Snij procedures, trekproeven en veroudering van flexibele unidirectionele composiet laminaten

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 werkzaamheden^1,2heeft 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 zijn^5,6,7 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 vochtigheid^1,2, 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 van^1,2,8. 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 sample^9,10,11. 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 Armor^9,13te 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 normen^14,15 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…

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