Процедуры резки, тензильное тестирование и старение гибких однонаправленных композитных ламинатов
Summary
Целью исследования была разработка протоколов для подготовки последовательных образцов для точного механического тестирования высокопрочных арамидных или сверхвысоко-молярных масс гибких однонаправленных композитных материалов ламината протоколы для выполнения искусственного старения на этих материалах.
Abstract
Многие конструкции бронежилетов включают однонаправленные (UD) ламинаты. УД ламинатов построены из тонких (злт;0,05 мм) слоев высокопроизводительных пряжи, где пряжи в каждом слое ориентированы параллельно друг другу и удерживаются на месте с помощью связующих смол и тонких полимерных пленок. Броня построена путем укладки однонаправленных слоев в различных ориентациях. На сегодняшний день была проведена лишь очень предварительная работа по характеристике старения связующих смол, используемых в однонаправленных ламинатах, и воздействия на их работу. Например, во время разработки протокола кондиционирования, используемого в Национальном институте правосудия Standard-0101.06, у ламинированных UD были обнаружены визуальные признаки делемизации и сокращения V50,что является скоростью, с которой половина снарядов ожидается перфорировать броню, после старения. Для понимания долгосрочной производительности бронетанков, построенных из этих материалов, необходимо лучшее понимание изменений материального свойства в ламинатах UD. В настоящее время не рекомендуется использовать стандарты для механического изучения однонаправленных (UD) ламинированных материалов. В этом исследовании рассматриваются методы и рекомендации по точному тестированию механических свойств этих материалов и предлагается новая методология испытаний этих материалов. Также описаны рекомендации по старению этих материалов.
Introduction
Национальный институт стандартов и технологий (NIST) помогает правоохранительным органам и органам уголовного правосудия обеспечить безопасность, надежность и высокоэффективную программу решение долгосрочной стабильности высокопрочных волокон, используемых в бронежилетах. Предварительная работа1,2была сосредоточена на поле отказа бронежилетов из материала поли (p-phenylene-2,6-бензобисоксазол), или PBO, что привело к серьезной редакции Национального института юстиции (NIJ’s) бронежилет стандарт 3. С момента выпуска этого пересмотренного стандарта, работа продолжалась в NIST для изучения механизмов старения в других широко используемых волокон, таких как ультра-высоко-молярно-массовый полиэтилен (UHMMPE)4 и поли (p-фенилен терефтаамид), или PPTA, широко известный как арамид. Однако вся эта работа была сосредоточена на старении пряжи и одиночных волокон, что наиболее актуально для тканых тканей. Тем не менее, многие конструкции бронежилетов включают в себя ламинированные UD. УД ламинатов построены из тонких слоев волокна (lt;0.05 мм), гдеволокна в каждом слое параллельны друг другу 5,6,7 и броня построена путем укладки тонких листов в чередующихся ориентаций, как показано на дополнительной рисунке 1а. Эта конструкция полагается тяжело на сеятельной мелине для того чтобы держать волокна в каждом слое вообще параллельно, как увидено в дополнительной рисунке 1b,и поддерживать номинально ориентацию 0’/90′.90′. Как тканые ткани, UD ламинатов, как правило, построены из двух основных вариаций волокна: арамид или UHMMPE. Ud ламинатов обеспечивают несколько преимуществ для бронежилетов дизайнеров: они позволяют более низкой массы брони системы по сравнению с теми, используя тканые ткани (из-за потери прочности во время ткачества), устранить необходимость тканой конструкции, и использовать меньшего диаметра волокон обеспечить аналогичную производительность тканых тканей, но при меньшем весе. Ранее было показано, что PPTA устойчива кдеградации, вызванной температурой и влажностью 1,2,но связующего может играть значительную роль в производительности ламината UD. Таким образом, общее воздействие среды использования на PPTA основе брони неизвестны8.
На сегодняшний день, только очень предварительная работа была выполнена для того чтобы охарактеризовать вызревание смол связующего используемого в этих laminates UD и влияния связующего вызревания на баллистической деятельности ламината UD. Например, во время разработки протокола кондиционирования, используемого в NIJ Standard-0101.06, у ламинатаUD были обнаружены визуальные признаки делемизации и сокращения в V50 после старения 1,2,8. Эти результаты свидетельствуют о необходимости глубокого понимания свойств материала со старением, с тем чтобы оценить долгосрочные структурные характеристики материала. Это, в свою очередь, требует разработки стандартизированных методов для изучения несостоятельности свойств этих материалов. Основными целями этой работы являются изучение методов и передовой практики для точного тестирования механических свойств материалов ламинированного UD и предложить новую методологию испытаний этих материалов. В этой работе также описаны лучшие практики по старению материалов ламинированного UD.
Литература содержит несколько примеров тестирования механических свойств ламината UD послегорячего прессования нескольких слоев в жесткий образец 9,10,11. Для жестких композитных ламинатов можно использовать ASTM D303912; однако, в этом исследовании, материал толщиной около 0,1 мм и не жесткий. Некоторые материалы UD ламината используются в качестве прекурсоров, чтобы сделать жесткие баллистические защитные изделия, такие как шлемы или баллистически устойчивые пластины. Тем не менее, тонкий, гибкий ламинированный UD также может быть использован, чтобы сделать бронежилет9,13.
Целью этой работы является разработка методов изучения производительности материалов в мягких бронежилетах, поэтому методы, связанные с горячим нажатием, не были изучены, поскольку они не являются репрезентативными от того, как материал используется в мягких бронежилетах. ASTM International имеет несколько тест-метод стандартов, связанных с тестированием полос ткани, в том числе ASTM D5034-0914 Стандартный метод испытаний для ломая прочность и удлинение текстильных тканей (Grab Test), ASTM D5035-1115 Стандартный тест Метод для Breaking Force и удлинения текстильных тканей (Метод полосы), ASTM D6775-1316 Стандартный метод испытаний для ломая прочность и удлинение текстильного Webbing, ленты и плетеного материала, и ASTM D395017 Стандартная спецификация для Завязка, неметаллические (и присоединение методы). Эти стандарты имеют несколько ключевых отличий с точки зрения используемых испытательных захватов и размера образца, как упоминалось ниже.
Методы, описанные в ASTM D5034-0914 и ASTM D5035-1115, очень похожи и ориентированы на тестирование стандартных тканей, а не высокопрочных композитов. Для испытаний в этих двух стандартов, челюсти лица ручки гладкие и плоские, хотя изменения допускаются для образцов с отказом стресс больше, чем 100 Н / см, чтобы свести к минимуму роль палкой скольжения основе отказа. Предлагаемые изменения для предотвращения скольжения являются колодки челюсти, пальто ткани под челюстями, и изменить челюсть лицо. В случае этого исследования, усилие отказа образца составляет приблизительно 1000 N/cm, и таким образом, этот тип захватов приводит к чрезмерному проскальзыванию образца. ASTM D6775-1316 и ASTM D395017 предназначены для гораздо более прочных материалов, и оба полагаются на капстанные ручки. Таким образом, это исследование было сосредоточено на использовании capstan ручки.
Кроме того, размер образца значительно варьируется между этими четырьмя стандартами ASTM. Стандарты webbing и обвязки, ASTM D6775-1316 и ASTM D395017, указать, чтобы проверить всю ширину материала. ASTM D677516 определяет максимальную ширину 90 мм. В отличие от этого, ткань стандарты14,15 ожидать, что образец будет сокращен шириной и указать либо 25 мм или 50 мм шириной. Общая длина образца варьируется от 40 см до 305 см, а длина колеи варьируется от 75 мм до 250 мм в зависимости от этих стандартов ASTM. Поскольку стандарты ASTM значительно различаются в зависимости от размера образца, для этого исследования были рассмотрены три различных ширины и три разных длины.
Терминология, относящаяся к подготовке образца в протоколе, заключается в следующем: болт к болту, материал относится к разделенной части ламината UD, и образец относится к отдельной части, которая будет проверена.
Protocol
Representative Results
Discussion
Правильное определение направления волокна имеет решающее значение. Преимущество метода, описанного в шагах 1.4-1.6 протокола, заключается в том, что существует полный контроль над тем, сколько волокон используется для запуска процесса разделения. Однако это не означает, что существует п…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы хотели бы отметить Стюарт Ли Феникс за его полезные обсуждения, Майк Райли за его помощь с механической установки испытания, и Honeywell для пожертвование некоторых материалов. Финансирование Эми Энгельбрехт-Вигганс было предоставлено в рамках гранта 70NANB17H337. Финансирование Ajay Krishnamurthy было предоставлено в рамках гранта 70NANB15H272. Финансирование Аманда Л. Форстер было предоставлено от Министерства обороны через межведомственное соглашение 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 |
References
- 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).
