。而大家常用的方法是GB/T 3355《纤维增强塑料纵横剪切试验》，这个方法是通过“优偏轴拉伸”方法测量板材面内剪切的强度与模量，因此GB/T 3355只能测量单一纤维方向铺层以及正交铺层板材的剪切性能。基于这些原因，作者使用7078方法对单一纤维方向铺层板的0°方向、90°方向分别测试，并与使用GB/T 3355方法的数据做了比较，数据如下（见表2）：

　　显而易见，当横跨两个夹持夹具的纤维比较多的时候，数据偏差明显，这应该是受力产生变形后，纤维分担的力增多导致终应力偏高，而形变也由于纤维的关系直接与横梁移动关联，导致变形增大。（见图3）

　　因此，在实际使用中，在两个方向中尽量选择横跨夹持区域纤维较少的方向进行试验。
　　另一方面，从表2中也可以看出，7078方法相对于比较成熟的GB/T 3355方法，其数据也是比较可靠的，但是，其加工、操作上的复杂程度要高很多。因此，作者认为，7078方法的优势在于测量多轴向、面内非对称等非常用纤维角度的复合层板剪切性能。它能比较理想地模拟一个纯剪受力环境，而且因为是夹持加载，能承受较大的载荷，所以能测出含±45°纤维的剪切强度。在这点上，就不得不提及ASTM D 5379/D 5379M-05《剪切性能之V型缺口梁试验方法》。

　　该方法的优势在于两边没有夹持，模拟纯剪的时候效果更理想。同时，对于这个方法，有垂直受力方向的纤维时，数据相对于7078方法更准确；但是，由于受力点过于集中，导致该方法对含有±45°纤维（即抗剪能力较高）的板材无法测出对应的破坏应力，总是在受力点受压变形破坏。对于日渐增加的多轴向铺层板材，±45°纤维含量大的板材也越来越多，故而ASTM D 5379/D 5379M-05方法的这个局限性就需要弥补，因此也就有了7078标准。
　　当然，7078方法不可避免的还是有很多局限性，为重要的，也是现在的复合材料检测一直无法规避的，就是检测样板在厚度方向必须是对称铺层，/即[θ_¹/ θ₂/...θ_m] _S ，如90°/0°/0°/90°铺层。一旦铺层不对称，就会产生明显的翘曲，这样就导致检测强度的下降以及检测模量的不稳定性。涉及到这种情形或设计要求的板材，可能只有通过增加应变测量点的位置并进行力学计算拟合，或者先制成对称板材测量数据再通过理论分析拟合了（如有限元）。
　　后，讨论一下在试验过程中发现的一些小现象。
　　在多种板材的试验中，发现以3轴向（45°/0°/-45°）的玻璃纤维布对称铺设的板材，在加载过程中，其应力应变曲线会出现一个不连续，如下列各图：（见图5、图6）

　　在图5和图6这两幅图中，±45°纤维占的比例稍有不同，但是，可以很凑巧的发现，那个不连续点都在应变2.5%左右，再对照单向层板的曲线：(见图7)

　　2.5%这个点基本就处于材料完全进入屈服的前面一点。因此，可以大胆猜测在该变形点时，单向纤维附近的树脂屈服或者脱离了。
　　然后，在做重复加载试验的过程中，也有所发现：（见图8、图9）

　　图中的应变因反复加载，故而有些偏移，但是从图8中可以发现，加载后卸载再加载，模量有所提高，线性段有所加强，曲线重合性不错。图9中，却是出现一个应力下降后再加载，可以看到它的应变和模量变化都很大。不过，其模量的值还是大于它的次加载时的模量测定值。当然，这只是小部分的试验结果，相信在其他铺设类型中，也会出现类似的不连续点。

　　4、结论与建议

　　复合材料层合板的面内剪切性能越来越受到关注，其检测方法也逐渐发展，相信以后会有更准确更简便的方法出现在大家的面前。同时，三轴向板材试验中发现不连续点这个现象也值得关注，这些位置的性能究竟有多重要呢？是否关系到安全作业？模量突变？或是其他领域的实际应用？这需要我们进一步去研究。复合材料的多变性永远是这样，没有绝对欠缺的地方，只看使用者怎样去好好得利用它。