Summary

Snij procedures, trekproeven en veroudering van flexibele unidirectionele composiet laminaten

Published: April 27, 2019
doi:

Summary

Het doel van de studie was het ontwikkelen van protocollen om consistente specimens voor te bereiden voor nauwkeurige mechanische tests van hoogsterkte aramide of Ultra-hoge-molaire massa-polyethyleen gebaseerde flexibele unidirectionele composiet laminaat materialen en om protocollen voor het uitvoeren van kunstmatige veroudering op deze materialen.

Abstract

Veel bodyarmor ontwerpen bevatten unidirectionele (UD) laminaten. UD laminaten zijn gemaakt van dunne (< 0,05 mm) lagen van high-performance garens, waarbij de garens in elke laag parallel aan elkaar zijn georiënteerd en op zijn plaats worden gehouden met behulp van BIND harsen en dunne polymeer folies. Het pantser is opgebouwd door het stapelen van de unidirectionele lagen in verschillende oriëntaties. Tot op heden is alleen zeer voorbereidend werk verricht om de veroudering van de ringband harsen die worden gebruikt in unidirectionele laminaten en de effecten op hun prestaties te karakteriseren. Bijvoorbeeld, tijdens de ontwikkeling van de conditionerings protocol gebruikt in het National Institute of Justice Standard-0101,06, UD laminaten toonde visuele tekenen van delaminatie en verlagingen in V50, dat is de snelheid waarmee de helft van de projectielen wordt verwacht dat de pantser, na veroudering te perforeren. Een beter begrip van de materiële eigenschap veranderingen in UD laminaten is noodzakelijk om te begrijpen van de langetermijnprestaties van de pantsers opgebouwd uit deze materialen. Er zijn geen huidige standaarden aanbevolen voor mechanisch ondervragende unidirectionele (UD) laminaat materialen. Deze studie onderzoekt methoden en best practices voor het nauwkeurig testen van de mechanische eigenschappen van deze materialen en stelt een nieuwe testmethodologie voor deze materialen voor. Aanbevolen procedures voor veroudering van deze materialen worden ook beschreven.

Introduction

Het National Institute of Standards and Technology (NIST) helpt wetshandhavings-en strafrecht bureaus ervoor te zorgen dat de apparatuur die zij aanschaffen en de technologieën die zij gebruiken veilig, betrouwbaar en zeer effectief zijn, via een onderzoeksprogramma het aanpakken van de lange termijn stabiliteit van hoge-sterkte vezels die worden gebruikt in bodyarmor. Eerdere werkzaamheden1,2heeft zich gericht op het falen van een lichaam van het materiaal poly (p-fenylene-2, 6-benzobisoxazol), of PbO, wat leidde tot een belangrijke herziening van de National Institute of Justice (Nij ‘s) Body Armor standaard 3. sinds de vrijgave van deze herziene norm heeft het NIST gewerkt aan het onderzoeken van verouderings mechanismen in andere veelgebruikte vezels, zoals ultrahoog-molaire-massa-polyethyleen (UHMMPE)4 en poly (p-fenyleenterephthalamide), of PPTA, algemeen bekend als Aramid. Al dit werk is echter gericht op de veroudering van garens en enkelvoudige vezels, die het meest relevant zijn voor geweven stoffen. Echter, veel Body Armor ontwerpen bevatten UD laminaten. UD laminaten zijn opgebouwd uit dunne vezel lagen (< 0.05 mm) waar de vezels in elke laag parallel aan elkaar zijn5,6,7 en de Armor is opgebouwd door het stapelen van de dunne vellen in afwisselende richtingen, zoals afgebeeld in aanvullend figuur 1a. Dit ontwerp is sterk afhankelijk van een bindmiddel hars om de vezels in elke laag over het algemeen parallel te houden, zoals te zien in aanvullende figuur 1b, en de nominaal 0 °/90 ° oriëntatie van de gestapelde weefsels te behouden. Net als geweven stoffen zijn UD laminaten meestal opgebouwd uit twee grote Fiber variaties: aramide of UHMMPE. UD laminaten bieden verschillende voordelen aan Body Armor ontwerpers: ze zorgen voor een lager-gewicht Armor systeem in vergelijking met die met behulp van geweven stoffen (als gevolg van sterkte verlies tijdens het weven), elimineren de noodzaak voor geweven constructie, en gebruik maken van kleinere diameter vezels om een gelijkaardige prestatie te bieden aan geweven stoffen, maar met een lager gewicht. PPTA heeft eerder aangetoond dat het bestand is tegen degradatie veroorzaakt door temperatuur en vochtigheid1,2, maar het bindmiddel kan een belangrijke rol spelen in de prestaties van het UD-laminaat. Dus, de algemene effecten van de gebruiksomgeving op PPTA-gebaseerde Armor zijn onbekend8.

Tot op heden is alleen zeer voorbereidend werk verricht om de veroudering van de ringband harsen die in deze UD laminaten worden gebruikt en de effecten van bindmiddel veroudering op de ballistische prestaties van het UD-laminaat te karakteriseren. Tijdens de ontwikkeling van het conditionerings protocol dat in Nij Standard-0101,06 wordt gebruikt, toonden UD laminaten bijvoorbeeld visuele tekenen van delaminatie en verlagingen in V50 na veroudering van1,2,8. Deze resultaten tonen de noodzaak aan van een grondig begrip van de materiaaleigenschappen met veroudering, om de structurele langetermijnprestaties van het materiaal te evalueren. Dit vereist op zijn beurt de ontwikkeling van gestandaardiseerde methoden om de storings eigenschappen van deze materialen te ondervragen. De belangrijkste doelstellingen van dit werk zijn het verkennen van methoden en best practices voor het nauwkeurig testen van de mechanische eigenschappen van UD-laminaat materialen en het voorstellen van een nieuwe testmethodologie voor deze materialen. In dit werk worden ook de beste praktijken voor vergrijzende UD-laminaat materialen beschreven.

De literatuur bevat verschillende voorbeelden van het testen van de mechanische eigenschappen van UD laminaten na het warm persen van meerdere lagen in een hard sample9,10,11. Voor stijve composiet laminaten kan ASTM D303912 worden gebruikt; echter, in deze studie, het materiaal is ongeveer 0,1 mm dik en niet stijf. Bepaalde UD-laminaat materialen worden gebruikt als precursoren voor het maken van rigide ballistische beschermende artikelen zoals helmen of ballistische platen. Het dunne, flexibele UD-laminaat kan echter ook worden gebruikt om Body Armor9,13te maken.

Het doel van dit werk is om methoden te ontwikkelen voor het verkennen van de prestaties van de materialen in zachte bodyarmor, dus methoden met hete persing werden niet verkend omdat ze niet representatief zijn voor de manier waarop het materiaal wordt gebruikt in zachte bodyarmor. ASTM International heeft verschillende testmethode normen met betrekking tot het testen van strips van stof, met inbegrip van ASTM D5034-0914 standaard testmethode voor het breken van de sterkte en verlenging van textielstoffen (Grab test), ASTM D5035-1115 standaard test Methode voor het breken van de kracht en de verlenging van textielstoffen (strip methode), ASTM D6775-1316 standaard test methode voor het breken van de sterkte en rek van textiel singelband, tape en gevlochten materiaal, en ASTM D395017 standaard specificatie voor Strapping, niet-metallisch (en verbindingsmethoden). Deze normen hebben verschillende belangrijke verschillen in termen van de gebruikte test grepen en de specimen grootte, zoals hieronder vermeld.

De methoden die worden beschreven in ASTM D5034-0914 en ASTM D5035-1115 zijn zeer vergelijkbaar en richten op het testen van standaard stoffen in plaats van hoge-sterkte composieten. Voor de tests in deze twee normen, de kaak gezichten van de grepen zijn glad en plat, hoewel wijzigingen zijn toegestaan voor specimens met een storing spanning groter dan 100 N/cm om te minimaliseren van de rol van de stick-slip-gebaseerde mislukking. Voorgestelde modificaties om uitglijden te voorkomen zijn om de kaken te kussen, de stof onder de kaken te vacht en het kaak gezicht te wijzigen. In het geval van deze studie, het preparaat falen stress is ongeveer 1.000 N/cm, en dus, deze stijl van handvatten resulteert in overmatige monster slippage. ASTM D6775-1316 en ASTM D395017 zijn bedoeld voor veel sterkere materialen, en beide vertrouwen op kaapstander handvatten. Deze studie richtte zich dus op het gebruik van kaapstander handvatten.

Verder varieert de preparaat grootte aanzienlijk tussen deze vier ASTM-normen. De singelband-en omsnoerings normen, ASTM D6775-1316 en ASTM D395017, specificeren om de volledige breedte van het materiaal te testen. ASTM D677516 geeft een maximale breedte van 90 mm. In tegenstelling tot de stof normen14,15 verwachten dat het specimen te worden gesneden de breedte en specificeer ofwel een breedte van 25 mm of 50 mm. De totale lengte van het preparaat varieert tussen 40 cm en 305 cm, en de lengte van de meter varieert tussen 75 mm en 250 mm over deze ASTM-normen. Aangezien de ASTM-normen aanzienlijk variëren met betrekking tot de specimen grootte, werden drie verschillende breedtes en drie verschillende lengtes overwogen voor deze studie.

De terminologie die betrekking heeft op preparaat preparaat in het protocol is als volgt: bout > precursor materiaal > materiaal > specimen, waarbij de term Bolt verwijst naar een rol van UD-laminaat, precursor materiaal verwijst naar een ongewikkelde hoeveelheid UD-stof die nog steeds is bevestigd aan de bout, materiaal verwijst naar een gescheiden stuk van UD laminaat, en specimen verwijst naar een individueel stuk te testen.

Protocol

1. snijprocedure voor monsters van verdraaiings richting die loodrecht op de as van de rol worden gesneden Identificeer een bout van unidirectioneel materiaal dat getest moet worden.Let op: er is geen Warp (gebruikt om de richting loodrecht op de as van de rol te beschrijven) en inslag (gebruikt om de richting parallel aan de as van de rol te beschrijven) in de traditionele textiel betekenis, omdat het hier gebruikte materiaal niet is geweven, maar deze termen zijn geleend fo r duidelijkheid. Rol …

Representative Results

Veel iteraties van snijden en testen zijn uitgevoerd om te onderzoeken van verschillende variabelen. Enkele variabelen die werden onderzocht omvatten de snijtechniek en het snij instrument, de testsnelheid, de sample dimensie en de handvatten. Een kritische bevinding was het belang van het uitlijnen van de specimens met de vezelrichting. Gegevensanalyse procedures (consistentie analyse, Weibull-technieken, uitschieter bepaling, enz.) worden hieronder besproken, evenals overwegingen voor v…

Discussion

De juiste bepaling van de vezelrichting is van cruciaal belang. Het voordeel van de in stappen 1.4 – 1.6 van het protocol beschreven methode is dat er volledige controle is over hoeveel vezels worden gebruikt om het scheidingsproces te starten. Dit betekent echter niet dat er een volledige controle is over de breedte van het uiteindelijke afgescheiden gebied, omdat de vezels niet volledig parallel zijn en elkaar kunnen kruisen. In het proces van het scheiden van een partij van vezels, vaak, vezels naburige die worden g…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

De auteurs willen Stuart Leigh Phoenix graag erkennen voor zijn nuttige discussies, Mike Riley voor zijn hulp bij de Mechanical test Setup, en Honeywell voor het doneren van een aantal van de materialen. De financiering voor Amy Engelbrecht-Wiggans werd verstrekt onder Grant 70NANB17H337. Financiering voor Ajay Krishnamurthy werd verstrekt onder Grant 70NANB15H272. De financiering voor Amanda L. Forster werd geleverd door het ministerie van defensie via de interagentsovereenkomst 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

Riferimenti

  1. Forster, A. L., et al. Hydrolytic stability of polybenzobisoxazole and polyterephthalamide body armor. Polymer Degradation and Stability. 96 (2), 247-254 (2011).
  2. Forster, A. L., et al. Development of Soft Armor Conditioning Protocols for {NIJ–0101.06}: Analytical Results. NISTIR 7627. , (2009).
  3. . . NIJ Standard 0101.06- Ballistic Resistance of Personal Body Armor. , (2008).
  4. 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).
  5. Pilato, L. A. . Ballistic Resistant Laminate. , (1993).
  6. Park, A. D. . Ballistic Laminate Structure in Sheet Form. , (1999).
  7. Jacobs, M. J. N., Beugels, J. H. M., Blaauw, M. . Process for the manufacture of a ballistic-resistant moulded article. , (2006).
  8. . . ASTM E3110-18 Standard Test Method for Collection of Ballistic Limit Data for Ballistic-resistant Torso Body Armor and Shoot Packs. , (2018).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. . . ASTM D3039/D3039M-17 Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials. , (2017).
  13. 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).
  14. ASTM D5034-09. Standard Test Method for Breaking Strength and Elongation of Textile Fabrics. Annual Book of ASTM Standards. , 1-8 (2017).
  15. ASTM D5035-11. Standard Test Method for Breaking Force and Elongation of Textile Fabrics (Strip Method). Annual Book of ASTM Standards. , 1-8 (2015).
  16. 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).
  17. ASTM D3950. Standard Specification for Strapping, Nonmetallic (and Joining Methods). Annual Book of ASTM Standards. , 1-7 (2017).
  18. Weibull, W. A Statistical Distribution Function of Wide applicability. Journal of applied mechanics. 18 (4), 293-297 (1951).
  19. Coleman, B. D. Statistics and time dependence of mechanical breakdown in fibers. Journal of Applied Physics. 29 (6), 968-983 (1958).
  20. Coleman, B. D. Time dependence of mechanical breakdown phenomena. Journal of Applied Physics. 27 (8), 862-866 (1956).
  21. 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).
  22. 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).
  23. Coleman, B. D. A stochastic process model for mechanical breakdown. Transaction of the Society of Rheology. 1 (1957), 153-168 (1957).
  24. Phoenix, S. L., Beyerlein, I. J. Statistical Strength Theory for Fibrous Composite Materials. Comprehensive Composite Materials. , 559-639 (2000).
  25. 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).
  26. 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).

Play Video

Citazione di questo articolo
Engelbrecht-Wiggans, A., Krishnamurthy, A., Burni, F., Osborn, W., Forster, A. L. Cutting Procedures, Tensile Testing, and Ageing of Flexible Unidirectional Composite Laminates. J. Vis. Exp. (146), e58991, doi:10.3791/58991 (2019).

View Video