介绍
剪切模量测量对于确保织物在从时装和服装到先进复合材料的各种应用中达到预期性能发挥着至关重要的作用。了解和控制剪切模量有助于设计师和工程师优化织物特性，以实现其预期应用中的舒适性、性能和功能。
机织织物经过不同的重量应用，以确定与其预期用途相符的最佳形状。织物的悬垂方式显着影响服装的外观和舒适度。1织物剪切刚度是控制织物悬垂性的关键因素，与织物挺度有关。机织物用于服装的可接受性取决于其剪切性能。2织物的剪切对于在复合材料中创建复杂的 3 维形状至关重要，因为织物需要采用复杂的配置。

据观察，当皱纹呈现其特征形式时，发生最显着的剪切角偏差。3剪切变形表现为三个阶段：无丝束滑动的剪切、丝束滑动的剪切和丝束卡住，从织物剪切应力/应变曲线可以明显看出。当两个丝束系统（例如机织织物中的经纱和纬纱丝束）接近堵塞时，交叉点处的摩擦主要抵抗剪切变形。这种摩擦阻力是由于牵引接触而产生的，当试图滑过彼此时会产生阻力。4织物屈曲与织物适应不同形状而不起皱的能力有关。5在高性能复合材料部件的设计和开发中，纤维增强层合板的屈曲引起了人们的关注。6 , 7
碳纤维和凯夫拉尔纤维等高性能纤维在纺织聚合物复合材料中的使用迅速扩展引人注目。汽车等行业广泛采用技术织物。机织布可应用于多种纺织产品。复合材料制造采用各种技术，包括将 2D 织物弯曲成所需的 3D 形状。8丝束的摩擦系数和横向刚度之间的相互作用凸显了它们在材料敏感性分析中的作用。摩擦系数尤其重要，因为在织物剪切过程中，股线在卡住之前会发生相互作用。9

预成型件制造过程中织物的大变形会导致片材成形过程中出现明显的起皱，从而影响复合材料的制造。因此，每种生产方法都会施加特定的结构设计约束。由于面内剪切机制，编织图案会影响钢筋的变形能力。10织物渗透性因缺陷和变形状态变化而改变，会影响浸渍。11 – 14液体复合材料成型工艺，特别是树脂传递成型，可能会受到性能缺陷的影响，从而影响最终复合材料的质量。15 , 16

缺陷的存在（例如起皱）可能会限制特定变形模式下的行为。面内剪切力的降低和层压板起皱的增加是成型性降低的特征。在多层结构中，起皱量与织物铺层密切相关。不同层丝束之间的方向增加会降低可成形性。8 – 17层压板相对方向越大，可压缩的相邻层板区域的变形性就越小，从而加剧起皱。

碳-凯夫拉混合增强材料经常用于强度和抗冲击性对于深冲压成型至关重要的场合。然而，对混合增强性能的研究仍然有限。当需要强度和抗冲击性（如防护头盔或汽车保险杠）时，这种混合增强材料是首选。18 – 20

最大限度地提高部件结构性能通常涉及使用具有不同层方向的多层增强材料。然而，相对取向对变形特性的影响存在潜在的缺陷。18层压结构内的层间摩擦会影响折痕或折叠行为。相邻层之间的摩擦阻碍了相对滑动，导致折痕恶化。21
为了评估纺织增强材料的面内剪切行为，可以使用织物剪切柔量和锁定角度测量等方法。22、23织物剪切测量方法包括加捻法、直接剪切力测量法、偏置延伸测试法和相框测试法。24织物丝束之间的摩擦力会显着影响剪切应力并且是相互关联的。影响织物剪切行为的变量可以通过加捻法来识别。23 – 25

用于织物制造的丝束的特性显着影响弯曲刚度。弯曲刚度与织物在外力作用下抵抗弯曲或折叠的能力有关。26锁定后织物的行为受到丝束材料特性、横向压实阻力和弯曲刚度的影响。因此，织物起皱的发生取决于测试运动学、织物几何形状和丝束材料质量。尽管预锁阶段织物行为已被广泛研究，但锁后变形背后的机制仍不完全清楚。27
碳纤维以其高强度和刚度而闻名，广泛用于机织织物。虽然它们具有高拉伸强度和弹性，但其高刚度可能会导致在某些负载下变脆和分层。凯夫拉纤维因其卓越的抗冲击性和耐磨性而被纳入机织纺织品中。与碳纤维相比，凯夫拉纤维具有更高的拉伸强度和更低的弹性模量，是耐冲击材料的首选。通过结合两种纤维，碳-凯夫拉尔混合机织物实现了刚性和抗冲击性之间的平衡。
织物的剪切性能本质上影响其复合材料的剪切性能。复合材料的机械性能本质上与其组成材料有关，包括织物增强材料。织物剪切性能，包括剪切模量和剪切强度，在复合材料如何响应所施加的力（特别是剪切应力或变形）方面发挥着关键作用。28因此，织物剪切性能的任何改变或增强都会导致复合材料剪切性能的相应变化。了解和优化织物剪切性能是针对航空航天、汽车工程、建筑等特定应用定制复合材料机械性能的重要步骤。29

本文旨在探讨机织碳、凯夫拉纤维和碳-凯夫拉纤维混合纺织品中剪切模量和丝束特性之间的关系，强调与织物结构的相互作用，以更好地理解高性能机织织物的面内剪切行为。
材料和方法
样品特性
碳丝束束或股线被称为“碳丝束”。成千上万根单独的碳纤维丝捆绑在一起形成纤维丝束，也称为带。长丝的数量、厚度和宽度是碳丝束的规格。丝束强度根据 ASTM D4018 进行测试。丝束厚度根据ASTM D1777测量，而丝束宽度通过千分尺测量。
表 1给出了本工作中使用的丝束的规格。

碳纤维、凯夫拉纤维丝束和织物弯曲刚度
ASTM D1388 是一种测量丝束有效弯曲刚度的测试方法，基于 Peirce 的悬臂测试程序（其中丝束在自重作用下弯曲）。丝束弯曲刚度的平均值通过五次测量获得。27为了比较丝束和织物的抗弯刚度和改性丝束抗弯刚度的性能。

织物的抗弯刚度=W( l /2) 3
W是织物单位面积的重量，单位为毫克/cm 2
l是弯曲长度悬伸长度，单位为厘米
碳丝束是指用于复合材料的一束碳纤维。要计算碳丝束的弯曲刚度，您需要考虑单根碳纤维的特性和丝束的几何形状。
单丝抗弯刚度 = W t ( l t /2) 3
W t是丝束的单位面积重量，单位为毫克/cm 2， ly是弯曲长度，悬垂丝束长度，单位为cm。
为了比较丝束的弯曲刚度和织物改性丝束的弯曲刚度。
修正丝束弯曲刚度=单丝束弯曲刚度×每米根数。
织物样品特性
根据 ASTM D3039 对由碳纤维、碳纤维/凯夫拉纤维和凯夫拉纤维丝束组成的市售织物以及高韧性聚酯帘线纤维束进行评估。表 2列出了受检样品的机械和物理特性。

用于测量织物面内剪切性能的装置
该设备设计有利于在水平面上测试织物，以考虑织物重量对观察到的剪切力值的影响。该装置可以测量织物的纯剪切力。剪切配置的示意图如图 1所示，示出了一端夹在可振荡的可移动钳口中，而另一端通过夹具固定在力传感器上。为了在样品上产生剪切力，活动钳口被引导沿线性轨迹移动。在施加剪切力的整个过程中，织物样品保持水平方向。在下颌运动过程中连续监测剪切力并记录在笔记本电脑上。同时，高速摄像机捕捉织物的图像，视频也记录在笔记本电脑上以计算剪切角。检查每种织物变体的三个样品，以确定与剪切角相关的织物剪切力测量值。监测施加在样品上的剪切力直至出现起皱。就面料而言，剪切面积对应于样品剪切中涉及的丝束的实际面积。织物样品的形状为 100 × 100 毫米的正方形。可动钳口剪切织物样本直到出现起皱，此时它改变方向以相反方向剪切织物样本，同时测量剪切力。

该技术用于测量初始剪切模量和纯织物剪切力。如图2所示，样品在低剪切角值下开始施加剪切力。随着剪切角增加，样品将在螺纹到达卡住点之前开始弯曲。可动钳口停止，然后反转方向以捕获剪切应力-剪切应变关系中的滞后现象。可采用以下方程推导初始剪切模量、剪切力矩和纯剪切力：

对于每个样品，进行了三个测试。记录不同剪切角度的平均剪切力。
剪切力 (Fs) N
剪切应力 = (F/A) MPa
剪切应变 = Δy/Lo，剪切模量 = 剪切应力/剪切应变 = (F/A)/(Δy/Lo) MPa，
纯织物剪切力矩=Fs×Lo kN.m。
其中，Fs 表示称重传感器测得的力，Lo 表示固定钳口和活动钳口之间的距离。A表示剪切面积，t表示织物厚度。
织物受到剪切的实际面积 (A = l xt)
其中l和t分别表示参与剪切的所有丝束的宽度和剪切织物的厚度。为了确定所分析的织物样品的剪切力，进行了三个实验。
经纱和纬纱丝束之间的丝束间摩擦力的测量
在经纱和纬纱之间进行摩擦测量。如图3所示，将纬纱丝束穿过布置在固定框架上的经纱。通过测量移动纬丝束所需的力来量化股线之间交叉点的摩擦力。使用图1中所示的相同装置进行经纱和纬纱丝束之间的摩擦力的评估，其中进行一些修改以固定一组丝束并允许交错丝束的一端移动。目的是确定移动丝束所需的力，模拟丝束在剪切力下交叉的情况。

剪切变形发生在四个阶段：最初没有牵引滑动的剪切，然后是滑动剪切，进一步滑动剪切，最后卡住。最初，经纱和纬纱交叉点处的摩擦阻碍了剪切变形，随着经纱和纬纱丝束系统达到剪切锁定和织物起皱，弹力的作用继而阻碍了剪切变形。由于丝束滑动，织物的弯曲刚度低于其在丝束方向上的轴向刚度，特别是对于无卷曲织物（NCF）。30
不同样品的剪切行为分析

由于多种因素，织物剪切力与织物剪切力不同
织物由两组丝束组成：经纱和纬纱，彼此垂直并在交叉点重叠。除非织物被卡住，否则两对丝束都不会彼此靠近。如果丝束交叉点处的摩擦力超过施加到丝束体上的弯曲力，丝束可能会弯曲。相反，在低摩擦情况下，剪切力导致丝束在相反组的丝束上滑动。在摩擦系数低和丝束刚度高的情况下，需要更高的剪切力来使织物变形。织物覆盖系数的增加导致预期织物剪切模量的增加。具有更多丝束交叉的织物表现出更高的剪切模量值。织物的初始剪切模量随着每厘米经纱或纬纱密度的增加而升高，从而增强了织物的挺度。这，反过来，会导致源自显着的面内剪切区域的明显的面外皱纹。随着剪切角增加，可能会施加张力，导致预期的拉剪变形——丝束最初延伸时发生的变形。

当织物发生剪切变形时，会在垂直于所施加力的方向上产生应变。如果剪切应变超过特定阈值，织物中就会形成皱纹。因此，即使当织物在其自重作用下悬垂在弯曲表面上时，织物也会起皱。图 5提供了自由悬挂在直径 125 毫米的球上的各种样品的快照，描绘了织物在球上的自由悬垂。立体裁剪后，织物的三维变形形状导致经纬角度的变化和褶皱。8

织物的成型能力受到起皱的限制，起皱取决于织物的剪切模量，并可能显着降低复合材料的性能。由计划内作用的压缩力引起的织物起皱。临界“锁定角”或临界剪切角是首次出现屈曲时的剪切角。31 , 32
织物剪切性能与起皱行为之间的关系
剪切测量数据和起皱行为之间的相互作用说明了材料对剪切应力的机械响应与其显示起皱或表面变形的趋势之间的联系。在材料上施加剪切应力会引起法向变形和剪切变形的综合效应。正常变形会导致材料高度的变化，而剪切变形会导致形状或表面纹理的变化。起皱是一种特定的变形形式，当由于剪切应力和法向应力的复合影响而在材料中发生局部压缩或屈曲时，就会出现起皱。
机织织物中的剪切是通过两组丝束（经纱和纬纱）沿正交方向进行的相对运动来实现的。在织物的剪切过程中，影响丝束的力不断变化。平纹织物的晶胞以及丝束直径、线间距和卷曲收缩等几何参数与织物的规格相关。图6说明了施加面内剪切力期间编织重复的初始结构图。

剪切力的分析揭示了两个主要组成部分。首先，剪切力倾向于克服作用的摩擦力将纬纱丝束推到一边。其次，其他部件产生张力，导致纬纱丝束延伸直至卷曲消除。织物经历尺寸变化直至达到临界值。剪切力的增大导致织物剪切屈曲，如图6(b)所示。在交叉点处，经纱和纬纱丝束彼此卷曲，如图6(d)所示。
在锁定阶段之前，剪切过程中的丝束运动与锁定后阶段相比表现出不同的行为。锁定后随后施加的剪切力由材料特性和丝束结构决定，例如横向压实阻力、弯曲刚度和纤维体积分数。29因此，经纱和纬纱方向相互滑动，抵消丝束交叉处的摩擦力，直到它们相邻，如图6(c)所示。剪切锁定后的织物如图8(d)所示，显示由于剪切应力而牢固压缩的结果的最大纤维体积百分比。对于剪切力的分量，在面内剪切下不会发生进一步的织物变形，因为织物的屈曲力在剪切后锁定后平衡了它。根据织物设计，经纱和纬纱在不同点相交以塑造织物形状。

当受到面内剪切力时，纬丝束滑向一边以抵抗所施加的力。如图6(d)所示，经纱和纬纱丝束的交叉使得织物在剪切力作用下屈曲，从而产生皱纹。因此，织物弯曲以提供与织物平面方向上的剪切力分量相反的屈曲力。这表明织物由于组织交叉处重叠丝束之间的法向力增加而弯曲，从而增强了织物变形期间的滑动摩擦，如图6(e)所示。33 – 37
通过理论模型、经验观察和实验研究可以进一步理解剪切和起皱行为之间的相关性。这些可以产生一个分析模型，描述剪切下材料的起皱，考虑弹性特性、几何约束和边界条件。这些模型阐明了起皱机制，并为设计控制或最小化起皱的结构提供了指导。
考虑到织物的厚度，可以使用薄板理论来模拟简单的剪切引起的变形。5 , 38因此，织物在外力作用下的屈曲变形取决于其弯曲刚度。

就皱纹形成而言，不同样品的剪切模量起着至关重要的作用。让我们从定义剪切模量开始。剪切模量也称为刚性模量，量化材料对剪切应力引起的变形的抵抗力。对于机织物，剪切模量决定了材料承受弯曲或扭转过程中发生的剪切力的能力。机织织物的剪切模量主要受丝束特性和织物设计的影响。织物的剪切模量受到丝束的横截面形状、拉伸强度和弹性模量等因素的影响。40此外，面料的设计和规格也对此做出了贡献。所提供的表格提供了对不同织物剪切模量、丝束性能和织物特性的分析。
表 3列出了各种织物剪切模量、丝束性能和织物特性的测试结果。下表详细介绍了不同样品的丝束和织物特性。数据分析表明，经纱和纬纱丝束之间的摩擦力与织物的剪切模量之间存在强大的正相关性。

各种织物类型的剪切模量值如图 7所示。图 7的分析揭示了以下见解：
• 碳纤维织物的剪切模量值最高，而HTP/棉织物的剪切模量值最低。
• 在使用凯夫拉纤维股线作为纬纱的碳/凯夫拉纤维样品中，剪切模量进一步降低。碳/凯夫拉平纹织物的使用导致剪切模量降低，表明凯夫拉比碳丝束更柔韧并且具有更低的摩擦系数。
• 由于金刚石织物和斜纹碳织物中丝束交叉点数量的差异，碳织物的织物设计会影响剪切模量值。
• HTP/棉花样品具有最低的剪切模量值，这可归因于与HTP 丝束相比，棉丝束的刚度较低。刚度的降低降低了其对所施加剪切力的抵抗力。
根据调查结果，织物的剪切模量值取决于多种因素，包括丝束和织物的性能，特别是它们的弯曲刚度，以及经纱和纬纱丝束之间的最大摩擦力。
某些丝束特性对剪切模量的影响
丝束之间的摩擦力对织物剪切模量的影响
织物的机械性能与其成型性密切相关，其中关键的影响因素是经纱和纬纱丝束交叉处的摩擦力及其弯曲刚度。23图8(a)中，随着丝束在两个交错的丝束之间滑动，摩擦力的值随时间变化而变化。力达到峰值，这是使丝束彼此滑动所必需的，然后逐渐减小。较高的剪切模量是由于纬纱和经纱丝束之间的摩擦力增大而在交叉点处的丝束运动最小化的结果。这种相关性表明织物的剪切模量随着摩擦力的增加而增加，从而防止经纱和纬纱丝束彼此滑过。织物内的剪切变形表现为剪切角 θ 的增加，导致丝束组之间的间隙减小并开始剪切锁定。

织物在剪切过程中的变形受到丝束间摩擦力的影响；摩擦力的增加会放大剪切力，反之亦然。当丝束具有低摩擦特性时，织物在剪切作用下更容易变形，从而导致在较低剪切力下发生堵塞。23 , 39显着的丝束间摩擦需要相当大的初始剪切应力，这反过来又提高了剪切模量值。在每个织物单元具有更多交叉点的织物中也观察到了这种趋势。图 8(b)以图形方式显示了各种织物的剪切模量和最大摩擦力值。同时，图8(c)强调了剪切模量和最大牵引摩擦力值之间的高度相关性。

丝束和织物弯曲刚度的影响
单根纤维固有的性能，包括细度、弯曲刚度、丝束支数、横截面纤维数量、丝束捻度、丝束结构和丝束紧密度等参数，对丝束弯曲刚度有显着影响。值得注意的是，这些组成纤维的集体刚度对应于在丝束弯曲刚度中观察到的最小值。39 – 41这种现象阐明了不同织物结构中碳丝束表现出的丝束弯曲刚度升高背后的基本原理。42 , 43

织物的弯曲刚度在工业环境中非常重要，特别是在复合材料应用中。织物的挺度取决于多种因素，包括纤维类型、丝束特性、织物设计和规格。由此产生的织物结构与丝束结构交织在一起，极大地提高了织物的弯曲刚度。此外，成形织物固有的抗弯刚度与经纱和纬纱的数量呈反比关系。35 , 44 – 46不同样品的织物剪切模量与改进的丝束刚度与织物刚度之比之间的相互作用如图9所示，强调了这两个参数之间的稳健相关性，如图 10所示。

许多因素，包括丝束和织物力学的不同特性、编织图案的剪切刚度、交叉处经纱和纬纱之间的摩擦力以及织物重量，共同影响织物成型过程中起皱的可能性。在这些因素中，剪切性能起着关键作用。丝束在剪切力作用下的重定向本质上与剪切变形有关，剪切变形是机织物成型过程中的主要模式。35因此，织物的可剪切性决定了用作增强材料的机织织物片深拉的合适成形深度。8织物的剪切模量受经纱和纬纱摩擦力、丝束刚性、编织图案和覆盖系数等特性的影响。随着剪切的进行，剪切应力和剪切角同时增加，最终导致屈曲的发生。在织物的剪切张力作用下，经纱和纬纱均绕交点旋转，图13(a)。初始变形由经纱和纬纱之间的摩擦力调节。如图所示，当丝束接近剪切锁定角度时，额外的应力迫使丝束彼此压缩。如图13(b)所示，进一步加载导致丝束在达到剪切锁定角“γ”时相互压缩。

织物的剪切模量衡量其对剪切变形的抵抗力，剪切变形是当平行于织物平面施加外力时发生的扭曲或形状变化。它量化了织物响应剪切应力（一种材料特性）的刚度或刚度。另一方面，织物紧密度或覆盖系数衡量织物结构内织物纱线或纤维的排列或堆积密度。该因素反映了织物的开放度或孔隙率。高覆盖系数表示密集或紧密的编织结构，纱线之间的间隙最小，而低覆盖系数表示更开放或松散的编织结构，具有较大的间隙。织物剪切模量和织物覆盖系数之间不存在直接或特定的数学关系。这些属性描述了受纤维或纱线类型、编织结构、织物密度和制造工艺等各种因素影响的独特织物特性。覆盖系数较低的织物可能具有更开放的结构，可能更容易发生剪切变形和更低的剪切模量。然而，值得注意的是，这些关系取决于各种其他因素，如果不考虑特定的织物结构和材料，就不能一概而论。

片材成型过程中织物剪切的影响
在复合材料生产过程中，显着的位移会导致纬纱和经纱纤维产生相当大的剪切力，从而影响最终获得的形状。在片材成型中，编织增强材料放置在模具和压边圈之间，并通过冲头推入模腔以实现所需的几何形状。在这里，机织织物的结构可以通过面内剪切机制实现变形。成形性取决于织物的弯曲刚度和拉伸行为。经纱和纬纱之间的交织点，在编织过程中改变方向，会影响织物的性能。31 图 14捕获了自由覆盖在直径 125 毫米球上的各种样品。随后的三维织物变形会导致经纬角度和皱纹发生明显的变化。8织物的成型性受到起皱的限制，起皱取决于织物的剪切模量，并且会显着影响复合材料的性能。织物起皱是由作用在平面内的压缩力引起的。临界“锁定角”或剪切角是首先出现屈曲的地方。32如图 14所示，在成型过程中，将各种样品压在球柱塞下会在施加的压力下改变皱纹形状。当编织丝束长度方向更明显地被拉入半球形空腔时，方形样本转变为具有四个叶片的风扇。33根据织物剪切特性，织物可能会出现不同大小的皱纹——四个或更多。在拉深过程中，重新分布丝束方向会产生新的各向异性形状。剪切模量较低的材料可能会出现更多折痕。34

起皱会对复合材料的质量产生各种影响，特别是在层压复合材料结构中。49
• 皱纹会导致层间粘合不良，从而导致层间分层，层间分层。
• 它们会产生应力集中，导致负载下过早失效。这会引发和传播裂纹，从而降低复合材料结构的整体强度和刚度并降低其承载能力。
• 皱纹可以加速复合材料中疲劳裂纹的产生和扩展。
为了减轻起皱的影响，可以实施多种策略，包括优化不同的丝束性能和织物参数。

结论
总之，丝束的性能以及所用纤维的类型显着影响机织织物的剪切模量。织物在剪切力作用下的变形包括几个阶段。当受到剪切力时，有多种机制会导致织物变形。
1. 如果施加的剪切力低于相交处的摩擦约束，则织物应充当弹性网格结构，其接头由经纱和纬纱丝束之间的摩擦力锚定。丝束刚度决定织物变形。
2. 丝束在到达下一个相邻丝束之前行进的距离决定了丝束开始相互滑动之前产生的剪切力。丝束不断地相互挤压导致剪切锁定。
3. 织物在屈曲压缩应力下的行为因织物规格和图案而异。
4. 创建的织物剪切指数对织物对剪切力的响应进行分类。
5. 结果发现，起始剪切力分量 Fcr 与织物剪切模量的立方根成正比。
6. 织物剪切模量和织物覆盖系数是描述不同行为和结构方面的不同织物特性。虽然在特定情况下可能存在某些关系，但这些关系并不普遍适用，并且取决于特定于结构的因素。
7. 正在进行的关于剪切测量数据和起皱行为之间互补关系的研究至关重要。了解这种连接对于设计和优化材料和结构以承受剪切载荷，同时最大限度地减少不良起皱效应至关重要。