《Polymer Composites》：Comparing the In-Plane Shear Behavior of Glass Fiber-Reinforced and Carbon Fiber-Reinforced Polymer Laminates With the Same Epoxy Matrix System in ±45° Tensile Tests
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为准确获取用于层合板设计中的单层板强度参数，研究人员针对采用相同环氧树脂基体的玻璃纤维(GF)和碳纤维(CF)增强层合板，开展了准静态±45°拉伸测试，系统研究了其面内剪切行为。通过光学裂纹检测和声发射(AE)分析监测损伤起始与扩展，评估了不同失效剪切应力(τ12)的判定标准，并利用经典层合板理论(CLT)分析了横向应力分量(σ2)对实测失效τ12的影响。研究发现，基于AE的首次单层失效(FPF)判据比ASTM D3518标准值更能准确表征单层强度，且GF-epoxy因各向异性较低导致失效τ12低于CF-epoxy。该研究为纤维增强聚合物(FRP)层合板的精确失效分析和性能评估提供了重要实验依据与方法参考。
在纤维增强聚合物(FRP)层合板的结构设计中，工程师们通常需要进行基于单层板的失效分析，即评估在给定载荷下每个单层板的应力状态，以此判断结构是否安全。这一过程的核心在于准确获取单层板的基本力学性能，包括沿纤维方向和横向的弹性模量、泊松比，以及至关重要的面内剪切性能。然而，与相对容易测得的其他性能不同，面内剪切性能的测定一直是个“老大难”问题。难点在于难以在实验中产生足够纯净、均匀的面内剪切应力状态。为此，业界发展出了多种测试方法，如Iosipescu测试、轨道剪切测试以及本文重点关注的±45°拉伸测试等。但令人困惑的是，不同测试方法得到的结果常常不一致，有些研究报道吻合良好，有些则差异显著。这不仅与方法本身有关，也可能与被测的特定FRP层合板材料相关。这种不确定性导致了一个严峻的现实：我们目前用于测定面内剪切性能的测试方法，其可靠性和可重复性仍需深入研究和明确。
为了解决这一困境，并特别厘清±45°拉伸测试这一常用方法中的关键问题，一组研究人员在《Polymer Composites》期刊上发表了一项针对性研究。他们的目标很明确：第一，评估美国材料与试验协会(ASTM)标准中用于定义首次单层失效(First-ply-failure, FPF)的判据是否合适；第二，研究多轴面内应力状态，特别是横向应力分量(σ2)，对实测失效剪切应力(τ12)的影响。为此，他们精心设计实验，对采用相同环氧树脂基体但增强纤维分别为玻璃纤维(GF)和碳纤维(CF)的两种层合板进行了准静态±45°拉伸测试。通过结合高灵敏度的声发射(AE)技术和针对半透明GF层合板的光学裂纹检测，研究人员得以实时、精确地捕捉损伤的起始与演变过程，从而为评估各种强度判据提供了可靠的“金标准”。
为开展此项研究，作者团队主要运用了以下几项关键技术方法：首先，他们利用单向(UD)预浸料制备了不同类型（UD0、UD90、±45°铺层）的层合板试件，并通过真空袋压工艺固化成型。其次，在准静态拉伸测试中，结合使用数字图像相关(DIC)技术进行全场应变测量，以获取层合板层面的应变数据。最为关键的是，他们系统采用了声发射(AE)分析技术，通过布置两个压电传感器对测试过程中的损伤信号进行采集、滤波（如Δt-filtering）和线性源定位，以此监测损伤的起始与演化。此外，针对半透明的GF-epoxy试件，还特别设计了一套透光光学系统，并利用自行开发的软件工具《CrackDect》进行自动裂纹检测，直接观测裂纹密度演化，从而与AE数据相互验证。最后，基于从UD试件测试中获取的单层板弹性性能参数，运用经典层合板理论(CLT)计算了±45°层合板中各单层板在载荷下的详细应力状态，特别是横向应力σ2，用于理论分析。
3.1 面内剪切响应与光学裂纹检测
通过对比GF和CF两种层合板的面内剪切应力-应变曲线发现，在剪切角(γ12)小于1.3%时，两者响应相似且已呈现非线性。超过此点后，GF-epoxy的曲线斜率显著下降，这与光学观测到的首批裂纹（即FPF）起始点高度吻合，其对应的剪切应力记为τ12, opt。随着载荷增加，裂纹密度(ρc)持续上升，后期还观察到分层现象。GF-epoxy达到最大剪切应力(τ12, max)后，仍能承受较大变形才最终断裂。相比之下，CF-epoxy的曲线斜率下降不明显，其τ12, max更高，但在更小的γ12下达到，且达到峰值后很快发生最终断裂，表现出不同的损伤演化特征。
3.2 声发射数据
声发射数据为监测损伤提供了微观视角。在加载初期，两种材料都只产生少量低幅值（大多低于60 dBAE）的AE信号。当载荷达到某一临界点（对应FPF）时，AE信号率急剧上升，并开始出现高幅值（最高达100 dBAE）信号。对于GF-epoxy，这个AE活性的陡增点与光学观测到的裂纹起始点(τ12, opt)几乎重合，验证了AE技术检测FPF的可靠性。基于此，研究者定义了从AE数据中判定的FPF剪切应力τ12, AE。应用Δt-filtering过滤掉可能来自夹持区摩擦等的外部噪声信号后，AE数据更能清晰区分不同的损伤阶段。通过线性源定位发现，GF-epoxy的损伤源在FPF后广泛分布于试件全长范围内，而CF-epoxy的损伤源则相对更集中于局部区域，这解释了两者最终断裂模式的差异。研究还发现，AE信号幅值率（单位时间内信号幅值之和）的变化趋势与光学测量的裂纹密度演化有良好的相关性，是比累积幅值更能表征新损伤产生的指标。
3.3 剪切模量的评估
研究重点探讨了±45°拉伸测试中固有的非线性对应力-应变曲线初始斜率，即剪切模量(G12)评估的影响。由于曲线从一开始就呈现非线性，G12的值强烈依赖于计算时所选取的剪切角(γ12)区间。当选取较低的γ12区间（如0.0%-0.4%）进行线性最小二乘拟合时，得到的G12值最高；随着拟合区间向更高应变移动（如0.2%-0.6%），得到的G12值逐渐降低。对于GF-epoxy，这种因区间选择引起的数值变化高达38%，CF-epoxy为18%。更重要的是，如果在不同的γ12区间比较两种材料的G12，会得出误导性结论：在低应变区间，GF-epoxy的G12比CF-epoxy高15%；但在ASTM标准推荐的0.2%-0.6%区间，两者平均值仅相差1%，处于实验分散范围内。这表明，在报告和比较由±45°拉伸测试得到的G12时，必须明确说明所使用的应变区间。
3.4 失效剪切应力的评估
本研究系统比较了四种判定失效剪切应力(τ12at failure)的标准或方法。一是ASTM D3518标准中定义的τ12, 5%，即剪切角不超过5%范围内的最大剪切应力。对于多数GF-epoxy试件，这等于其最大剪切应力τ12, max；而对于所有CF-epoxy试件，由于它们在γ12达到5%前就已破坏，故τ12, 5%等于τ12, max。二是ASTM中提到的“偏置剪切强度”τ12, off，通过在γ12轴方向平移初始线性段曲线一个固定偏移量（如0.2%）与实验曲线的交点来确定。三是借鉴ASTM D3039标准，针对双线性响应材料提出的“转变点(TP)法”得到的τ12, TP。四是由本研究中AE数据确定的、表征真实FPF的τ12, AE。
对比发现：τ12, 5%/τ12, max代表的是试件的最终断裂应力，远高于FPF应力，不能用于单层板强度设计。τ12, off的值则过于保守，且严重依赖于人为选择的偏移量，缺乏普适性。τ12, TP与τ12, AE最为接近，对于呈现明显双线性响应的GF-epoxy，TP法是除AE外最可靠的FPF估计方法。然而，对于无明显双线性响应的CF-epoxy，TP法中第二段线性区间的选择具有主观性，使得τ12, TP的确定存在困难。因此，基于AE的τ12, AE被证明是表征单层板剪切强度最直接、准确的方法，尤其对于不透明材料（如CF-epoxy）而言是唯一可行的手段。
综合所有实验结果并通过经典层合板理论计算分析，本研究得出了明确结论。首先，在相同环氧树脂基体下，玻璃纤维增强环氧树脂(GF-epoxy)层合板在±45°拉伸测试中表现出的失效剪切应力(τ12at failure)低于碳纤维增强环氧树脂(CF-epoxy)。这并非因为GF本身强度低，而是源于其较低的 orthotropy（正交各向异性度）。理论计算表明，在相同的全局载荷下，GF-epoxy单层板中产生的横向拉伸应力(σ2)分量比CF-epoxy中更高。这个“不受欢迎”的σ2与剪切应力τ12共同作用，导致了GF-epoxy更早地发生失效，从而使其实测的τ12值偏低。这一发现深刻揭示，通过±45°拉伸测试获得的“剪切强度”并非材料固有的纯剪切强度，而是受到层合板结构自身产生的多轴应力状态影响的表观值。因此，在将测试结果用于单层板强度（如 Puck 失效准则中的剪切强度S12）时，必须考虑σ2的影响，否则会低估材料的真实剪切能力。
本研究的核心意义在于对广泛使用的±45°拉伸测试方法进行了深刻的审视与完善。它明确指出，现有的ASTM标准中的部分强度判据（如τ12, 5%和τ12, off）并不适用于定义对层合板设计至关重要的首次单层失效(FPF)。研究验证了声发射(AE)技术作为一种强大的无损检测手段，能够精准捕捉FPF时刻，为确定单层板剪切强度提供了革命性的新方法，尤其适用于无法进行光学观测的材料。同时，研究强调了在报告剪切模量(G12)时必须明确其对应的应变区间，并警示了直接比较不同材料、不同测试所得G12值的风险。更重要的是，它定量揭示了横向应力σ2对测试结果的显著影响，并阐明了纤维类型（通过影响orthotropy）在其中扮演的关键角色。这项工作不仅增进了对FRP层合板剪切失效机理的基础理解，也为工程实践提供了更精确、可靠的材料性能表征方法与数据解读指南，对推动复合材料结构的安全设计与性能优化具有重要价值。
