Schneidverfahren, Zugprüfung und Alterung flexibler unidirektionaler Verbundlaminate
Summary
Ziel der Studie war es, Protokolle zur Vorbereitung konsistenter Proben für genaue mechanische Tests von hochfestem Aramid oder ultrahochmolaren Polyethylen-basierten flexiblen unidirektionalen Verbundlaminatmaterialien zu entwickeln und Protokolle für die künstliche Alterung dieser Materialien.
Abstract
Viele Karosseriepanzerungsdesigns enthalten unidirektionale (UD) Laminate. UD-Laminate bestehen aus dünnen (<0,05 mm) Schichten von Hochleistungsgarnen, bei denen die Garne in jeder Schicht parallel zueinander ausgerichtet und mit Bindemittelharzen und dünnen Polymerfolien an Ort und Stelle gehalten werden. Die Rüstung wird durch Stapeln der unidirektionalen Schichten in verschiedenen Ausrichtungen konstruiert. Bisher wurden nur sehr vorarbeiten, um die Alterung der Bindemittelharze, die in unidirektionalen Laminaten verwendet werden, und die Auswirkungen auf ihre Leistung zu charakterisieren. Zum Beispiel zeigten UD-Laminate während der Entwicklung des Konditionierungsprotokolls, das im National Institute of Justice Standard-0101.06 verwendet wurde, visuelle Anzeichen von Delamination und Reduktion ender V50, d. h. der Geschwindigkeit, mit der die Hälfte der Projektile werden erwartet, dass die Rüstung nach dem Altern perforiert wird. Ein besseres Verständnis der Materialeigenschaftenänderungen in UD-Laminaten ist notwendig, um die langfristige Leistung von Rüstungen zu verstehen, die aus diesen Materialien konstruiert sind. Es sind keine aktuellen Normen für die mechanische Abrufung unidirektionaler (UD) Laminatmaterialien empfohlen. Diese Studie untersucht Methoden und Best Practices für die genaue Prüfung der mechanischen Eigenschaften dieser Materialien und schlägt eine neue Testmethodik für diese Materialien vor. Bewährte Verfahren für die Alterung dieser Materialien werden ebenfalls beschrieben.
Introduction
Das National Institute of Standards and Technology (NIST) hilft Strafverfolgungsbehörden und Strafjustizbehörden, durch ein Forschungsprogramm sicherzustellen, dass die von ihnen gekauften Geräte und die von ihnen eingesetzten Technologien sicher, zuverlässig und hochwirksam sind. die Langzeitstabilität hochfester Fasern, die in der Körperpanzerung verwendet werden. Vorherige Arbeit1,2konzentrierte sich auf das Feldversagen einer Körperpanzerung aus dem Material Poly (p-Phenylen-2,6-benzobisoxazol) oder PBO, was zu einer umfassenden Überarbeitung des Body-Armor-Standards des National Institute of Justice (NIJ) führte. 3. Seit der Veröffentlichung dieser überarbeiteten Norm wurden am NIST die Arbeiten zur Untersuchung von Alterungsmechanismen in anderen häufig verwendeten Fasern wie Ultrahochmol-Massenpolyethylen (UHMMPE)4 und Poly (p-Phenylenterephthalamid) oder PPTA fortgesetzt. allgemein bekannt als Aramid. All diese Arbeiten konzentrierten sich jedoch auf die Alterung von Garnen und Einzelfasern, was für Gewebe am relevantesten ist. Viele Karosseriepanzerungsdesigns enthalten jedoch UD-Laminate. UD-Laminate bestehen aus dünnen Faserschichten (<0,05 mm), wobei die Fasernin jeder Schicht parallel zueinander 5,6,7 und die Rüstung durch Stapeln der dünnen Bleche in wechselnden Ausrichtungen aufgebaut wird, wie in der Ergänzenden Abbildung 1a dargestellt. Dieses Design stützt sich stark auf ein Bindemittelharz, um die Fasern in jeder Schicht im Allgemeinen parallel zu halten, wie in Der Ergänzenden Abbildung 1bzu sehen ist, und die nominell 0°/90° Ausrichtung der gestapelten Gewebe beizubehalten. Wie Gewebe werden UD-Laminate in der Regel aus zwei großen Faservarianten hergestellt: Aramid oder UHMMPE. UD-Laminate bieten Body-Armor-Designern mehrere Vorteile: Sie ermöglichen ein Panzerungssystem mit geringerem Gewicht im Vergleich zu solchen, die Gewebe verwenden (aufgrund von Festigkeitsverlusten beim Weben), eliminieren die Notwendigkeit einer gewebten Konstruktion und verwenden Fasern mit kleinerem Durchmesser. eine ähnliche Leistung wie Gewebe zu bieten, aber mit einem geringeren Gewicht. PPTA hat sich zuvor als resistent gegen Verschlechterungen durch Temperatur und Feuchtigkeit1,2, aber das Bindemittel kann eine wichtige Rolle bei der Leistung des UD-Laminats spielen. Somit sind die Gesamtauswirkungen der Verwendungsumgebung auf PPTA-basierte Rüstungen unbekannt8.
Bis heute wurden nur sehr vorarbeiten, um die Alterung der in diesen UD-Laminaten verwendeten Bindemittelharze und die Auswirkungen der Bindemittelalterung auf die ballistische Leistung des UD-Laminats zu charakterisieren. Zum Beispiel zeigten UD-Laminate während der Entwicklung des in NIJ Standard-0101.06 verwendeten Konditionierungsprotokolls visuelle Anzeichen von Delamination und Reduktionen von V50 nach Alterung1,2,8. Diese Ergebnisse zeigen die Notwendigkeit eines gründlichen Verständnisses der Materialeigenschaften bei Alterung, um die langfristige strukturelle Leistungsfähigkeit des Materials zu bewerten. Dies wiederum erfordert die Entwicklung standardisierter Methoden zur Abhörung der Fehlereigenschaften dieser Materialien. Die Hauptziele dieser Arbeit sind die Untersuchung von Methoden und Best Practices für die genaue Prüfung der mechanischen Eigenschaften von UD-Laminatmaterialien und die Vorgeschlagene einer neuen Testmethodik für diese Materialien. Bewährte Verfahren für die Alterung von UD-Laminatmaterialien werden in dieser Arbeit ebenfalls beschrieben.
Die Literatur enthält mehrere Beispiele für das Testen der mechanischen Eigenschaften von UD-Laminaten nach dem Heißpressen mehrerer Schichten in eine harte Probe9,10,11. Für starre Verbundlaminate kann ASTM D303912 verwendet werden; In dieser Studie ist das Material jedoch etwa 0,1 mm dick und nicht starr. Einige UD-Laminatmaterialien werden als Vorläufer verwendet, um starre ballistische Schutzartikel wie Helme oder ballistische Platten herzustellen. Das dünne, flexible UD-Laminat kann jedoch auch zur Herstellung von Körperpanzerung9,13verwendet werden.
Das Ziel dieser Arbeit ist es, Methoden zur Erforschung der Leistung der Materialien in weichen Körperpanzerung zu entwickeln, so dass Methoden mit heißem Pressen nicht erforscht wurden, weil sie nicht repräsentativ für die Art und Weise sind, wie das Material in weichen Körperpanzerung verwendet wird. ASTM International hat mehrere Testmethodenstandards für Prüfstreifen aus Geweben, einschließlich ASTM D5034-0914 Standard Test Method for Breaking Strength and Llongation of Textile Fabrics (Grab Test), ASTM D5035-1115 Standard Test Verfahren zur Bruchkraft und Dehnung von Textilgeweben (Strip-Methode), ASTM D6775-1316 Standard-Testmethode für Bruchfestigkeit und Dehnung von Textilband, Band und geflochtenem Material und ASTM D395017 Standardspezifikation für Umreifung, Nichtmetallisch (und Fügemethoden). Diese Normen weisen mehrere wesentliche Unterschiede in Bezug auf die verwendeten Prüfgriffe und die Probengröße auf, wie unten erwähnt.
Die in ASTM D5034-0914 und ASTM D5035-1115 beschriebenen Methoden sind sehr ähnlich und konzentrieren sich auf das Testen von Standardgeweben anstelle von hochfesten Verbundwerkstoffen. Bei den Tests in diesen beiden Normen sind die Kieferflächen der Griffe glatt und flach, obwohl Modifikationen für Proben mit einer Ausfallspannung von mehr als 100 N/cm zulässig sind, um die Rolle eines Stick-Slip-basierten Ausfalls zu minimieren. Vorgeschlagene Modifikationen, um ein Verrutschen zu verhindern, sind, die Backen zu befüllen, den Stoff unter den Kiefern zu beschichten und das Kiefergesicht zu modifizieren. Im Falle dieser Studie beträgt die Probenversagensspannung ca. 1.000 N/cm, so dass diese Griffart zu einem übermäßigen Probenschlupf führt. ASTM D6775-1316 und ASTM D395017 sind für wesentlich stärkere Materialien bestimmt und verlassen sich beide auf Capstan-Griffe. So konzentrierte sich diese Studie auf die Verwendung von Capstan-Griffen.
Darüber hinaus variiert die Probengröße zwischen diesen vier ASTM-Standards erheblich. Die Gurt- und Umreifungsstandards ASTM D6775-1316 und ASTM D395017legen fest, dass die gesamte Breite des Materials getestet werden soll. ASTM D677516 gibt eine maximale Breite von 90 mm an. Im Gegensatz dazu erwarten die Gewebenormen14,15, dass die Probe in der Breite geschnitten wird und entweder eine Breite von 25 mm oder 50 mm vorgibt. Die Gesamtlänge der Probe variiert zwischen 40 cm und 305 cm, und die Spurweite variiert zwischen 75 mm und 250 mm über diese ASTM-Normen. Da die ASTM-Normen hinsichtlich der Probengröße erheblich variieren, wurden für diese Studie drei unterschiedliche Breiten und drei unterschiedliche Längen berücksichtigt.
Die Terminologie, die sich auf die Probenvorbereitung im Protokoll bezieht, ist wie folgt: Schraube > Vorläufermaterial > Material > Probe, bei der sich der Begriff Schraube auf eine Rolle UD-Laminat bezieht, bezieht sich Vorläufermaterial auf eine ungewickelte Menge an UD-Gewebe, die noch befestigt ist. zur Schraube bezieht sich das Material auf ein abgetrenntes Stück UD-Laminat, und die Probe bezieht sich auf ein einzelnes zu prüfendes Stück.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die richtige Bestimmung der Faserrichtung ist entscheidend. Der Vorteil der in den Schritten 1.4–1.6 des Protokolls beschriebenen Methode besteht darin, dass die vollständige Kontrolle darüber besteht, wie viele Fasern zum Starten des Trennprozesses verwendet werden. Dies bedeutet jedoch nicht, dass es eine vollständige Kontrolle über die Breite des endgültigen getrennten Bereichs gibt, da die Fasern nicht vollständig parallel sind und sich übereinander kreuzen können. Beim Trennen einer Charge von Fasern, häu…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren möchten Stuart Leigh Phoenix für seine hilfreichen Diskussionen, Mike Riley für seine Unterstützung beim mechanischen Testaufbau und Honeywell für die Bereitstellung einiger Materialien würdigen. Die Finanzierung von Amy Engelbrecht-Wiggans wurde im Rahmen des Zuschusses 70NANB17H337 bereitgestellt. Die Finanzierung von Ajay Krishnamurthy wurde im Rahmen des Zuschusses 70NANB15H272 bereitgestellt. Die Finanzierung von Amanda L. Forster wurde vom Verteidigungsministerium durch die interinstitutionelle Vereinbarung R17-643-0013 bereitgestellt.
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 |
Referências
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