Procedimentos de corte, testes de tração e envelhecimento de laminados unidirecionais flexíveis compósitos

O Instituto Nacional de normas e tecnologia (NIST) ajuda a aplicação da lei e agências de justiça criminal garantir que os equipamentos que compram e as tecnologias que eles usam são seguros, confiáveis e altamente eficazes, através de um programa de pesquisa abordando a estabilidade a longo prazo de fibras de alta resistência usadas na armadura do corpo. O trabalho anterior^1,2centrou-se sobre a falha de campo de uma armadura feita a partir do material poli (p-phenylene-2, 6-benzobisoxazole), ou PBO, o que levou a uma grande revisão para o Instituto Nacional de Justiça (NIJ ‘ s) armadura padrão do corpo ³. desde o lançamento desta norma revisada, o trabalho continuou no NIST para examinar os mecanismos de envelhecimento em outras fibras comumente usadas, como o polietileno ultra-alto-molar-maciço (UHMMPE)⁴ e o poli (p-fenileno tereftalamida), ou PPTA, comumente conhecido como aramida. No entanto, todo este trabalho centrou-se no envelhecimento dos fios e das fibras únicas, o que é mais relevante para as telas tecidas. No entanto, muitos designs de armadura incorporam laminados UD. Os laminados UD são construídos com camadas finas de fibra (< 0,05 mm), onde as fibras em cada camada são paralelas entre si^5,6,7 e a armadura é construída empilhando as folhas finas em orientações alternadas, como descrito na Figura 1a suplementar. Este projeto confia pesadamente em uma resina da pasta para prender as fibras em cada camada geralmente paralela, como visto na Figura suplementar 1B, e mantem a orientação nominalmente 0 °/90 ° dos tecidos empilhados. Como telas tecidas, os laminados UD são construídos tipicamente fora de duas variações principais da fibra: aramida ou UHMMPE. Os laminados UD proporcionam várias vantagens aos designers de armaduras: eles permitem um sistema de blindagem de menor peso em comparação àqueles que usam tecidos (devido à perda de força durante a tecelagem), eliminam a necessidade de construção tecida e utilizam fibras de menor diâmetro para fornecer um desempenho similar às telas tecidas mas em um peso mais baixo. O PPTA mostrou-se previamente resistente à degradação causada pela temperatura e umidade^1,2, mas o fichário pode desempenhar um papel significativo no desempenho do laminado UD. Assim, os efeitos gerais do ambiente de uso em armadura baseada em PPTA são desconhecidos⁸.

Até o momento, apenas um trabalho muito preliminar foi realizado para caracterizar o envelhecimento das resinas aglutinantes utilizadas nessas estratificadas de UD e os efeitos do envelhecimento aglutinante no desempenho balístico do laminado UD. Por exemplo, durante o desenvolvimento do protocolo de condicionamento utilizado no NIJ Standard-101, 6, os laminados UD mostraram sinais visuais de delaminação e reduções na V₅₀ após o envelhecimento^1,2,3. Estes resultados demonstram a necessidade de uma compreensão aprofundada das propriedades do material com o envelhecimento, a fim de avaliar o desempenho estrutural a longo prazo do material. Isso, por sua vez, requer o desenvolvimento de métodos padronizados para interrogar as propriedades de falha desses materiais. Os principais objetivos deste trabalho são explorar métodos e melhores práticas para testar com precisão as propriedades mecânicas dos materiais laminados UD e propor uma nova metodologia de teste para esses materiais. As melhores práticas para o envelhecimento de materiais laminados UD também são descritas neste trabalho.

A literatura contem diversos exemplos de testar as propriedades mecânicas de laminados do UD após as camadas múltiplas Hot-pressing em uma amostra dura^9,10,11. Para laminates compostos rígidos, ASTM D3039¹² pode ser usado; no entanto, neste estudo, o material é de aproximadamente 0,1 mm de espessura e não rígido. Alguns materiais laminados de UD são usados como precursores para fazer artigos protetores balísticos rígidos tais como capacetes ou placas balísticos-resistentes. Entretanto, a estratificação fina, flexível do UD pode igualmente ser usada para fazer a armadura de corpo^9,13.

O objetivo deste trabalho é desenvolver métodos para explorar o desempenho dos materiais em armadura macia, de modo que os métodos que envolvem prensagem a quente não foram explorados porque não são representativos da forma como o material é usado na armadura de corpo mole. A ASTM International tem vários padrões de método de teste relacionados a tiras de teste de tecido, incluindo o método de teste padrão ASTM D5034-09¹⁴ para a força de ruptura e alongamento de tecidos têxteis (teste de garra), teste padrão ASTM D5035-11¹⁵ Método para quebrar a força e o alongamento de telas têxteis (método da tira), ASTM D6775-13¹⁶ método padrão do teste para a força de ruptura e o alongamento do webbing, da fita e do material trançado de matéria têxtil, e da especificação padrão de ASTM D3950¹⁷ para Strapping, Nonmetallic (e métodos de junção). Estes padrões têm várias diferenças importantes em termos de apertos de teste utilizados e o tamanho da amostra, como mencionado abaixo.

Os métodos descritos em ASTM D5034-09¹⁴ e ASTM D5035-11¹⁵ são muito semelhantes e se concentram em testar tecidos padrão em vez de compósitos de alta resistência. Para os testes nestas duas normas, as faces da mandíbula dos apertos são lisas e planas, embora as modificações sejam permitidas para espécimes com uma tensão de falha maior que 100 N/cm para minimizar o papel da falha baseada em Stick-slip. As modificações sugeridas para impedir deslizar são acolchoar as maxilas, revestir a tela as maxilas, e modificar a cara da maxila. No caso deste estudo, o stress da falha do espécime é aproximadamente 1.000 N/cm, e assim, este estilo dos punhos conduz ao deslizamento excessivo da amostra. ASTM D6775-13¹⁶ e ASTM D3950¹⁷ destinam-se a materiais muito mais fortes, e ambos dependem de apertos de cabrestante. Assim, este estudo centrou-se no uso de apertos de cabrestante.

Além disso, o tamanho do espécime varia consideravelmente entre estas quatro normas ASTM. Os padrões de correias e cintas, ASTM D6775-13¹⁶ e ASTM D3950¹⁷, especificam para testar a largura total do material. ASTM D6775¹⁶ especifica uma largura máxima de 90 mm. Em contraste, os padrões de tecido^14,15 esperam que o espécime seja cortado transversalmente e especifique uma largura de 25 mm ou 50 mm. O comprimento total do espécime varia entre 40 cm e 305 cm, e o comprimento do calibre varia entre 75 milímetros e 250 milímetros através destes padrões de ASTM. Uma vez que as normas ASTM variam consideravelmente em relação ao tamanho da amostra, três larguras diferentes e três comprimentos diferentes foram considerados para este estudo.

A terminologia referente à preparação do espécime no protocolo é a seguinte: parafuso > precursor material > material > espécime, onde o termo Bolt refere-se a um rolo de UD laminado, material precursor refere-se a uma quantidade desenrolado de tecido UD ainda anexado ao parafuso, o material refere uma parte separada de estratificação do UD, e o espécime refere uma parte individual a ser testada.