إجراءات القطع، اختبار الشد، وشيخوخة الرقائق المركبة أحادية الاتجاه المرنة

يساعد المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا وكالات إنفاذ القانون والعدالة الجنائية على ضمان أن تكون المعدات التي تشتريها والتكنولوجيات التي تستخدمها آمنة ويمكن الاعتماد عليها وفعالة للغاية، من خلال برنامج بحثي معالجة الاستقرار على المدى الطويل من الألياف عالية القوة المستخدمة في درع الجسم. وقد ركز العمل السابق^1،2على فشل ميداني من درع الجسم مصنوعة من مادة بولي (ف-فينيلين-2، 6-benzobisoxazole)، أو PBO، مما أدى إلى مراجعة رئيسية للمعهد الوطني للعدالة (NIJ) هيئة درع القياسية ³. منذ صدور هذا المعيار المنقح، استمر العمل في NIST لدراسة آليات الشيخوخة في الألياف الأخرى شائعة الاستخدام مثل البولي ايثيلين فائقة المولية الشامل (UHMMPE)⁴ وبولي (ف-فينيلين تيريفثالاميد)، أو PPTA، المعروف باسم الأراميد. ومع ذلك، ركزت كل هذا العمل على شيخوخة خيوط وألياف واحدة، والتي هي الأكثر صلة للأقمشة المنسوجة. ومع ذلك، العديد من تصاميم درع الجسم تتضمن صفح UD. يتم بناء رقائق UD من طبقات الألياف رقيقة (<0.05 مم) حيثالألياف في كل طبقة موازية لبعضها البعض 5،^6،7 ويتم بناء الدرع عن طريق التراص صفائح رقيقة في الاتجاهات بالتناوب، كما هو موضح في الشكل التكميلي 1a. يعتمد هذا التصميم بشكل كبير على الراتنج الموثق لعقد الألياف في كل طبقة موازية عموما، كما رأينا في الشكل التكميلي 1b،والحفاظ على اتجاه اسميا 0 درجة / 90 درجة من الأقمشة مكدسة. مثل الأقمشة المنسوجة، وعادة ما يتم بناء رقائق UD من اثنين من الاختلافات الألياف الرئيسية: الأراميد أو UHMMPE. توفر شرائح UD العديد من المزايا لمصممي الدروع الجسم: أنها تسمح لنظام درع أقل وزنا بالمقارنة مع تلك التي تستخدم الأقمشة المنسوجة (بسبب فقدان القوة أثناء النسيج)، والقضاء على الحاجة إلى البناء المنسوجة، واستخدام الألياف قطرها أصغر لتوفير أداء مماثل للأقمشة المنسوجة ولكن في وزن أقل. وقد ثبت سابقا PPTA أن تكون مقاومة للتدهور الناجم عن درجة الحرارة والرطوبة^1،2، ولكن الموثق قد تلعب دورا هاما في أداء صفح UD. وهكذا، فإن الآثار الإجمالية للبيئة استخدام على الدروع المستندة إلى PPTA غير معروفة⁸.

وحتى الآن، لم يتم القيام إلا بعمل أولي جداً لتوصيف شيخوخة راتنجات الموثق المستخدمة في هذه الرقائق UD وآثار الشيخوخة الموثق على الأداء الباليستي لصفح UD. على سبيل المثال، أثناء تطوير بروتوكول تكييف المستخدمة في NIJ Standard-0101.06، أظهرت شرائح UD علامات بصرية للتلاف والتخفيضات في V₅₀ بعد الشيخوخة^1،2،8. وتبين هذه النتائج الحاجة إلى فهم شامل للخصائص المادية مع الشيخوخة، من أجل تقييم الأداء الهيكلي الطويل الأجل للمواد. وهذا بدوره يتطلب وضع أساليب موحدة لاستجواب خصائص فشل هذه المواد. وتتمثل الأهداف الرئيسية لهذا العمل في استكشاف الأساليب وأفضل الممارسات لاختبار الخصائص الميكانيكية للمواد الخشبية UD بدقة واقتراح منهجية اختبار جديدة لهذه المواد. ويرد في هذا العمل أيضا ً وصف لأفضل الممارسات المتعلقة بالمواد الخشبية UD الشيخوخة.

يحتوي الأدب على عدة أمثلة لاختبار الخصائص الميكانيكية لشرائح UD بعد الضغط الساخن على طبقات متعددة في عينة الثابت^9،10،11. لرقائق مركب جامدة، ASTM D3039¹² يمكن استخدامها؛ ومع ذلك، في هذه الدراسة، والمواد هي ما يقرب من 0.1 ملم سميكة وغير جامدة. وتستخدم بعض المواد الخشبية UD كسلائف لصنع مواد واقية من المقذوفات جامدة مثل الخوذات أو لوحات مقاومة للقذائف التسيارية. ومع ذلك، يمكن أيضا أن تستخدم رقيقةومرنة صفح UD لجعل درع الجسم 9،^13.

الهدف من هذا العمل هو تطوير أساليب لاستكشاف أداء المواد في درع الجسم لينة، لذلك لم يتم استكشاف الأساليب التي تنطوي على الضغط الساخن لأنها لا تمثل الطريقة التي تستخدم المواد في درع الجسم لينة. ASTM الدولية لديها العديد من معايير طريقة الاختبار المتعلقة شرائط الاختبار من النسيج، بما في ذلك ASTM D5034-09¹⁴ طريقة الاختبار القياسية لكسر القوة واستطالة الأقمشة النسيجية (اختبار انتزاع)، ASTM D5035-11¹⁵ اختبار قياسي طريقة لكسر القوة واستطالة الأقمشة النسيجية (طريقة قطاع)، ASTM D6775-13¹⁶ طريقة الاختبار القياسية لكسر القوة واستطالة النسيج حزام، الشريط والمواد مضفر، وASTM D3950¹⁷ المواصفات القياسية للمواصفات القياسية ل الربط، غير المعدنية (وطرق الانضمام). هذه المعايير لديها العديد من الاختلافات الرئيسية من حيث قبضة الاختبار المستخدمة وحجم العينة، كما هو مذكور أدناه.

الطرق الموصوفة في ASTM D5034-09¹⁴ وASTM D5035-11¹⁵ متشابهة جدا وتركز على اختبار الأقمشة القياسية بدلا من المواد المركبة عالية القوة. بالنسبة للاختبارات في هذين المعيارين، تكون وجوه الفك من القبضات ناعمة ومسطحة، على الرغم من أنه يسمح بإجراء تعديلات على العينات التي يزيد فيها ضغط الفشل عن 100 N/cm لتقليل دور الفشل القائم على الانزلاق. التعديلات المقترحة لمنع الانزلاق هي لسادة الفكين، ومعطف النسيج تحت الفكين، وتعديل وجه الفك. في حالة هذه الدراسة، والإجهاد فشل العينة هو ما يقرب من 1000 N / سم، وبالتالي، فإن هذا النمط من القبضات يؤدي إلى انزلاق عينة مفرطة. ASTM D6775-13¹⁶ وASTM D3950¹⁷ تهدف إلى مواد أقوى بكثير، وكلاهما يعتمد على قبضة كابستان. وهكذا، ركزت هذه الدراسة على استخدام قبضة كابستان.

وعلاوة على ذلك، فإن حجم العينة يختلف اختلافا كبيرا بين هذه المعايير الأربعة ASTM. معايير حزام والربط، ASTM D6775-13¹⁶ وASTM D3950^17،حدد لاختبار العرض الكامل للمواد. ASTM D6775¹⁶ يحدد أقصى عرض من 90 ملم. وعلى النقيض من ذلك، فإن معايير النسيج^14،15 تتوقع أن يتم قطع العينة widthwise وتحديد إما عرض 25 ملم أو 50 ملم. يتراوح الطول الإجمالي للعينة بين 40 سم و 305 سم، ويتراوح طول المقياس بين 75 مم و250 مم عبر معايير ASTM هذه. وبما أن معايير ASTM تختلف اختلافا ً كبيراً فيما يتعلق بحجم العينة، فقد تم النظر في ثلاثة عروض مختلفة وثلاثة أطوال مختلفة لهذه الدراسة.

المصطلحات التي تشير إلى إعداد العينة في البروتوكول هي كما يلي: الترباس > المواد السليفة > المواد > عينة، حيث يشير مصطلح الترباس إلى لفة من صفح UD، المواد السلائف يشير إلى كمية غير مجروحة من النسيج UD لا تزال تعلق إلى الترباس، والمواد يشير إلى قطعة منفصلة من صفح UD، وعينة يشير إلى قطعة فردية لاختبارها.