Procedimientos de corte, pruebas de tracción y envejecimiento de laminados compuestos unidireccionales flexibles
Summary
El objetivo del estudio fue desarrollar protocolos para preparar muestras consistentes para pruebas mecánicas precisas de aramida de alta resistencia o materiales laminados compuestos unidireccionales flexibles basados en polietileno de masa ultra alta molar y para describir protocolos para realizar el envejecimiento artificial de estos materiales.
Abstract
Muchos diseños de armaduras de carrocería incorporan laminados unidireccionales (UD). Los laminados UD están construidos de capas delgadas (<0.05 mm) de hilos de alto rendimiento, donde los hilos en cada capa se orientan paralelamente entre sí y se mantienen en su lugar utilizando resinas aglutinantes y películas de polímero delgado. La armadura se construye apilando las capas unidireccionales en diferentes orientaciones. Hasta la fecha, sólo se han realizado trabajos muy preliminares para caracterizar el envejecimiento de las resinas aglutinantes utilizadas en laminados unidireccionales y los efectos en su rendimiento. Por ejemplo, durante el desarrollo del protocolo de acondicionamiento utilizado en la Norma Del Instituto Nacional de Justicia-0101.06, los laminados UD mostraron signos visuales de delaminación y reducciones en V50,que es la velocidad a la que la mitad de los proyectiles se espera que perforar la armadura, después de envejecer. Una mejor comprensión de los cambios en la propiedad del material en los laminados UD es necesaria para comprender el rendimiento a largo plazo de las armaduras construidas a partir de estos materiales. No hay normas actuales recomendadas para interrogar mecánicamente materiales laminados unidireccionales (UD). Este estudio explora métodos y mejores prácticas para probar con precisión las propiedades mecánicas de estos materiales y propone una nueva metodología de prueba para estos materiales. También se describen las mejores prácticas para el envejecimiento de estos materiales.
Introduction
El Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) ayuda a las agencias policiales y de justicia penal a garantizar que los equipos que compran y las tecnologías que utilizan sean seguros, confiables y altamente efectivos, a través de un programa de investigación abordar la estabilidad a largo plazo de las fibras de alta resistencia utilizadas en el blindaje corporal. El trabajo previo1,2se ha centrado en el fallo de campo de una armadura de cuerpo hecha del material de poli(p-fenileno-2,6-benzobisoxazol), o PBO, que condujo a una revisión importante del estándar de armadura corporal del Instituto Nacional de Justicia (NIJ) 3. Desde la publicación de esta norma revisada, el NIST ha continuado trabajando para examinar los mecanismos de envejecimiento en otras fibras de uso común como el polietileno de masa ultramolar (UHMMPE)4 y el poli(p-fenileno tereftalalamida), o PPTA, comúnmente conocido como aramida. Sin embargo, todo este trabajo se ha centrado en el envejecimiento de hilos y fibras individuales, lo que es más relevante para los tejidos. Sin embargo, muchos diseños de armaduras de carrocería incorporan laminados UD. Los laminados UD están construidos de finas capas de fibra (<0.05 mm) donde las fibras en cada capa son paralelas entre sí5,6,7 y el blindaje se construye apilando las láminas delgadas en orientaciones alternas, como se muestra en la Figura Suplementaria 1a. Este diseño se basa en gran medida en una resina aglutinante para sostener las fibras en cada capa generalmente paralela, como se ve en la Figura Suplementaria 1b,y mantener la orientación nominalmente de 0o/90o de los tejidos apilados. Al igual que los tejidos, los laminados UD se construyen típicamente a partir de dos variaciones de fibra principales: aramida o UHMMPE. Los laminados UD proporcionan varias ventajas a los diseñadores de armaduras corporales: permiten un sistema de blindaje de menor peso en comparación con aquellos que utilizan tejidos (debido a la pérdida de fuerza durante el tejido), eliminan la necesidad de construcción tejida y utilizan fibras de diámetro más pequeño para proporcionar un rendimiento similar a los tejidos, pero con un peso más bajo. PPTA ha demostrado anteriormente ser resistente a la degradación causada por la temperatura y la humedad1,2, pero el aglutinante puede desempeñar un papel importante en el rendimiento del laminado UD. Por lo tanto, los efectos generales del entorno de uso en el blindaje basado en PPTA son desconocidos8.
Hasta la fecha, sólo se han realizado trabajos muy preliminares para caracterizar el envejecimiento de las resinas aglutinantes utilizadas en estos laminados UD y los efectos del envejecimiento del aglutinante en el rendimiento balístico del laminado UD. Por ejemplo, durante el desarrollo del protocolo de acondicionamiento utilizado en NIJ Standard-0101.06, los laminados UD mostraron signos visuales de delaminación y reducciones en V50 después de la crianza1,2,8. Estos resultados demuestran la necesidad de una comprensión exhaustiva de las propiedades materiales con el envejecimiento, con el fin de evaluar el rendimiento estructural a largo plazo del material. Esto, a su vez, requiere el desarrollo de métodos estandarizados para interrogar las propiedades de falla de estos materiales. Los objetivos principales de este trabajo son explorar métodos y mejores prácticas para probar con precisión las propiedades mecánicas de los materiales laminados UD y proponer una nueva metodología de prueba para estos materiales. Las prácticas recomendadas para el envejecimiento de los materiales laminados UD también se describen en este trabajo.
La literatura contiene varios ejemplos de pruebas de las propiedades mecánicas de los laminados UD después de prensar en caliente varias capas en una muestra dura9,10,11. Para laminados compuestos rígidos, se puede utilizar ASTM D303912; sin embargo, en este estudio, el material es de aproximadamente 0,1 mm de espesor y no rígido. Algunos materiales laminados UD se utilizan como precursores para fabricar artículos de protección balístico rígidos como cascos o placas resistentes a la balística. Sin embargo, el laminado UD delgado y flexible también se puede utilizar para hacer armaduracorporal 9,13.
El objetivo de este trabajo es desarrollar métodos para explorar el rendimiento de los materiales en armadura de cuerpo suave, por lo que los métodos que implican prensado en caliente no fueron explorados porque no son representativos de la forma en que el material se utiliza en la armadura de cuerpo blando. ASTM International tiene varias normas de método de prueba relacionadas con la prueba de tiras de tela, incluyendo ASTM D5034-0914 Método de prueba estándar para la resistencia a la rotura y el alargamiento de tejidos textiles (prueba de agarre), ASTM D5035-1115 Standard Test Test Método para romper la fuerza y el alargamiento de tejidos textiles (método de tira), ASTM D6775-1316 Método de prueba estándar para la resistencia a la rotura y el alargamiento de las correas textiles, cinta y material trenzado, y la especificación estándar ASTM D3950 17 para la especificación estándar ASTM D3950 17 para la especificación estándar ASTM D3950 17 para la especificación estándar ASTM D3950 17 para la especificación estándar ASTM D3950 17 para la especificación estándar ASTM D3950 17 para la especificación estándar ASTM D3950 17 para la especificación estándar ASTM D3950 17 para la especificación estándar ASTM D395017 para la Correa, No metálico (y Métodos de unión). Estas normas tienen varias diferencias clave en términos de las empuñaduras de prueba utilizadas y el tamaño de la muestra, como se menciona a continuación.
Los métodos descritos en ASTM D5034-0914 y ASTM D5035-1115 son muy similares y se centran en probar tejidos estándar en lugar de compuestos de alta resistencia. Para las pruebas en estos dos estándares, las caras de la mandíbula de las empuñaduras son lisas y planas, aunque se permiten modificaciones para las muestras con una tensión de falla superior a 100 N/cm para minimizar el papel de la falla basada en stick-slip. Las modificaciones sugeridas para evitar resbalones son amarre las mandíbulas, recubrir la tela debajo de las mandíbulas y modificar la cara de la mandíbula. En el caso de este estudio, la tensión de falla de la muestra es de aproximadamente 1.000 N/cm, y por lo tanto, este estilo de agarres da como resultado un deslizamiento excesivo de la muestra. ASTM D6775-1316 y ASTM D395017 están diseñados para materiales mucho más resistentes, y ambos dependen de las empuñaduras capstan. Por lo tanto, este estudio se centró en el uso de agarres capstan.
Además, el tamaño de la muestra varía considerablemente entre estos cuatro estándares ASTM. Los estándares de correa y flejado, ASTM D6775-1316 y ASTM D395017,especifican para probar la anchura completa del material. ASTM D677516 especifica una anchura máxima de 90 mm. Por el contrario, los estándares de tela14,15 esperan que la muestra se corte en sentido ancho y especifica una anchura de 25 mm o 50 mm. La longitud total de la muestra varía entre 40 cm y 305 cm, y la longitud del calibre varía entre 75 mm y 250 mm a través de estos estándares ASTM. Dado que las normas ASTM varían considerablemente en relación con el tamaño de la muestra, se consideraron tres anchos diferentes y tres longitudes diferentes para este estudio.
La terminología que se refiere a la preparación de muestras en el protocolo es la siguiente: perno > material precursor > material > espécimen, donde el término perno se refiere a un rollo de laminado UD, material precursor se refiere a una cantidad de tela UD todavía unida al perno, el material se refiere a una pieza separada de laminado UD, y la muestra se refiere a una pieza individual a probar.
Protocol
Representative Results
Discussion
La determinación adecuada de la dirección de la fibra es crítica. La ventaja del método descrito en los pasos 1.4–1.6 del protocolo es que hay un control completo sobre cuántas fibras se utilizan para iniciar el proceso de separación. Sin embargo, esto no significa que haya un control completo sobre el ancho de la región separada final, ya que las fibras no son completamente paralelas y pueden cruzarse entre sí. En el proceso de separación de un lote de fibras, con frecuencia, las fibras vecinas de las que se …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
A los autores les gustaría reconocer a Stuart Leigh Phoenix por sus útiles discusiones, Mike Riley por su ayuda con la configuración de pruebas mecánicas, y Honeywell por donar algunos de los materiales. La financiación de Amy Engelbrecht-Wiggans se proporcionó bajo la subvención 70NANB17H337. La financiación de Ajay Krishnamurthy se proporcionó bajo la subvención 70NANB15H272. El financiamiento para Amanda L. Forster fue proporcionado por el Departamento de Defensa a través del acuerdo interinstitucional 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
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