Esnek tek yönlü kompozit laminatlar kesme prosedürleri, çekme testi ve yaşlanma
Summary
Çalışmanın amacı, yüksek mukavemetli Aramid veya ultra yüksek-molar-kütle polietilen bazlı esnek tek yönlü kompozit laminat malzemelerin doğru mekanik testleri için tutarlı numuneler hazırlamak için protokoller geliştirmektir ve Bu malzemeler üzerinde yapay yaşlanma gerçekleştirmek için protokoller.
Abstract
Birçok vücut zırh tasarımları tek yönlü (UD) laminatlar dahil. UD laminatlar, her katmandaki ipliklerin birbirine paralel olarak yöneldiği ve bağlayıcı reçineler ve ince polimer filmler kullanılarak yerinde tutulan yüksek performanslı ipliklerin ince (< 0.05 mm) katmanlarından yapılmıştır. Zırh, farklı oryantasyonlarda tek yönlü katmanları istifleyerek inşa edilir. Bugüne kadar, tek yönlü laminatlar ve performanslarında etkileri kullanılan bağlayıcı reçineler yaşlanma karakterize etmek için sadece çok ön çalışma yapılmıştır. Örneğin, National Institute of Justice Standard-0101,06 ' te kullanılan Klima protokolünün geliştirilmesi sırasında, UD laminatlar V50içinde delaminasyon ve azalma görsel belirtileri gösterdi, hangi mermi yarısını hangi hız yaşlanma sonrası zırh delmek bekleniyor. UD laminatlar içinde malzeme Özellik değişiklikleri daha iyi bir anlayış bu malzemelerden inşa zırh uzun vadeli performansını anlamak için gereklidir. Tek yönlü (UD) laminat malzemelerin mekanik olarak sorgulanılması için mevcut standartlar önerilmemektedir. Bu çalışmada, bu malzemelerin mekanik özelliklerini doğru şekilde test etmek için yöntemleri ve en iyi uygulamaları araştırıyor ve bu malzemeler için yeni bir test metodolojisi öneriyor. Bu malzemelerin yaşlanması için en iyi uygulamalar da açıklanmıştır.
Introduction
Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NıST), kolluk kuvvetleri ve cezai adalet ajanslarının satın alması gereken ekipmanların ve kullanmalarındaki teknolojilerin güvenli, güvenilir ve son derece etkili bir araştırma programı aracılığıyla sağlanmasına yardımcı olur. vücut zırhında kullanılan yüksek mukavemetli liflerin uzun vadeli stabilitesi ele. Önceki çalışma1,2malzeme Poly (p-fenilen-2, 6-benzobisoxazole), ya da PBO, Ulusal Enstitüsü Adalet (nij ‘s) vücut zırh standardı için büyük bir revizyon yol açtı bir vücut zırhı alan arızası üzerinde duruldu 3. Bu revize standart yayımlanmasından bu yana, çalışma NIST ‘de Ultra-yüksek molar-kütle polietilen (UHMMPE)4 ve poli (p-fenilen tereftalamid) gibi diğer yaygın olarak kullanılan liflerde yaşlanma mekanizmaları incelemek için devam etti, veya PPTA, genellikle Aramid olarak bilinir. Ancak, tüm bu çalışma iplik ve tek elyaflar, en dokuma kumaşlar için uygun olan yaşlanma üzerinde duruldu. Ancak, birçok vücut zırh tasarımları UD laminatlar dahil. UD laminatlar, her katmandaki liflerin birbirine paralel olduğu ince elyaf katmanları (< 0.05 mm) inşa edilir5,6,7 ve zırh alternatif Oryantasyonlar ince levhalar istifleme tarafından inşa edilir, ek Şekil 1a ‘da tasvir edilmiştir. Bu tasarım, ek Şekil 1Bgörüldüğü gibi, her katmanda lifleri genellikle paralel tutmak için bir bağlayıcı reçine ağır dayanır ve yığılmış kumaşların nominal 0 °/90 ° yönünü korumak. Dokuma kumaşlar gibi, UD laminatlar genellikle iki büyük fiber varyasyonları dışarı inşa edilir: Aramid veya UHMMPE. UD laminatlar vücut zırh tasarımcıları için çeşitli avantajlar sağlar: onlar dokuma kumaşlar (dokuma sırasında güç kaybı nedeniyle) kullanarak göre bir alt ağırlık zırh sistemi için izin, dokuma inşaat ihtiyacını ortadan kaldırmak ve daha küçük çaplı lifleri kullanmak dokuma kumaşlar ama daha düşük bir ağırlıkta benzer bir performans sağlamak için. PPTA daha önce sıcaklık ve nem1,2nedeniyle bozulmaya dayanıklı olarak gösterildi, ama Binder ud laminat performansında önemli bir rol oynayabilir. Böylece, PPTA tabanlı zırh üzerinde kullanım ortamının genel etkileri bilinmiyor8.
Bugüne kadar, bu UD laminatlar kullanılan bağlayıcı reçineler ve UD laminat balistik performans üzerinde bağlayıcı yaşlanma etkileri yaşlanma karakterize etmek için sadece çok ön çalışma yapılmıştır. Örneğin, nij standardı-0101,06 kullanılan Klima protokolünün geliştirilmesi sırasında, ud laminatlar1,2,8aging sonra V50 içinde delaminasyon ve indirimleri görsel belirtileri gösterdi. Bu sonuçlar, malzemenin uzun vadeli yapısal performansını değerlendirmek için yaşlanma ile malzeme özelliklerinin kapsamlı bir şekilde anlaşılması gerektiğini göstermektedir. Bu da, bu malzemelerin başarısızlık özelliklerini sorgulamak için standartlaştırılmış yöntemlerin gelişimini gerektirir. Bu çalışmanın birincil hedefleri, UD laminat malzemelerin mekanik özelliklerini doğru bir şekilde test etmek ve bu malzemeler için yeni bir test metodolojisi önermek için yöntemleri ve en iyi uygulamaları keşfetmektir. Bu çalışmakta UD laminasyon malzemelerinin yaşlanma için en iyi uygulamalar da açıklanmıştır.
Literatürde, birden fazla katmandan sıcak bastıktan sonra ud laminatlarının mekanik özelliklerinin sabit bir örneğe9,10,11olarak test edilmesi gibi çeşitli örnekler bulunur. Rijit kompozit laminatlar için ASTM D303912 kullanılabilir; Ancak, bu çalışmada, malzeme yaklaşık 0,1 mm kalınlığında ve sert değil. Bazı UD laminat malzemeler kask veya balistik dayanıklı plakalar gibi sert Balistik koruyucu maddeler yapmak için öncü olarak kullanılır. Ancak, ince, esnek ud laminat de vücut zırh9,13yapmak için kullanılabilir.
Bu çalışmanın amacı, yumuşak vücut zırhında malzemelerin performansını keşfetmek için yöntemler geliştirmektir, böylece malzeme yumuşak vücut zırhında kullanılan yol temsilcisi değildir çünkü sıcak presleme içeren yöntemleri keşfedilmedi. ASTM International, ASTM D5034-0914 standart test yöntemi ve Tekstil Kumaşlarının uzaması (Grab test), ASTM D5035-1115 standart test gibi birçok test yöntemi standartlarına sahiptir. Force ve tekstil kumaşların uzaması (şerit yöntemi), ASTM D6775-1316 standart test yöntemi kesme gücü ve tekstil dokuma, teyp ve uzama kesme, bant ve örgülü malzeme için yöntem ve ASTM D395017 Standart Şartname Strapping, metalik olmayan (ve birleştirme yöntemleri). Bu standartlar, aşağıda belirtildiği gibi kullanılan test kuls ve numune boyutu açısından çeşitli önemli farklılıklar vardır.
ASTM D5034-0914 ve ASTM D5035-1115 ‘ te açıklanan yöntemler çok benzerdir ve yüksek mukavemetli kompozitler yerine standart kumaşları test etmeye odaklanır. Bu iki standartlardaki testler için, çenelerin çene yüzleri pürüzsüz ve düz olsa da, değişiklikler, sopa-slip tabanlı başarısızlığın rolünü en aza indirmek için 100 N/cm ‘den büyük bir başarısızlık stresine sahip örneklere izin verilir. Kayma önlemek için önerilen değişiklikler çeneleri Pad, ceket çene altında kumaş ve çene yüzünü değiştirmek için vardır. Bu çalışmada, numune yetmezliği stres yaklaşık 1.000 N/cm, ve bu nedenle, bu tarz kuls aşırı örnek kayma sonuçları. ASTM D6775-1316 ve ASTM D395017 çok daha güçlü malzemeler için tasarlanmıştır ve her ikisi de ırgat kulpları güveniyor. Böylece, bu çalışmada ırgat kulpların kullanımına odaklanmıştır.
Ayrıca, numune boyutu bu dört ASTM standartları arasında önemli ölçüde değişir. Dokuma ve kaplama standartları, ASTM D6775-1316 ve ASTM D395017, malzemenin tam genişliğini test etmek için belirtin. ASTM D677516 maksimum genişlik 90 mm belirtir. Bunun aksine, kumaş standartları14,15 numunenin en fazla kesme olmasını bekler ve 25 mm veya 50 mm genişliğine sahiptir. Numunenin toplam uzunluğu 40 cm ile 305 cm arasında değişmektedir ve ölçer uzunluğu bu ASTM standartlarına göre 75 mm ile 250 mm arasında değişmektedir. ASTM standartları numune boyutu ile ilgili önemli ölçüde farklılık göstereceğinden, bu çalışmada üç farklı genişlik ve üç farklı uzunluk düşünüldü.
Protokolde numune hazırlama atıfta terminoloji aşağıdaki gibidir: cıvata > habercisi malzeme > Malzeme > numune, terim cıvata ud laminat bir rulo anlamına gelir, habercisi malzeme ud kumaş bir unwound miktarı anlamına gelir hala bağlı cıvata için, malzeme UD laminat ayrı bir parça anlamına gelir, ve numune test edilecek bireysel bir parça anlamına gelir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Fiber yönü doğru belirlenmesi önemlidir. Protokolün 1.4 – 1.6 adımlarında açıklanan yöntemin avantajı, ayırma sürecini başlatmak için kaç lifin kullanıldığı konusunda tam bir kontrol olmasıdır. Ancak bu, liflerin tamamen paralel olmadığı ve birbirlerinden geçebilmek için son ayrı bölgenin genişliği üzerinde tam bir kontrol olduğu anlamına gelmez. Liflerin bir toplu ayırma sürecinde, sıklıkla, bu kesişme nedeniyle ayrılmış olan bu bitişik lifleri de ayrılır. Böylece, fiber y…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar onun yararlı tartışmalar için Stuart Leigh Phoenix kabul etmek istiyorum, mekanik test kurulumu ile onun yardım için Mike Riley, ve Honeywell bazı malzemelerin bağış için. Amy Engelbrecht-Wiggans için fon Grant 70NANB17H337 altında verildi. Ajay kurt için finansman Grant 70NANB15H272 altında sağlandı. Amanda L. Forster için finansman, Savunma Bakanlığı ‘ndan R17-643-0013 arası anlaşma yoluyla sağlandı.
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).
