Процедуры резки, тензильное тестирование и старение гибких однонаправленных композитных ламинатов

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 работа^1,2была 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 D3039^12; 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 бронежилет^9,13.

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 D5035-11^15, 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 стандарты^14,15 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.