Skæring procedurer, trækprøvning, og aldring af fleksible ensrettede komposit laminater

National Institute of Standards and Technology (NIST) hjælper retshåndhævende og strafferetlige agenturer sikre, at det udstyr, de køber, og de teknologier, de bruger, er sikre, pålidelige og yderst effektive, gennem et forskningsprogram tackle den langsigtede stabilitet af høj styrke fibre, der anvendes i kroppen rustning. Tidligere arbejde^1,2har fokuseret på felt svigt af en krop rustning fremstillet af materialet poly (p-phenylen-2, 6-benzobisoxazol), eller PBO, som førte til en større revision til National Institute of Justice ‘s (nij’s) Body Armor standard ³. siden udgivelsen af denne reviderede standard er arbejdet fortsat hos NIST for at undersøge mekanismerne til aldring i andre almindeligt anvendte fibre såsom ultra-high-Molar-Mass polyethylen (UHMMPE)⁴ og poly (p-phenylen terephthalamid) eller ppta, almindeligt kendt som aramid. Men alt dette arbejde har fokuseret på aldring af garn og enkeltfibre, som er mest relevant for vævet stof. Men, mange krop panser designs indarbejde UD laminater. UD laminater er konstrueret af tynde fiber lag (< 0,05 mm), hvor fibrene i hvert lag er parallelle med hinanden^5,6,7 og Rustningen er konstrueret ved stabling af tynde ark i vekslende retninger, som beskrevet i supplerende figur 1a. Dette design er stærkt afhængig af en bindemiddel harpiks til at holde fibrene i hvert lag generelt parallel, som det ses i supplerende figur 1b, og opretholde nominelt 0 °/90 ° orientering af de stablede stoffer. Ligesom vævet stof, UD laminater er typisk konstrueret ud af to store fiber variationer: aramid eller UHMMPE. UD laminater giver flere fordele til kroppen rustning designere: de giver mulighed for en lavere vægt panser system i forhold til dem, der bruger vævet stof (på grund af styrke tab under vævning), eliminere behovet for vævet konstruktion, og udnytte mindre diameter fibre at give en lignende ydeevne til vævet stof, men med en lavere vægt. Ppta har tidligere vist sig at være modstandsdygtig over for nedbrydning forårsaget af temperatur og fugtighed^1,2, men bindemidlet kan spille en væsentlig rolle i udførelsen af ud laminat. Således, de samlede virkninger af brugen miljøet på PPTA-baserede rustning er ukendt⁸.

Til dato, kun meget indledende arbejde er blevet udført for at karakterisere aldringen af bindemiddel harpiks anvendes i disse UD laminater og virkningerne af bindemiddel ældning på ballistiske præstationer af UD laminat. For eksempel, under udviklingen af konditionerings protokollen anvendes i NIJ standard-0101,06, ud laminater viste visuelle tegn på delaminering og reduktioner i V₅₀ efter aldring^1,2,8. Disse resultater viser behovet for en grundig forståelse af de materielle egenskaber med aldring med henblik på at evaluere materialets langsigtede strukturelle præstation. Dette, til gengæld, nødvendiggør udvikling af standardiserede metoder til at afhøre de svigt egenskaber af disse materialer. De primære mål for dette arbejde er at udforske metoder og bedste praksis for præcist at teste de mekaniske egenskaber af UD laminat materialer og til at foreslå en ny test metodologi for disse materialer. Bedste praksis for aldring UD laminat materialer er også beskrevet i dette arbejde.

Litteraturen indeholder flere eksempler på afprøvning af de mekaniske egenskaber af ud laminater efter varmpresning af flere lag i en hård prøve^9,10,11. For stive komposit laminater kan ASTM D3039¹² anvendes; men i denne undersøgelse, materialet er ca. 0,1 mm tyk og ikke stiv. Nogle UD laminat materialer bruges som prækursorer til at gøre stive ballistiske beskyttende artikler såsom hjelme eller ballistiske-resistente plader. Men den tynde, fleksible ud laminat kan også bruges til at gøre kroppen rustning^9,13.

Formålet med dette arbejde er at udvikle metoder til at udforske udførelsen af materialer i bløde krop rustning, så metoder, der involverer varmpresning blev ikke udforsket, fordi de ikke er repræsentative for den måde, materialet bruges i bløde krop rustning. ASTM International har flere test-metode standarder vedrørende afprøvning strimler af stof, herunder ASTM D5034-09¹⁴ standard testmetode til brudstyrke og forlængelse af tekstilstoffer (grab test), ASTM D5035-11¹⁵ standard test Metode til at Brydekraft og forlængelse af tekstilstoffer (Strip metode), ASTM D6775-13¹⁶ standard test metode til brudstyrke og forlængelse af tekstil-webbing, tape og flettet materiale, og ASTM D3950¹⁷ standard specifikation for Strapping, ikke-metalliske (og fælles metoder). Disse standarder har flere væsentlige forskelle med hensyn til de anvendte test greb og Prøvestørrelsen som nævnt nedenfor.

Metoderne beskrevet i ASTM D5034-09¹⁴ og ASTM D5035-11¹⁵ er meget ens og fokuserer på test af standard stoffer i stedet for højstyrke kompositter. For testene i disse to standarder, kæben ansigter af greb er glatte og flade, selv om ændringer er tilladt for enheder med en fejl stress større end 100 N/cm for at minimere rollen som stick-slip-baseret fiasko. Foreslåede ændringer for at forhindre glider er at pad kæberne, pels stoffet under kæberne, og ændre kæbe ansigtet. I tilfælde af denne undersøgelse, prøven svigt stress er ca. 1.000 N/cm, og dermed, denne stil af håndtag resulterer i overdreven prøve glidning. ASTM D6775-13¹⁶ og ASTM D3950¹⁷ er beregnet til meget stærkere materialer, og begge stole på capstan håndtag. Denne undersøgelse fokuserede således på brugen af capstan-greb.

Desuden varierer Prøvestørrelsen betydeligt mellem disse fire ASTM-standarder. Standarderne for gjord og strapping, ASTM D6775-13¹⁶ og ASTM D3950¹⁷, angiver, at materialets fulde bredde skal testes. ASTM D6775¹⁶ angiver en maksimal bredde på 90 mm. I modsætning hertil, stof standarder^14,15 forventer, at prøven skal skæres på midten og angive enten en 25 mm eller 50 mm bredde. Prøvens samlede længde varierer mellem 40 cm og 305 cm, og måler længden varierer mellem 75 mm og 250 mm på tværs af disse ASTM-standarder. Da ASTM-standarderne varierer betydeligt med hensyn til prøvestørrelse, blev der taget hensyn til tre forskellige bredder og tre forskellige længder for denne undersøgelse.

Den terminologi, der henviser til præparat forberedelse i protokollen, er som følger: bolt > forløber materiale > materiale > prøve, hvor udtrykket bolt refererer til en rulle af UD laminat, forløber materiale refererer til en usåret mængde UD stof stadig vedhæftet til Bolt, materiale refererer til et adskilt stykke af UD laminat, og prøve refererer til en individuel brik, der skal testes.