Skär procedurer, Dragprovning och åldrande av flexibla enkelriktade komposit laminat
Summary
Målet med studien var att utveckla protokoll för att förbereda konsekventa prover för noggrann mekanisk provning av höghållfasta aramid eller ultra-hög-molar-massa polyeten-baserade flexibla enkelriktade komposit laminat material och att beskriva protokoll för att utföra artificiellt åldrande på dessa material.
Abstract
Många Body Armor design införliva enkelriktade (UD) laminat. UD laminat är tillverkade av tunna (< 0,05 mm) skikt av högpresterande garn, där Garner i varje skikt är orienterade parallellt med varandra och hålls på plats med hjälp av pärmhartser och tunna polymerfilmer. Rustningen byggs genom att stapla de enkelriktade lagren i olika riktningar. Hittills har endast mycket förberedande arbete utförts för att karakterisera åldrandet av bindemedelhartser som används i enkelriktade laminater och effekterna på deras prestanda. Till exempel, under utvecklingen av konditioneringsprotokoll som används i National Institute of Justice standard-0101,06, UD laminat visade visuella tecken på delaminering och minskningar i V50, vilket är den hastighet vid vilken hälften av projektiler förväntas perforera rustningen, efter åldrandet. En bättre förståelse av de materiella egenskaps förändringar i UD laminat är nödvändigt för att förstå den långsiktiga prestandan hos rustningar tillverkade av dessa material. Det finns inga aktuella standarder som rekommenderas för mekaniskt förhör enkelriktade (UD) laminatmaterial. Denna studie utforskar metoder och bästa praxis för att noggrant testa de mekaniska egenskaperna hos dessa material och föreslår en ny testmetod för dessa material. Bästa praxis för åldrande dessa material beskrivs också.
Introduction
Det nationella institutet för standarder och teknik (NIST) hjälper brottsbekämpande och straffrättsliga organ se till att den utrustning de köper och den teknik som de använder är säkra, pålitliga och mycket effektiva, genom ett forskningsprogram att ta itu med den långsiktiga stabiliteten hos höghållfasta fibrer som används i skyddsvästar. Tidigare arbete1,2har fokuserat på fältet misslyckande av en skyddsvästar tillverkad av materialet poly (p-fenylen-2, 6-benzobisoxazol), eller PBO, vilket ledde till en stor revidering av National Institute of Justice (NIJ s) Body Armor standard 3. sedan lanseringen av denna reviderade standard har arbetet fortsatt på NIST för att undersöka mekanismer för åldrande i andra vanliga fibrer såsom ultra-hög-molar-massa polyeten (UHMMPE)4 och poly (p-fenylentereftalamid), eller ppta, allmänt känd som aramid. Men allt detta arbete har fokuserat på åldrande av garn och enstaka fibrer, som är mest relevant för vävda tyger. Men, många skyddsvästar mönster införliva UD laminat. UD laminat är tillverkade av tunna fiberskikt (< 0.05 mm) där fibrerna i varje skikt är parallella med varandra5,6,7 och rustningen är konstruerad genom att stapla de tunna arken i omväxlande riktningar, som avbildas i kompletterande figur 1a. Denna design är starkt beroende av en pärmharts för att hålla fibrerna i varje skikt i allmänhet parallellt, som framgår av kompletterande figur 1b, och bibehålla nominellt 0 °/90 ° orientering av staplade tyger. Liksom Vävda tyger, är UD laminater typiskt konstruerade av två stora fiber variationer: aramid eller UHMMPE. UD laminat ge flera fördelar för kroppen rustning designers: de möjliggör en lägre vikt rustning system jämfört med de som använder Vävda tyger (på grund av styrka förlust under vävning), eliminera behovet av vävda konstruktion, och utnyttja mindre diameter fibrer att ge en liknande prestanda till Vävda tyger men med en lägre vikt. Ppta har tidigare visats vara motståndskraftig mot nedbrytning orsakad av temperatur och luftfuktighet1,2, men bindemedlet kan spela en betydande roll i utförandet av UD-laminatet. Således, de övergripande effekterna av användningsmiljön på PPTA-baserade rustningar är okända8.
Hittills har endast mycket förberedande arbete utförts för att karakterisera åldrandet av bindemedelhartser som används i dessa UD-laminat och effekterna av bindemedelåldrandet på den ballistiska prestandan hos UD-laminatet. Till exempel, under utvecklingen av konditioneringsprotokoll som används i NIJ standard-0101,06, UD laminat visade visuella tecken på delaminering och minskningar i V50 efter åldrande1,2,8. Dessa resultat visar på behovet av en grundlig förståelse av materialets egenskaper med åldrande, för att utvärdera materialets långsiktiga strukturella prestanda. Detta, i sin tur, kräver utveckling av standardiserade metoder för att förhöra fel egenskaperna hos dessa material. De främsta målen för detta arbete är att undersöka metoder och bästa praxis för att noggrant testa de mekaniska egenskaperna hos UD-laminatmaterial och att föreslå en ny testmetodik för dessa material. Bästa praxis för åldrande UD-laminatmaterial beskrivs också i detta arbete.
Litteraturen innehåller flera exempel på test av de mekaniska egenskaperna hos UD-laminater efter varmpressning av flera skikt till ett hårt prov9,10,11. För stela komposit laminat kan ASTM D303912 användas; i denna studie är dock materialet ca 0,1 mm tjockt och inte stelt. Vissa UD laminatmaterial används som föregångare att göra stela ballistiska skyddande artiklar såsom hjälmar eller ballistiska resistenta plattor. Men den tunna, flexibla UD laminat kan också användas för att göra skyddsvästar9,13.
Syftet med detta arbete är att utveckla metoder för att utforska utförandet av material i mjuka skyddsvästar, så metoder som innebär varmpressning inte utforskas eftersom de inte är representativa för hur materialet används i mjuka skyddsväster. ASTM International har flera test-metodstandarder för att testa remsor av tyg, inklusive ASTM D5034-0914 standardtest metod för brotthållfasthet och förlängning av textilvävnader (Grab test), ASTM D5035-1115 standardtest Metod för att bryta kraft och förlängning av textilvävnader (Strip metod), ASTM D6775-1316 standard test metod för att bryta styrka och förlängning av textil vävband, tejp och flätat material, och ASTM D395017 standardspecifikation för Bandning, nonmetallic (och sammanfognings metoder). Dessa standarder har flera viktiga skillnader när det gäller de test grepp som används och preparat storleken, som nämns nedan.
Metoder som beskrivs i ASTM D5034-0914 och ASTM D5035-1115 är mycket lika och fokuserar på att testa standard tyger snarare än höghållfasta kompositer. För testerna i dessa två standarder, käken ansikten av handtagen är släta och platt, även om ändringar är tillåtna för prover med ett misslyckande stress större än 100 N/cm för att minimera den roll som Stick-SLIP-baserade misslyckande. Föreslog ändringar för att förhindra halka är att pad käkarna, päls tyget underkäkarna, och ändra käken ansikte. I fallet med denna studie, preparatet misslyckande stressen är cirka 1 000 N/cm, och därmed, denna typ av grepp resulterar i överdriven prov glidhet. ASTM D6775-1316 och ASTM D395017 är avsedda för mycket starkare material, och båda förlitar sig på ankarwinch i fören grepp. Således fokuserade denna studie på användningen av ankarwinch i fören grepp.
Vidare varierar preparat storleken avsevärt bland dessa fyra ASTM-standarder. Vävning och Bandnings standarder, ASTM D6775-1316 och ASTM D395017, ange för att testa hela bredden av materialet. ASTM D677516 anger en maximal bredd på 90 mm. I kontrast, tyg standarderna14,15 förväntar provexemplaret skall klippas bredden och ange antingen en 25 mm eller 50 mm bredd. Den totala längden på preparatet varierar mellan 40 cm och 305 cm, och mätar längden varierar mellan 75 mm och 250 mm över dessa ASTM-standarder. Eftersom ASTM-standarderna varierar avsevärt när det gäller preparat storlek, övervägdes tre olika bredder och tre olika längder för denna studie.
Terminologin som hänvisar till preparat preparatet i protokollet är följande: bult > prekursor material > material > prov, där termen bult hänvisar till en rulle av UD laminat, avser prekursor material till en avlindad mängd UD tyg fortfarande bifogas till bulten, material hänvisar till en avgränsad bit av UD laminat, och specimen hänvisar till en enskild pjäs som skall testas.
Protocol
Representative Results
Discussion
Korrekt bestämning av fiberriktningen är kritisk. Fördelen med den metod som beskrivs i steg 1.4 – 1.6 i protokollet är att det finns fullständig kontroll över hur många fibrer som används för att starta separationsprocessen. Detta betyder dock inte att det finns en fullständig kontroll över den slutliga separerade regionens bredd, eftersom fibrerna inte är helt parallella och kan passera över varandra. I processen att separera ett parti fibrer, ofta, fibrer angränsande de som separeras kommer också att …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna skulle vilja erkänna Stuart Leigh Phoenix för hans hjälpsamma diskussioner, Mike Riley för hans hjälp med den mekaniska test setup, och Honeywell för att donera en del av materialet. Finansiering för Amy Engelbrecht-Wiggans tillhandahölls under Grant 70NANB17H337. Finansiering för Ajay Krishnamurthy tillhandahölls under Grant 70NANB15H272. Finansiering för Amanda L. Forster tillhandahölls från försvarsdepartementet genom institutionsöverskridande Agreement R17-643-0013.
Materials
| Capstan Grips | Universal grip company | 20kN wrap grips | Capstan grips used in testing |
| Ceramic knife | Slice | 10558 | |
| Ceramic precision blade | Slice | 00116 | |
| Clamp | Irwin | quick grip mini bar clamp | |
| Confocal Microscope | |||
| Cutting Mat | Rotatrim | A0 metric self healing cutting mat | |
| Denton Desktop sputter coater | sputter coater | ||
| FEI Helios 660 Dual Beam FIB/SEM | FEI Helios | Scanning electron microscope | |
| Motorized rotary cutter | Chickadee | ||
| Rotary Cutter | Fiskars | 49255A84 | |
| Stereo Microscope | National | DC4-456H | |
| Straight edge | McMaster Carr | 1935A74 | |
| Surgical Scalpel Blade | Sklar Instruments | ||
| Surgical Scalpel Handle | Swann Morton | ||
| Universal Test Machine | Instron | 4482 | Universal test machine |
| Utility knife | Stanley | 99E |
References
- Forster, A. L., et al. Hydrolytic stability of polybenzobisoxazole and polyterephthalamide body armor. Polymer Degradation and Stability. 96 (2), 247-254 (2011).
- Forster, A. L., et al. Development of Soft Armor Conditioning Protocols for {NIJ–0101.06}: Analytical Results. NISTIR 7627. , (2009).
- . . NIJ Standard 0101.06- Ballistic Resistance of Personal Body Armor. , (2008).
- Forster, A. L., Chin, J., Peng, J. -. S., Kang, K. -. L., Rice, K., Al-Sheikhly, M. Long term stability of UHMWPE fibers. Conference Proceedings of the Society for Experimental Mechanics Series. 7, (2016).
- Pilato, L. A. . Ballistic Resistant Laminate. , (1993).
- Park, A. D. . Ballistic Laminate Structure in Sheet Form. , (1999).
- Jacobs, M. J. N., Beugels, J. H. M., Blaauw, M. . Process for the manufacture of a ballistic-resistant moulded article. , (2006).
- . . ASTM E3110-18 Standard Test Method for Collection of Ballistic Limit Data for Ballistic-resistant Torso Body Armor and Shoot Packs. , (2018).
- Russell, B. P., Karthikeyan, K., Deshpande, V. S., Fleck, N. A. The high strain rate response of Ultra High Molecular-weight Polyethylene: From fibre to laminate. International Journal of Impact Engineering. 60, 1-9 (2013).
- Czechowski, L., Jankowski, J., Kubiak, T. Experimental tests of a property of composite material assigned for ballistic products. Fibres and Textiles in Eastern Europe. 92 (3), 61-66 (2012).
- Levi-Sasson, A., et al. Experimental determination of linear and nonlinear mechanical properties of laminated soft composite material system. Composites Part B: Engineering. 57, 96-104 (2014).
- . . ASTM D3039/D3039M-17 Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials. , (2017).
- Hazzard, M. K., Hallett, S., Curtis, P. T., Iannucci, L., Trask, R. S. Effect of fibre orientation on the low velocity impact response of thin Dyneema®composite laminates. International Journal of Impact Engineering. 100, 35-45 (2017).
- ASTM D5034-09. Standard Test Method for Breaking Strength and Elongation of Textile Fabrics. Annual Book of ASTM Standards. , 1-8 (2017).
- ASTM D5035-11. Standard Test Method for Breaking Force and Elongation of Textile Fabrics (Strip Method). Annual Book of ASTM Standards. , 1-8 (2015).
- ASTM D6775-13 . Standard Test Method for Breaking Strength and Elongation of Textile Webbing, Tape and Braided Material. Tape and Braided Material.” Annual Book of ASTM Standards. (Reapproved). , 1-8 (2017).
- ASTM D3950. Standard Specification for Strapping, Nonmetallic (and Joining Methods). Annual Book of ASTM Standards. , 1-7 (2017).
- Weibull, W. A Statistical Distribution Function of Wide applicability. Journal of applied mechanics. 18 (4), 293-297 (1951).
- Coleman, B. D. Statistics and time dependence of mechanical breakdown in fibers. Journal of Applied Physics. 29 (6), 968-983 (1958).
- Coleman, B. D. Time dependence of mechanical breakdown phenomena. Journal of Applied Physics. 27 (8), 862-866 (1956).
- Coleman, B. D. Time Dependence of Mechanical Breakdown in Bundles of Fibers. III. The Power Law Breakdown Rule. Journal of Rheology. 2 (1), 195 (1958).
- Coleman, B. D. Application of the theory of absolute reaction rates to the creep failure of polymeric filaments. Journal of Polymer Sciences. 20, 447-455 (1956).
- Coleman, B. D. A stochastic process model for mechanical breakdown. Transaction of the Society of Rheology. 1 (1957), 153-168 (1957).
- Phoenix, S. L., Beyerlein, I. J. Statistical Strength Theory for Fibrous Composite Materials. Comprehensive Composite Materials. , 559-639 (2000).
- Newman, W. I., Phoenix, S. L. Time-dependent fiber bundles with local load sharing. Physical Review E – Statistical Physics, Plasmas, Fluids, and Related Interdisciplinary Topics. 63 (2), 20 (2001).
- Phoenix, S. L., Newman, W. I. Time-dependent fiber bundles with local load sharing. II. General Weibull fibers. Physical Review E – Statistical, Nonlinear, and Soft Matter Physics. 80 (6), 1-14 (2009).
