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摘 要
本文介紹了復合材料層合板的面內剪切試驗方法，以ASTM美國標準ASTM D 7078/D7078M-05為方法指導，討論了方法的優勢、劣勢以及使用過程中的經驗，并對試驗中出現的不連續現象作了歸納和假設。
關鍵詞：層合板 面內剪切 試驗方法
本文是作者在參與制定標準過程中，對于復合材料層合板面內剪切性能的一些了解和試驗經驗，以及過程中一些值得注意的內容的總結。
本文中的面內剪切試驗方法是按照美國標準ASTM D 7078/D7078M-05《V型缺口軌道剪切復合材料剪切性能試驗方法》進行的，正文將會有所簡介。
1、檢測方法簡介
在復合材料中，剪切性能主要出現在以下三個模式中（見表1）：
面內剪切，意指平面內剪切方法。該方法測得的性能與纖維的鋪設方式極為密切。同時，復合材料的各向異性可以通過纖維的鋪設和排布而十分靈活多變。故而，面內剪切性能的測定得到了相當的關注。
ASTM D 7078/D7078M-05《V型缺口軌道剪切復合材料剪切性能試驗方法》（下文簡稱7078方法）就是用于測定該性能方法的佼佼者（見圖1），它脫胎于ASTM D 5379/D 5379M-05《剪切性能之V型缺口梁試驗方法》，并且從理論上適用于以上3種剪切性能的測定。不過出于制樣、試驗等簡便程度的考慮，它還是在面內剪切性能的測定中一枝獨秀。
2、原理與應用
7078方法主要使用于測定復合材料層合板的剪切性能，而且一般都用于測試平面厚度不超過4mm的板材。它可以測定板材受到剪力負荷狀態時的性能表征。
7078方法，通過對樣品的兩端施加大小相等、方向相反的平行力來模擬純剪狀態下的應力形式，通過對試樣加工V形缺口來獲得測試區域的應力集中，通過在應力集中區域貼應變片來獲取剪切變形。總體而言，數據是可信的。（見圖2）
3、方法使用的問題和分析
7078方法理論上適用于所有鋪層的復合材料板材。同時，從力學角度而言，剪切性能不會因剪切加載的角度變化90°后發生改變，即0°方向測試與90°方向測試的值應相同。而大家常用的方法是GB/T 3355《纖維增強塑料縱橫剪切試驗》，這個方法是通過“優偏軸拉伸”方法測量板材面內剪切的強度與模量，因此GB/T 3355只能測量單一纖維方向鋪層以及正交鋪層板材的剪切性能。基于這些原因，作者使用7078方法對單一纖維方向鋪層板的0°方向、90°方向分別測試，并與使用GB/T 3355方法的數據做了比較，數據如下（見表2）：
顯而易見，當橫跨兩個夾持夾具的纖維比較多的時候，數據偏差明顯，這應該是受力產生變形后，纖維分擔的力增多導致終應力偏高，而形變也由于纖維的關系直接與橫梁移動關聯，導致變形增大。（見圖3）
因此，在實際使用中，在兩個方向中盡量選擇橫跨夾持區域纖維較少的方向進行試驗。
另一方面，從表2中也可以看出，7078方法相對于比較成熟的GB/T 3355方法，其數據也是比較可靠的，但是，其加工、操作上的復雜程度要高很多。因此，作者認為，7078方法的優勢在于測量多軸向、面內非對稱等非常用纖維角度的復合層板剪切性能。它能比較理想地模擬一個純剪受力環境，而且因為是夾持加載，能承受較大的載荷，所以能測出含±45°纖維的剪切強度。在這點上，就不得不提及ASTM D 5379/D 5379M-05《剪切性能之V型缺口梁試驗方法》。
該方法的優勢在于兩邊沒有夾持，模擬純剪的時候效果更理想。同時，對于這個方法，有垂直受力方向的纖維時，數據相對于7078方法更準確；但是，由于受力點過于集中，導致該方法對含有±45°纖維（即抗剪能力較高）的板材無法測出對應的破壞應力，總是在受力點受壓變形破壞。對于日漸增加的多軸向鋪層板材，±45°纖維含量大的板材也越來越多，故而ASTM D 5379/D 5379M-05方法的這個局限性就需要彌補，因此也就有了7078標準。
當然，7078方法不可避免的還是有很多局限性，為重要的，也是現在的復合材料檢測一直無法規避的，就是檢測樣板在厚度方向必須是對稱鋪層，/即[θ1/ θ2/...θm] S ，如90°/0°/0°/90°鋪層。一旦鋪層不對稱，就會產生明顯的翹曲，這樣就導致檢測強度的下降以及檢測模量的不穩定性。涉及到這種情形或設計要求的板材，可能只有通過增加應變測量點的位置并進行力學計算擬合，或者先制成對稱板材測量數據再通過理論分析擬合了（如有限元）。
后，討論一下在試驗過程中發現的一些小現象。
在多種板材的試驗中，發現以3軸向（45°/0°/-45°）的玻璃纖維布對稱鋪設的板材，在加載過程中，其應力應變曲線會出現一個不連續，如下列各圖：（見圖5、圖6）
在圖5和圖6這兩幅圖中，±45°纖維占的比例稍有不同，但是，可以很湊巧的發現，那個不連續點都在應變2.5%左右，再對照單向層板的曲線：(見圖7)
2.5%這個點基本就處于材料完全進入屈服的前面一點。因此，可以大膽猜測在該變形點時，單向纖維附近的樹脂屈服或者脫離了。
然后，在做重復加載試驗的過程中，也有所發現：（見圖8、圖9）
圖中的應變因反復加載，故而有些偏移，但是從圖8中可以發現，加載后卸載再加載，模量有所提高，線性段有所加強，曲線重合性不錯。圖9中，卻是出現一個應力下降后再加載，可以看到它的應變和模量變化都很大。不過，其模量的值還是大于它的次加載時的模量測定值。當然，這只是小部分的試驗結果，相信在其他鋪設類型中，也會出現類似的不連續點。
4、結論與建議
復合材料層合板的面內剪切性能越來越受到關注，其檢測方法也逐漸發展，相信以后會有更準確更簡便的方法出現在大家的面前。同時，三軸向板材試驗中發現不連續點這個現象也值得關注，這些位置的性能究竟有多重要呢？是否關系到安全作業？模量突變？或是其他領域的實際應用？這需要我們進一步去研究。復合材料的多變性永遠是這樣，沒有絕對欠缺的地方，只看使用者怎樣去好好得利用它。