Snij procedures, trekproeven en veroudering van flexibele unidirectionele composiet laminaten

Het National Institute of Standards and Technology (NIST) helpt wetshandhavings-en strafrecht bureaus ervoor te zorgen dat de apparatuur die zij aanschaffen en de technologieën die zij gebruiken veilig, betrouwbaar en zeer effectief zijn, via een onderzoeksprogramma het aanpakken van de lange termijn stabiliteit van hoge-sterkte vezels die worden gebruikt in bodyarmor. Eerdere werkzaamheden^1,2heeft zich gericht op het falen van een lichaam van het materiaal poly (p-fenylene-2, 6-benzobisoxazol), of PbO, wat leidde tot een belangrijke herziening van de National Institute of Justice (Nij ‘s) Body Armor standaard ³. sinds de vrijgave van deze herziene norm heeft het NIST gewerkt aan het onderzoeken van verouderings mechanismen in andere veelgebruikte vezels, zoals ultrahoog-molaire-massa-polyethyleen (UHMMPE)⁴ en poly (p-fenyleenterephthalamide), of PPTA, algemeen bekend als Aramid. Al dit werk is echter gericht op de veroudering van garens en enkelvoudige vezels, die het meest relevant zijn voor geweven stoffen. Echter, veel Body Armor ontwerpen bevatten UD laminaten. UD laminaten zijn opgebouwd uit dunne vezel lagen (< 0.05 mm) waar de vezels in elke laag parallel aan elkaar zijn^5,6,7 en de Armor is opgebouwd door het stapelen van de dunne vellen in afwisselende richtingen, zoals afgebeeld in aanvullend figuur 1a. Dit ontwerp is sterk afhankelijk van een bindmiddel hars om de vezels in elke laag over het algemeen parallel te houden, zoals te zien in aanvullende figuur 1b, en de nominaal 0 °/90 ° oriëntatie van de gestapelde weefsels te behouden. Net als geweven stoffen zijn UD laminaten meestal opgebouwd uit twee grote Fiber variaties: aramide of UHMMPE. UD laminaten bieden verschillende voordelen aan Body Armor ontwerpers: ze zorgen voor een lager-gewicht Armor systeem in vergelijking met die met behulp van geweven stoffen (als gevolg van sterkte verlies tijdens het weven), elimineren de noodzaak voor geweven constructie, en gebruik maken van kleinere diameter vezels om een gelijkaardige prestatie te bieden aan geweven stoffen, maar met een lager gewicht. PPTA heeft eerder aangetoond dat het bestand is tegen degradatie veroorzaakt door temperatuur en vochtigheid^1,2, maar het bindmiddel kan een belangrijke rol spelen in de prestaties van het UD-laminaat. Dus, de algemene effecten van de gebruiksomgeving op PPTA-gebaseerde Armor zijn onbekend⁸.

Tot op heden is alleen zeer voorbereidend werk verricht om de veroudering van de ringband harsen die in deze UD laminaten worden gebruikt en de effecten van bindmiddel veroudering op de ballistische prestaties van het UD-laminaat te karakteriseren. Tijdens de ontwikkeling van het conditionerings protocol dat in Nij Standard-0101,06 wordt gebruikt, toonden UD laminaten bijvoorbeeld visuele tekenen van delaminatie en verlagingen in V₅₀ na veroudering van^1,2,8. Deze resultaten tonen de noodzaak aan van een grondig begrip van de materiaaleigenschappen met veroudering, om de structurele langetermijnprestaties van het materiaal te evalueren. Dit vereist op zijn beurt de ontwikkeling van gestandaardiseerde methoden om de storings eigenschappen van deze materialen te ondervragen. De belangrijkste doelstellingen van dit werk zijn het verkennen van methoden en best practices voor het nauwkeurig testen van de mechanische eigenschappen van UD-laminaat materialen en het voorstellen van een nieuwe testmethodologie voor deze materialen. In dit werk worden ook de beste praktijken voor vergrijzende UD-laminaat materialen beschreven.

De literatuur bevat verschillende voorbeelden van het testen van de mechanische eigenschappen van UD laminaten na het warm persen van meerdere lagen in een hard sample^9,10,11. Voor stijve composiet laminaten kan ASTM D3039¹² worden gebruikt; echter, in deze studie, het materiaal is ongeveer 0,1 mm dik en niet stijf. Bepaalde UD-laminaat materialen worden gebruikt als precursoren voor het maken van rigide ballistische beschermende artikelen zoals helmen of ballistische platen. Het dunne, flexibele UD-laminaat kan echter ook worden gebruikt om Body Armor^9,13te maken.

Het doel van dit werk is om methoden te ontwikkelen voor het verkennen van de prestaties van de materialen in zachte bodyarmor, dus methoden met hete persing werden niet verkend omdat ze niet representatief zijn voor de manier waarop het materiaal wordt gebruikt in zachte bodyarmor. ASTM International heeft verschillende testmethode normen met betrekking tot het testen van strips van stof, met inbegrip van ASTM D5034-09¹⁴ standaard testmethode voor het breken van de sterkte en verlenging van textielstoffen (Grab test), ASTM D5035-11¹⁵ standaard test Methode voor het breken van de kracht en de verlenging van textielstoffen (strip methode), ASTM D6775-13¹⁶ standaard test methode voor het breken van de sterkte en rek van textiel singelband, tape en gevlochten materiaal, en ASTM D3950¹⁷ standaard specificatie voor Strapping, niet-metallisch (en verbindingsmethoden). Deze normen hebben verschillende belangrijke verschillen in termen van de gebruikte test grepen en de specimen grootte, zoals hieronder vermeld.

De methoden die worden beschreven in ASTM D5034-09¹⁴ en ASTM D5035-11¹⁵ zijn zeer vergelijkbaar en richten op het testen van standaard stoffen in plaats van hoge-sterkte composieten. Voor de tests in deze twee normen, de kaak gezichten van de grepen zijn glad en plat, hoewel wijzigingen zijn toegestaan voor specimens met een storing spanning groter dan 100 N/cm om te minimaliseren van de rol van de stick-slip-gebaseerde mislukking. Voorgestelde modificaties om uitglijden te voorkomen zijn om de kaken te kussen, de stof onder de kaken te vacht en het kaak gezicht te wijzigen. In het geval van deze studie, het preparaat falen stress is ongeveer 1.000 N/cm, en dus, deze stijl van handvatten resulteert in overmatige monster slippage. ASTM D6775-13¹⁶ en ASTM D3950¹⁷ zijn bedoeld voor veel sterkere materialen, en beide vertrouwen op kaapstander handvatten. Deze studie richtte zich dus op het gebruik van kaapstander handvatten.

Verder varieert de preparaat grootte aanzienlijk tussen deze vier ASTM-normen. De singelband-en omsnoerings normen, ASTM D6775-13¹⁶ en ASTM D3950¹⁷, specificeren om de volledige breedte van het materiaal te testen. ASTM D6775¹⁶ geeft een maximale breedte van 90 mm. In tegenstelling tot de stof normen^14,15 verwachten dat het specimen te worden gesneden de breedte en specificeer ofwel een breedte van 25 mm of 50 mm. De totale lengte van het preparaat varieert tussen 40 cm en 305 cm, en de lengte van de meter varieert tussen 75 mm en 250 mm over deze ASTM-normen. Aangezien de ASTM-normen aanzienlijk variëren met betrekking tot de specimen grootte, werden drie verschillende breedtes en drie verschillende lengtes overwogen voor deze studie.

De terminologie die betrekking heeft op preparaat preparaat in het protocol is als volgt: bout > precursor materiaal > materiaal > specimen, waarbij de term Bolt verwijst naar een rol van UD-laminaat, precursor materiaal verwijst naar een ongewikkelde hoeveelheid UD-stof die nog steeds is bevestigd aan de bout, materiaal verwijst naar een gescheiden stuk van UD laminaat, en specimen verwijst naar een individueel stuk te testen.