הליכי גזירה, בדיקות מתיחה, ו ההזדקנות של ציפויים חד כיווני חד-כיווני מרוכבים
Summary
מטרת המחקר היתה לפתח פרוטוקולים כדי להכין דגימות עקביות עבור בדיקה מכנית מדויקת של הגבוה בחוזק ארמיד או ultra-high-טוחנת-מבוסס פוליאתילן המוני מבוססי פלסטיק המורכב חומרים גמישים למינציה ולתאר פרוטוקולים לביצוע הזדקנות מלאכותית על חומרים אלה.
Abstract
רבים עיצובים שריון הגוף לשלב כחד (UD) ציפויים. ציפויים מסוג UD בנויים דקים (< 0.05 מ"מ) שכבות של יפצחו בעלי ביצועים גבוהים, כאשר היפצחו בכל שכבה מכוונים במקביל זה לזה ומוחזקים במקום באמצעות שרפים קלסר וסרטי פולימר דקים. השריון נבנה על ידי הערמה של שכבות חד כיווני בכיוונים שונים. עד כה, רק עבודה מוקדמת מאוד בוצעה כדי לאפיין את ההזדקנות של שרפים קלסר המשמש ציפויים חד כיווני ואת ההשפעות על הביצועים שלהם. לדוגמה, במהלך הפיתוח של פרוטוקול התניה המשמש המכון הלאומי לצדק תקן-0101.06, מתקנים UD הראו סימנים חזותיים של דלאמנציה והנחות ב V50, אשר הוא המהירות שבה מחצית קליעים צפויים לנקב את השריון, לאחר הזדקנות. הבנה טובה יותר של שינויי תכונת החומר בציפויים ב-UD נחוצה כדי להבין את הביצועים לטווח הארוך של שריונות שנבנו מחומרים אלה. אין סטנדרטים נוכחיים המומלצים לחקר מכני כיווני (UD) חומרים למינציה. מחקר זה בוחן את השיטות ואת השיטות הטובות ביותר לבחון במדויק את התכונות המכאניות של חומרים אלה ומציע מתודולוגיה לבדיקה חדשה עבור חומרים אלה. שיטות מומלצות להזדקנות חומרים אלה מתוארות אף הן.
Introduction
המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה מסייע לאכיפת החוק ולסוכנויות המשפט הפלילי להבטיח כי הציוד שהם רוכשים והטכנולוגיות בהן הם משתמשים הם בטוחים, מהימנים ויעילים מאוד, באמצעות תוכנית מחקר מטפל ביציבות ארוכת טווח של סיבים בעלי עוצמה גבוהה המשמשים בשריון הגוף. עבודה קודמת1,2התמקדה הכישלון בשדה של שריון הגוף עשוי חומר פולי (p-phenylene-2, 6-benzobisoxazole), או pbo, אשר הובילו לתיקון העיקרי למכון הלאומי של הצדק (nij של) שריון גוף סטנדרטי 3. מאז שחרורו של תקן זה שתוקן, העבודה המשיכה לחקור את המנגנון לבחון מנגנונים של הזדקנות בסיבים נפוצים אחרים כגון פוליאתילן גבוהה מאוד-טוחנת המסה (UHMMPE)4 ו פולי (p-phenylene terאפרם), או ppta, ידוע בכינויו aramid. עם זאת, כל העבודה הזאת התמקדה בהזדקנות של יפצחו וסיבים בודדים, שהוא הרלוונטי ביותר עבור בדים ארוגים. עם זאת, הרבה עיצובים שריון הגוף לשלב למינט UD. עוד ציפויים בנויים משכבות סיבים דקים (< 0.05 מ"מ) היכן שהסיבים בכל שכבה מקבילים זה לזה5,6,7 והשריון נבנה על ידי הערמה של גיליונות דקים בכיוונים מתחלפים, כפי שמתואר באיור 1a משלים. עיצוב זה מסתמך באופן מסיבי על שרף קלסר להחזיק את הסיבים בכל שכבה בדרך כלל מקביל, כפי שנראה באיור המשלים 1b, ולשמור על כיוון המוערך 0 °/90 ° של הבדים מוערמים. כמו בדים ארוגים, למינט UD בדרך כלל בנויים מתוך שני וריאציות סיבים עיקריים: ארמיד תוך או UHMMPE. ציפויים מספקים מספר יתרונות למעצבים בשריון הגוף: הם מאפשרים מערכת השריון במשקל נמוך בהשוואה לאלה המשתמשים בבדים ארוגים (עקב אובדן כוח במהלך האריגה), לחסל את הצורך בבנייה ארוגים, ולנצל סיבי קוטר קטן לספק ביצועים דומים לבדים ארוגים, אך במשקל נמוך יותר. Ppta הוכח בעבר להיות עמיד בפני השפלה הנגרמת על ידי טמפרטורה ולחות1,2, אבל האוגדן עשוי לשחק תפקיד משמעותי בביצועים של עוד למינציה. כך, ההשפעות הכלליות של סביבת השימוש על שריון מבוסס PPTA אינם ידועים8.
עד היום, רק עבודה מוקדמת מאוד בוצעה כדי לאפיין את ההזדקנות של שרפים קלסר בשימוש אלה למינט UD ואת ההשפעות של הזדקנות קלסר על ביצועים בליסטיים של למינציה UD. לדוגמה, במהלך הפיתוח של פרוטוקול המיזוג בשימוש בתקן nij-0101.06, עוד ציפויים הראו סימנים חזותיים של דלאמנציה והפחתות ב-V50 אחרי הזדקנות1,2,8. תוצאות אלו מדגימות את הצורך בהבנה יסודית של תכונות החומר עם הזדקנות, על מנת להעריך את הביצועים המבניים לטווח ארוך של החומר. זה, בתורו, מחייבת פיתוח של שיטות סטנדרטיות לחקור את מאפייני הכישלון של חומרים אלה. המטרות העיקריות של עבודה זו הן לחקור שיטות ושיטות מומלצות לבדיקה מדויקת של התכונות המכאניות של חומרי למינציה של UD ולהצעת מתודולוגיה חדשה לבדיקה לחומרים אלה. שיטות מומלצות להזדקנות חומרי למינציה UD מתוארות גם בעבודה זו.
הספרות מכילה מספר דוגמאות של בדיקת תכונות מכניות של עוד ציפויים לאחר לחיצה חמה על שכבות מרובות למדגם קשיח9,10,11. עבור ציפויים מרוכבים קשיחים, ASTM D303912 ניתן להשתמש; עם זאת, במחקר זה, החומר הוא כ 0.1 מ”מ עבה ולא נוקשה. חומרים מסוימים למינציה משמשים כסמנים מראש לבצע מאמרים הגנה נוקשה כגון קסדות או לוחיות עמידות בליסטיים. עם זאת, דק, גמיש למינציה יכול לשמש גם כדי להפוך את שריון הגוף9,13.
מטרת העבודה היא לפתח שיטות לחקר הביצועים של החומרים בשריון גוף רך, ולכן שיטות הכרוכות בהקשה חמה לא נחקרו משום שהן אינן מייצגות את אופן השימוש בחומר בשריון גוף רך. ASTM הבינלאומי יש כמה סטנדרטים בדיקה שיטות הנוגעות לבדיקת רצועות של בד, כולל ASTM D5034-0914 שיטת הבדיקה הסטנדרטית עבור חוזק והתארכות של בדים טקסטיל (לתפוס מבחן), ASTM D5035-1115 מבחן סטנדרטי שיטה לכוח שבירת והתארכות של בדים טקסטיל (שיטת הרצועה), ASTM D6775-1316 שיטת הבדיקה הסטנדרטית לחוזק והתארכות הWebbing טקסטיל, סרט וחומר קלוע, ו ASTM D395017 מפרט סטנדרטי עבור חסון, Nonmetallic תכתי (ושיטות הצטרפות). סטנדרטים אלה יש כמה הבדלים מרכזיים במונחים של תפסי בדיקה בשימוש ואת גודל הדגימה, כפי שהוזכר להלן.
שיטות המתוארות ב ASTM D5034-0914 ו astm D5035-1115 מאוד דומות ומתמקדות בבדים סטנדרטיים במקום בעלי מרוכבים בעלי עוצמה גבוהה. עבור בדיקות אלה שני סטנדרטים, פרצופים הלסת של אוחז הם חלק ושטוח, למרות שינויים מותרים עבור דגימות עם מתח כישלון גדול יותר מ 100 N/cm כדי למזער את התפקיד של כשל מקל-slip מבוסס. שינויים מוצעים כדי למנוע החלקה הם לרפד את הלסתות, לרפד את הבד מתחת ללסתות, ולשנות את פני הלסת. במקרה של מחקר זה, המתח הכשל המדגם הוא כ 1,000 N/cm, ולכן, זה סגנון של אוחז תוצאות החלקה לדוגמה מוגזמת. ASTM D6775-1316 ו astm D395017 מיועדים לחומרים הרבה יותר חזקים, ושניהם מסתמכים על הידיות. לפיכך, מחקר זה התמקד בשימוש של אוחז.
יתר על כן, גודל הדגימה משתנה במידה ניכרת בין אלה ארבעה סטנדרטים ASTM. סטנדרטים webbing וחסונים, ASTM D6775-1316 ו ASTM D395017, לציין כדי לבדוק את הרוחב המלא של החומר. ASTM D677516 מציין רוחב מירבי של 90 מ”מ. לעומת זאת, סטנדרטים במרקם14,15 לצפות את הדגימה להיות לחתוך לרוחב ולציין 25 מ”מ או 50 mm רוחבו. האורך הכולל של הדגימה משתנה בין 40 ס מ ו 305 ס”מ, ואת אורך מד משתנה בין 75 מ”מ ו 250 מ”מ לאורך תקני ASTM אלה. מאז תקני ASTM שונים במידה ניכרת לגבי גודל הדגימה, שלושה רוחבי שונים ושלושה אורכים שונים נחשבו עבור מחקר זה.
המינוח המתייחס הכנה הדגימה בפרוטוקול הוא כדלקמן: בורג > חומר מקודמן > חומר > הדגימה, שם המונח בריח מתייחס גליל של UD למינציה, חומר מקודמן מתייחס כמות בלתי הפצע של בד UD עדיין מחובר אל הבורג, החומר מתייחס לחלק מופרד של UD למינציה, והדגימה מתייחסת לחלק בודד להיבדק.
Protocol
Representative Results
Discussion
קביעה נכונה של כיוון הסיבים היא קריטית. היתרון של השיטה המתוארת בשלבים 1.4 – 1.6 מהפרוטוקול הוא שיש שליטה מלאה על מספר הסיבים המשמשים להתחלת תהליך ההפרדה. עם זאת, אין זה אומר כי יש שליטה מלאה על רוחב האזור המופרד הסופי, כמו הסיבים אינם מקבילים באופן מלא יכול לחצות אחד את השני. בתהליך של הפרדת ק?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים רוצים להכיר בסטיוארט לי פיניקס על הדיונים המועילים שלו, מייק ריילי על הסיוע שלו עם התוכנית הבדיקה המכנית, ו דבש עבור תרומת חלק מהחומרים. המימון של איימי אנגלברכט-ויגדנס סופק תחת מענק 70 NANB17H337. המימון של אי. ג’יי. קרינמורת’י סופק תחת מענק 70 נאנב15. המימון של אמנדה ל’ פורסטר נמסר ממשרד ההגנה באמצעות הסכם בין סוכנויות 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 |
Referências
- Forster, A. L., et al. Hydrolytic stability of polybenzobisoxazole and polyterephthalamide body armor. Polymer Degradation and Stability. 96 (2), 247-254 (2011).
- Forster, A. L., et al. Development of Soft Armor Conditioning Protocols for {NIJ–0101.06}: Analytical Results. NISTIR 7627. , (2009).
- . . NIJ Standard 0101.06- Ballistic Resistance of Personal Body Armor. , (2008).
- 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).
- Pilato, L. A. . Ballistic Resistant Laminate. , (1993).
- Park, A. D. . Ballistic Laminate Structure in Sheet Form. , (1999).
- Jacobs, M. J. N., Beugels, J. H. M., Blaauw, M. . Process for the manufacture of a ballistic-resistant moulded article. , (2006).
- . . ASTM E3110-18 Standard Test Method for Collection of Ballistic Limit Data for Ballistic-resistant Torso Body Armor and Shoot Packs. , (2018).
- 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).
- 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).
- 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).
- . . ASTM D3039/D3039M-17 Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials. , (2017).
- 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).
- ASTM D5034-09. Standard Test Method for Breaking Strength and Elongation of Textile Fabrics. Annual Book of ASTM Standards. , 1-8 (2017).
- ASTM D5035-11. Standard Test Method for Breaking Force and Elongation of Textile Fabrics (Strip Method). Annual Book of ASTM Standards. , 1-8 (2015).
- 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).
- ASTM D3950. Standard Specification for Strapping, Nonmetallic (and Joining Methods). Annual Book of ASTM Standards. , 1-7 (2017).
- Weibull, W. A Statistical Distribution Function of Wide applicability. Journal of applied mechanics. 18 (4), 293-297 (1951).
- Coleman, B. D. Statistics and time dependence of mechanical breakdown in fibers. Journal of Applied Physics. 29 (6), 968-983 (1958).
- Coleman, B. D. Time dependence of mechanical breakdown phenomena. Journal of Applied Physics. 27 (8), 862-866 (1956).
- 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).
- 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).
- Coleman, B. D. A stochastic process model for mechanical breakdown. Transaction of the Society of Rheology. 1 (1957), 153-168 (1957).
- Phoenix, S. L., Beyerlein, I. J. Statistical Strength Theory for Fibrous Composite Materials. Comprehensive Composite Materials. , 559-639 (2000).
- 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).
- 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).
