Skjæring prosedyrer, strekk testing, og aldring av fleksibel enveis kompositt laminat

Summary

Målet med studien var å utvikle protokoller for å forberede konsistente eksemplarer for nøyaktig mekanisk testing av høy styrke aramid eller Ultra-High-molar-masse polyetylen-basert fleksibel enveis kompositt laminat materialer og for å beskrive protokoller for å utføre kunstig aldring på disse materialene.

Abstract

Mange kroppen rustning design innlemme enveis (UD) laminat. UD-laminat er laget av tynne (< 0,05 mm) lag med høy ytelse garn, der garn i hvert lag er orientert parallelt med hverandre og holdt på plass ved hjelp av bindemiddel harpiks og tynne polymer filmer. Rustningen er konstruert ved stabling av enveis lag i forskjellige retninger. Hittil har bare svært foreløpige arbeidet er utført for å karakterisere den aldring av bindemiddel harpiks brukt i enveis laminat og virkningene på ytelsen. For eksempel, under utviklingen av condition protokollen som brukes i National Institute of Justice standard-0101,06,-laminat, viste UD visuelle tegn på delaminering og reduksjoner i V₅₀, som er den hastigheten som halvparten av prosjektiler forventes å perforere rustning, etter aldring. En bedre forståelse av materielle eiendom endringer i UD laminat er nødvendig for å forstå den langsiktige ytelsen til rustning konstruert av disse materialene. Det er ingen gjeldende standarder som anbefales for mekanisk forhører enveis (UD) laminat materialer. Denne studien utforsker metoder og beste praksis for nøyaktig testing av mekaniske egenskaper av disse materialene, og foreslår en ny test metodikk for disse materialene. Gode fremgangsmåter for aldring av disse materialene er også beskrevet.

Introduction

National Institute of Standards and Technology (NIST) hjelper rettshåndhevelse og strafferettslige etater sikre at utstyret de kjøper og de teknologiene som de bruker er trygge, pålitelige og svært effektive, gjennom et forskningsprogram adressering den langsiktige stabiliteten av høy styrke fibre som brukes i kroppen rustning. Tidligere arbeid^1,2har fokusert på feltet svikt i en kropp rustning laget av materialet Poly (p-phenylene-2, 6-benzobisoxazole), eller PbO, noe som førte til en større revisjon av National Institute of Justice ‘ s (NIJ ‘ s) Body Armor standard ³. siden utgivelsen av denne reviderte standarden, har arbeidet fortsatt på NIST å undersøke mekanismer for aldring i andre brukte fibre som Ultra-High-molar-masse POLYETYLEN (UHMMPE)⁴ og Poly (p-phenylene TEREPHTHALAMIDE), eller PPTA, kjent som aramid. Imidlertid har alt dette arbeidet fokusert på aldring av garn og enkelt fibre, som er mest relevant for vevde stoffer. Men mange kroppen rustning design innlemme UD laminat. UD laminat er konstruert av tynne fiber lag (< 0,05 mm) der fibrene i hvert lag er parallelt med hverandre^5,6,7 og rustning er konstruert ved å stable de tynne arkene i vekslende orientering, som avbildet i supplerende figur 1a. Denne designen avhenger tungt på en bindemiddel harpiks å holde fibrene i hvert lag generelt parallell, som vist i supplerende figur 1B, og opprettholde nominelt 0 °/90 ° orientering av stablet stoffer. Som vevde stoffer, er UD laminat vanligvis konstruert av to store fiber variasjoner: aramid eller UHMMPE. UD laminat gir flere fordeler til kroppen rustning designere: de tillater for en lavere vekt rustning system i forhold til de som bruker vevde stoffer (på grunn av styrke tap under veving), eliminere behovet for vevd konstruksjon, og bruke mindre diameter Fibre å gi en lignende ytelse til vevde stoffer, men til en lavere vekt. PPTA har tidligere vist å være motstandsdyktig mot degradering forårsaket av temperatur og luftfuktighet^1,2, men dokumentordneren kan spille en betydelig rolle i utførelsen av UD laminat. Dermed er den generelle effekten av bruk miljøet på PPTA-baserte rustning ukjent⁸.

Hittil har bare svært foreløpige arbeidet er utført for å karakterisere aldring av bindemiddel harpiks som brukes i disse UD laminat og virkningene av bindemiddel aldring på ballistisk ytelse av UD laminat. For eksempel under utviklingen av condition-protokollen som brukes i NIJ standard-0101,06, viste UD-laminat visuelle tegn på delaminering og reduksjoner i V₅₀ etter aldring^1,2,8. Disse resultatene viser behovet for en grundig forståelse av materialets egenskaper med aldring, for å evaluere materialets langsiktige strukturelle ytelse. Dette i sin tur nødvendiggjør utvikling av standardiserte metoder for å forhøre svikt egenskapene til disse materialene. Hovedmålene for dette arbeidet er å utforske metoder og beste praksis for nøyaktig testing av mekaniske egenskaper av UD laminat materialer og å foreslå en ny test metodikk for disse materialene. Beste praksis for aldring UD laminat materialer er også beskrevet i dette arbeidet.

Litteraturen inneholder flere eksempler på testing av mekaniske egenskaper UD laminat etter hot-trykke flere lag i en hard prøve^9,10,11. For rigid kompositt laminat, ASTM D3039¹² kan brukes; men i denne studien, er materialet ca 0,1 mm tykk og ikke stive. Noen UD laminat materialer brukes som forløpere for å gjøre stive ballistisk beskyttende artikler som hjelmer eller ballistisk-resistente plater. Imidlertid, det spinkle, fleksibel UD laminat kanne likeledes bli brukt til å lage kropp rustning^9,13.

Målet med dette arbeidet er å utvikle metoder for å utforske resultatene av materialene i myke kroppen rustning, slik at metoder som involverer varmpressing ikke ble utforsket fordi de ikke er representative for hvordan materialet blir brukt i myke kroppen rustning. ASTM International har flere test-metode standarder knyttet til testing strimler av stoff, inkludert ASTM D5034-09¹⁴ standard testmetode for bruddstyrke og forlengelse av tekstilstoffer (Grab test), ASTM D5035-11¹⁵ standard test Metode for Breaking Force og forlengelse av Tekstilstoffer (Strip Method), ASTM D6775-13¹⁶ standard test metode for bruddstyrke og forlengelse av tekstil webbing, tape og flettet materiale, og ASTM D3950¹⁷ standard spesifikasjon for Stropper, metalliske (og Sammenføynings metoder). Disse standardene har flere viktige forskjeller når det gjelder test håndtakene som brukes, og prøvestørrelsen, som nevnt nedenfor.

Metoder beskrevet i ASTM D5034-09¹⁴ og ASTM D5035-11¹⁵ er svært like og fokuserer på å teste standardtekst iler i stedet for høy styrke kompositter. For testene i disse to standardene, kjeven ansikter av håndtakene er glatte og flate, selv om modifikasjoner er tillatt for prøver med en svikt stress større enn 100 N/cm for å minimere rollen som Stick-slip-basert svikt. Foreslåtte modifikasjoner for å hindre slipping er å puten i kjever, pels stoffet under kjever, og endre kjeven ansiktet. I tilfelle av denne studien, er prøven svikt stress ca 1 000 N/cm, og dermed denne stilen grep resulterer i overdreven prøve glidning. ASTM D6775-13¹⁶ og ASTM D3950¹⁷ er ment for mye sterkere materialer, og begge er avhengige av vinde håndtak. Således, denne studien fokuserte på bruk av vinde grep.

Videre varierer prøvestørrelsen betraktelig blant disse fire ASTM standardene. Den webbing og stropp standarder, ASTM D6775-13¹⁶ og ASTM D3950¹⁷, spesifiser for å teste hele bredden av materialet. ASTM D6775¹⁶ spesifiserer en maksimal bredde på 90 mm. I kontrast, stoffet standarder^14,15 forventer at prøven skal kuttes byplanen og angi enten en 25 mm eller 50 mm bredde. Den totale lengden på prøven varierer mellom 40 cm og 305 cm, og måle lengden varierer mellom 75 mm og 250 mm på tvers av disse ASTM-standardene. Ettersom ASTM-standardene varierer betydelig i forhold til prøvestørrelsen, ble det vurdert tre forskjellige bredder og tre forskjellige lengder for denne studien.

Terminologien refererer til prøven forberedelse i protokollen er som følger: bolt > forløper materiale > materiale > prøven, der begrepet bolt refererer til en rull med UD laminat, refererer forløper materiale til en nøstes mengde UD stoff fortsatt festet til bolten, refererer materialet til et separert stykke UD laminat, og prøven refererer til en individuell brikke som skal testes.

Protocol

1. skjæring prosedyre for Warp-retning prøver som er kuttet vinkelrett på aksen av rullen Identifiser en bolt av enveis materiale som skal testes.Merk: det er ingen Warp (brukes til å beskrive retningen vinkelrett på aksen av rullen) og WEFT (brukes til å beskrive retningen parallelt med aksen av rullen) i den tradisjonelle tekstil forstand, som materialet som brukes her er ikke vevd, men disse begrepene er lånt fo r klarhet. Manuelt rulle bolten for å avdekke forløperen materialet (dvs. …

Representative Results

Mange gjentakelser av skjæring og testing ble utført for å undersøke flere forskjellige variabler. Noen variabler som ble undersøkt inkluderer cutting teknikk og skjære instrument, testing rate, prøven dimensjon, og håndtakene. En kritisk oppdagelse var viktigheten av å samkjøre prøvene med fiberretning. Data analyse prosedyrer (konsekvensanalyse, Weibull teknikker, avvikende bestemmelse osv.) drøftes nedenfor, som er betraktninger om aldring. <p class="jove_content" fo:ke…

Discussion

Riktig bestemmelse av Fiberretningen er kritisk. Fordelen med metoden beskrevet i trinn 1.4 – 1,6 av protokollen er at det er full kontroll over hvor mange fibre som brukes til å starte separasjon prosessen. Men dette betyr ikke at det er en fullstendig kontroll over den endelige separerte regionens bredde, ettersom fibrene ikke er helt parallelle og kan krysse over hverandre. I prosessen med å skille en gruppe med fibre, ofte, fibre nabokommunene de blir separert vil også bli separert, på grunn av denne crossover….

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