柔性单向复合层压板的切割程序、拉伸测试和老化
Summary
研究的目的是开发方案,以制备一致的样品,以便对高强度芳纶或超高摩尔-质量聚乙烯基柔性单向复合层压材料进行精确的机械测试,并描述对这些材料进行人工老化的协议。
Abstract
许多车身盔甲设计都采用了单向 (UD) 层压板。UD 层压板由薄(<0.05 mm)的高性能纱线层制成,每层中的纱线彼此平行,并使用粘合剂树脂和薄聚合物薄膜保持到位。盔甲是通过以不同方向堆叠单向层来构造的。迄今为止,只进行了非常初步的工作,以描述单向层压板中使用的粘合剂树脂的老化及其对性能的影响。例如,在开发国家司法标准-0101.06中使用的调节协议时,UD层压板显示出V50的分层和减少的视觉迹象,即一半弹丸的速度预期在老化后穿孔盔甲。为了理解由这些材料构造的盔甲的长期性能,必须更好地了解 UD 层压板中的材料特性变化。对于机械查询单向 (UD) 层压材料,目前没有建议的标准。本研究探讨了准确测试这些材料的机械性能的方法和最佳实践,并提出了针对这些材料的新测试方法。还介绍了这些材料老化的最佳做法。
Introduction
国家标准与技术研究所 (NIST) 通过研究计划帮助执法和刑事司法机构确保他们购买的设备及其使用的技术安全、可靠且高效解决防弹衣中使用的高强度纤维的长期稳定性问题。先前的工作1,2侧重于由材料聚苯乙烯(p-phen-2,6-苯甲酰胺)或PBO制成的防弹衣的场故障,这导致对国家司法研究所(NIJ)的防弹衣标准进行了重大修订。3.自本修订标准发布以来,NIST继续研究其他常用纤维的老化机制,如超高摩尔-大质量聚乙烯(UHMMPE)4和聚苯乙烯对苯甲酰胺,或PPTA,俗称芳纶。然而,所有这些工作都集中在纱线和单纤维的老化上,这与梭织织物最相关。然而,许多防弹衣设计都采用了UD层压板。UD 层压板由薄纤维层(<0.05 mm)构成,每层中的纤维彼此平行5、6、7,盔甲通过以交替方向堆叠薄片来构造,如补充图 1a所示。此设计严重依赖粘合剂树脂来保持每层中一般平行的纤维,如图1b所示,并保持堆叠织物的名义 0°/90° 方向。与梭织织物一样,UD 层压板通常由两种主要纤维变化构成:芳纶或 UHMMPE。UD 层压板为防弹衣设计师提供了几个优势:与使用梭织织物的护甲相比,它们允许采用重量较低的盔甲系统(由于织造过程中的强度损失),无需编织结构,并采用直径较小的纤维提供与梭织织物类似的性能,但重量较低。PPTA先前已被证明能抵抗温度和湿度1,2引起的降解,但粘合剂在UD层压板的性能中可能起着重要作用。因此,使用环境对基于PPTA的盔甲的总体影响是未知的8。
迄今为止,只进行了非常初步的工作来描述这些UD层压板中使用的粘合剂树脂的老化以及粘结机老化对UD层压板的弹道性能的影响。例如,在开发NIJ标准-0101.06中使用的调理协议时,UD层压板在老化1、2、8后出现脱压和V50的减震迹象。这些结果表明,需要全面了解老化时的材料特性,以便评估材料的长期结构性能。这反过来又需要开发标准化的方法来询问这些材料的失效特性。这项工作的主要目标是探索准确测试UD层压材料机械性能的方法和最佳做法,并为这些材料提出新的测试方法。本文还介绍了老化 UD 层压材料的最佳做法。
文献包含几个例子,测试UD层压板的机械性能后热压多层到硬样品9,10,11。对于刚性复合层压板,可以使用 ASTM D303912;然而,在这项研究中,材料大约是0.1毫米厚,而不是刚性。一些UD层压材料被用作前体,以制造坚硬的防弹物品,如头盔或防弹板。然而,薄,灵活的UD层压板也可以用来使防弹9,13。
这项工作的目的是开发探索软体盔甲材料性能的方法,因此没有探索热压的方法,因为它们不能代表软体盔甲中材料的使用方式。ASTM国际拥有多项与织物测试条相关的测试方法标准,包括ASTM D5034-0914纺织织物断裂强度和伸长标准测试方法(Grab测试)、ASTM D5035-1115标准测试纺织织物的断裂力和伸长法(条纹法)、ASTM D6775-1316纺织织布、胶带和编织材料断裂强度和伸长的标准测试方法,以及 ASTM D395017标准规范捆扎、非金属(和连接方法)。这些标准在所使用的测试夹具和试样尺寸方面有几个关键差异,如下所述。
ASTM D5034-0914和 ASTM D5035-1115中描述的方法非常相似,侧重于测试标准织物,而不是高强度复合材料。对于这两个标准的测试,夹具的下颚面是光滑和平坦的,尽管允许对故障应力大于 100 N/cm 的试样进行修改,以尽量减少基于斗杆滑移故障的作用。建议的修改,以防止滑倒是垫下颚,覆盖下颚下的织物,并修改下颚面。在本研究中,试样失效应力约为 1,000 N/cm,因此,这种抓地力会导致样品滑移过多。ASTM D6775-1316和 ASTM D395017适用于更坚固的材料,并且都依赖于卡斯坦夹具。因此,本研究侧重于卡斯坦夹具的使用。
此外,这四个 ASTM 标准中的试样尺寸差异很大。织带和捆扎标准 ASTM D6775-1316和 ASTM D395017指定用于测试材料的全宽度。ASTM D677516指定最大宽度为 90 mm。相比之下,织物标准14,15期望试样切割宽度,并指定25毫米或50毫米的宽度。试样的总长度在 40 厘米到 305 厘米之间,根据 ASTM 标准,仪表长度在 75 mm 和 250 mm 之间变化。由于ASTM标准在试样尺寸方面差异很大,因此本研究考虑了三种不同的宽度和三种不同的长度。
议定书中提及试样制备的术语如下:螺栓>前体材料>材料>试样,其中术语螺栓指UD层压板卷,前体材料是指仍然附着的UD织物的未缠绕量在螺栓上,材料是指一块分离的UD层压板,试样是指要测试的单个件。
Protocol
Representative Results
Discussion
正确确定光纤方向至关重要。协议步骤 1.4_1.6 中描述的方法的优点是,完全控制了用于启动分离过程的光纤数量。但是,这并不意味着对最终分隔区域的宽度有完全的控制,因为纤维不是完全平行的,可以相互交叉。在分离一批纤维的过程中,由于这种交叉,与分离的纤维相邻的纤维也会被分离。因此,为了获得光纤方向的真实读数,还必须去除松散的相邻纤维,直到有一个没有突出纤维的清洁边缘。
<p cl…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
作者要感谢斯图尔特·利·菲尼克斯的有益讨论,迈克·莱利协助机械测试设置,霍尼韦尔捐赠一些材料。艾米·恩格尔布雷希特-威根斯的资金由赠款70NANB17H337提供。阿贾伊·克里希纳穆尔蒂的资金由赠款70NANB15H272提供。阿曼达·福斯特的资金由国防部通过机构间协议R17-643-0013提供。
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 |
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