《三维织物剪切性能试验方法》

3.4

三维织物剪切性能试验方法

1范围

本文件规定了采用相框试验法测定三维织物面内剪切性能的试验方法。

本文件适用于碳纤维、陶瓷纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等高性能纤维的三维织物，此方法旨在评估三维织物在面内受剪切应力作用下的剪切应变、剪切模量及破坏行为。

2规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

GB/T1446纤维增强塑料性能试验方法总则

GB/T3820纺织品和纺织制品厚度的测定

GB/T6529纺织品调湿和试验用标准大气

GB/T41498纤维增强塑料复合材料用剪切框测定面内剪切应力/剪切应变响应和剪切模量的试验方法

3术语和定义

下列术语和定义适用于本文件。

3.1

高性能纤维high-performancefiber

具有高强度、高模量或特殊性能的纤维，如陶瓷纤维、碳纤维、芳纶纤维等。

3.2

三维织物3Dfabric

以机织、编织、针织、缝合、针刺等纺织工艺，使纱线同时沿面内X向、Y向、厚度Z向三维空间相互交织、联锁或穿插，形成具备独立厚度承载、整体不分层立体结构的织物。

3.3

三维机织物3Dwovenfabric

多层经纱、纬纱搭配Z向接结纱在三维空间联锁交织，形成厚度方向连续整体的立体织物，包含正交三向、层层角联锁等结构。

面内剪切应力in-planeshearstress，τ12

施加于剪切框的瞬时拉伸载荷除以试样的横截面积得到的应力。

（来源：GB/T41498-2022，3.2）

3.5

面内剪切强度in-planeshearstrength，τ12M

面内剪切应力的最大值。

（来源：GB/T41498-2022，3.3）

3.6

剪切应变shearstrain，Y12

试样产生剪切变形时各部分剪切应变分量之和。

（来源：GB/T41498-2022，3.4）

3.7

面内剪切模量in-planeshearmodulus，G12

剪切应力τ12和τ'12之差除以相应的剪切应变γ,2=0.005和γ2=0.001之差所得到的值。

（来源：GB/T41498-2022，3.5）

3.8

坐标轴1的方向directionofcoordinateaxis1

试样上平行于试验机加载轴的方向。

（来源：GB/T41498-2022，3.6）

3.9

坐标轴2的方向directionofcoordinateaxis2

试样上垂直于试验机加载轴的方向。

（来源：GB/T41498-2022，3.7）

4原理

在规定的试验条件下，通过测定施加于剪切框的拉伸载荷、试样的剪切应变，得到面内剪切强度和面内剪切模量。

5试验设备

5.1试验机

试验机应符合GB/T1446第5章的规定。

5.2剪切框

剪切框能夹持试样四周边沿使试样保持在一个平面，施加在试样上的夹紧力在整个试验过程中

应保持均匀一致、具有再现性。剪切框的运动学原理是当对正方形试样施加轴向力时，正方形试样

变成菱形试样。

5.2.1适用于三维机织物的剪切框，见图1所示。

图1三维机织物测试剪切框标引序号说明：

1—坐标轴1的方向；

2—坐标轴2的方向；

a—支撑端；

b—运动；

c—加载端；

d—夹持压力；

e—载荷。

5.2.2适用于除三维机织物以外的三维织物剪切框，见图2所示。

图2其他结构三维织物测试剪切框标引序号说明：

1—坐标轴1的方向；

2—坐标轴2的方向；

a—支撑端；

b—运动；

c—加载端；

d—夹持压力；

e—对称导致的位移限制；

f—载荷；

—铰链；

—指定的移动；

—受限的移动；

—耦合移动；

5.3数据采集系统

记录力和位移数据，并生成剪切应力-应变曲线。

6试样

6.1试样规格

6.1.1适用于三维机织物试样及尺寸

试样形状及尺寸见图3，试样沿经纬纱方向选取长度为(165±0.5)mm，宽度应为(165±0.5)mm，厚度为(4±0.1)mm的试样，按照图示3形式进行裁剪，试样有效自由剪切区域尺寸为长(105±0.5)mm、宽(105±0.5)mm。裁除试样四角，保证框式夹具臂可绕铰接位置自由转动，避免铰链部位过早挤压

织物，造成试样局部提前起皱；四角裁除完成后，进一步剔除夹持区域内不属于织物主体的经纱、纬纱，消除边框夹持挤压带来的局部早期折皱问题。在试样夹持区域粘贴加强片，避免试验过程中织物出现夹持滑脱、位移现象。

标引序号说明：

a——厚度测量位置；

b——被夹持区域；

c——自由剪切区域。

图3三维机织物试样形状及尺寸

6.1.2适用于除三维机织物以外的三维织物试样及尺寸

试样形状及纤维方向、被夹持区域和自由剪切区域的尺寸见图4。试样长度为(165±0.5)mm，宽度应为(165±0.5)mm。自由剪切区域对于剪切试验起决定性作用，自由剪切区域长度至少应为(105±0.5)mm,宽度至少应为(105±0.5)mm，试样厚度应为(4±0.1)mm。

图4其他结构三维织物试样形状及尺寸标引序号说明:

1—坐标轴1的方向；

2—坐标轴2的方向；

a—厚度测量位置；

b—被夹持区域；

c—自由剪切区域。

6.2外观

试样平整无扭曲、分层、破损、毛刺、纱线脱散。

6.3试样数量

每组至少制备5个，因夹持区提前破坏、装夹失效的试样数据作废，应补测新试样。

6.4试样预处理

试样处理按照GB/T6529中规定进行平衡。

7试验步骤

7.1设备校准

测试前，校准剪切框试验设备，确保力传感器和位移传感器的精确度。

7.2试样安装

将试样的四边均匀固定在相框中，确保试样拉紧平整，安装过程中应避免织物出现皱褶和松动，确保试样的剪切应力分布均匀，避免边缘效应对测试结果的影响。副

7.3剪切力施加

施力速率推荐为（2-5）mm/min，力的施加应均匀且连续。记录剪切力和位移数据，直到试样发生明显剪切变形或失效。

7.4试验终止

满足以下任一条件终止试验。

a)剪切应力-应变曲线出现全局应力最大值；

b)纤维间失效发生后无法再向试样传递载荷时，纤维间第一次发生破坏时；

c)剪切应变达到60%仍未发生试样失效时。

8计算及结果表示

8.1面内剪切应力τ12

面内剪切应力τ12，按公式（1）计算：

……………（1）

式中：

τ12—面内剪切应力，单位为千帕（KPa）；

F—瞬时拉伸载荷，单位为牛顿（N）；

b—自由剪切区域宽度，单位为毫米（mm）；

h—试样厚度，单位为毫米（mm）。

8.2面内剪切强度τ12M

面内剪切强度τ12M按公式（2）计算：

τ12M……………（2）

式中：

τ12M—面内剪切强度，单位为千帕（KPa）；

Fm—试验终止条件下的拉伸载荷，单位为牛顿（N）。

8.3剪切应变Y12

剪切应变γ12，按公式（3）计算：

Y12=εV+εℎ（3）

式中：

εV—试样前表面的应变；

εh—试样后表面的应变。

8.3面内剪切模量G12

面内剪切模量G12，按公式（4）计算：

G…………（4）

式中；

G12—面内剪切模量，单位为千帕（KPa）；

τ,12—剪切应变γ,12=0.001时对应的剪切应力，单位为千帕（KPa）；

τ,1,2—剪切应变γ,1,2=0.005时