Procédures de coupe, essais tensiles et vieillissement des stratifiés composites unidirectionnels flexibles

Le National Institute of Standards and Technology (NIST) aide les organismes d’application de la loi et de justice pénale à s’assurer que l’équipement qu’ils achètent et les technologies qu’ils utilisent sont sécuritaires, fiables et très efficaces grâce à un programme de recherche. la stabilité à long terme des fibres à haute résistance utilisées dans les gilets pare-balles. Le travail antérieur^1,2a porté sur l’échec sur le terrain d’une armure de corps faite à partir du matériel poly (p-phénylène-2,6-benzobisoxazole), ou DPB, qui a conduit à une révision majeure de la norme de l’Institut national de la justice (NIJ) armure de corps ³. Depuis la publication de cette norme révisée, les travaux se sont poursuivis au NIST pour examiner les mécanismes du vieillissement dans d’autres fibres couramment utilisées telles que le polyéthylène à très haute masse molaire (UHMMPE)⁴ et le poly (p-phénylène terephthalamide), ou PPTA, communément connu sous le nom d’aramide. Cependant, tout ce travail a porté sur le vieillissement des fils et des fibres simples, ce qui est le plus pertinent pour les tissus tissés. Cependant, de nombreux modèles d’armures incorporent des stratifiés UD. Les stratifiés UD sont construits à partir de couches de fibres minces (lt;0,05 mm) où les fibres de chaque couche sont parallèles les unes aux autres^5,6,7 et l’armure est construite en empilant les feuilles minces en alternance, comme indiqué dans la figure 1a supplémentaire. Cette conception repose fortement sur une résine de liant pour maintenir les fibres dans chaque couche généralement parallèle, comme on le voit dans la figure 1b supplémentaire, et maintenir l’orientation nominalement 0 /90 degrés des tissus empilés. Comme les tissus tissés, les stratifiés UD sont généralement construits à partir de deux grandes variations de fibres : l’aramide ou l’UHMMPE. Les stratifiés UD offrent plusieurs avantages aux concepteurs d’armures de corps : ils permettent un système d’armure de poids inférieur comparé à ceux utilisant des tissus tissés (en raison de la perte de force pendant le tissage), éliminent le besoin de construction tissée, et utilisent des fibres de plus petit diamètre pour fournir une performance similaire aux tissus tissés, mais à un poids inférieur. Il a déjà été démontré que le PPTA était résistant à la dégradation causée par la température et l’humidité^1,2, mais le liant peut jouer un rôle important dans la performance du stratifié UD. Ainsi, les effets globaux de l’environnement d’utilisation sur l’armure basée sur PPTA sont inconnus⁸.

À ce jour, seuls des travaux très préliminaires ont été effectués pour caractériser le vieillissement des résines de liant utilisées dans ces stratifiés UD et les effets du vieillissement de liant sur la performance balistique du stratifié UD. Par exemple, lors de l’élaboration du protocole de conditionnement utilisé dans NIJ Standard-0101.06, les stratifiés UD ont montré des signes visuels de délamination et de réductions en V₅₀ après le vieillissement^1,2,8. Ces résultats démontrent la nécessité d’une compréhension approfondie des propriétés matérielles avec le vieillissement, afin d’évaluer la performance structurelle à long terme du matériau. Cela, à son tour, nécessite le développement de méthodes normalisées pour interroger les propriétés de défaillance de ces matériaux. Les principaux objectifs de ces travaux sont d’explorer les méthodes et les meilleures pratiques pour tester avec précision les propriétés mécaniques des matériaux stratifiés UD et de proposer une nouvelle méthodologie d’essai pour ces matériaux. Les meilleures pratiques pour le vieillissement des matériaux stratifiés UD sont également décrites dans ce travail.

La littérature contient plusieurs exemples d’essai des propriétés mécaniques des stratifiés d’UD après avoir pressé à chaud plusieurs couches dans un échantillon dur^9,10,11. Pour les stratifiés composites rigides, ASTM D3039¹² peut être utilisé; cependant, dans cette étude, le matériau est d’environ 0,1 mm d’épaisseur et non rigide. Certains matériaux stratifiés UD sont utilisés comme précurseurs pour fabriquer des articles de protection balistique rigides tels que des casques ou des plaques résistantes à la balistique. Cependant, le stratifié UD mince et flexible peut également être utilisé pour faire des gilets pare-balles^9,13.

L’objectif de ce travail est de développer des méthodes pour explorer la performance des matériaux en armure souple, de sorte que les méthodes impliquant pressage à chaud n’ont pas été explorés parce qu’ils ne sont pas représentatifs de la façon dont le matériel est utilisé dans l’armure douce. ASTM International a plusieurs normes de méthode d’essai relatives aux bandes de tissu d’essai, y compris ASTM D5034-09¹⁴ Méthode d’essai standard pour la résistance de rupture et l’allongement des tissus textiles (test de capture), ASTM D5035-11¹⁵ Test standard Méthode pour briser la force et l’allongement des tissus textiles (méthode de bande), ASTM D6775-13¹⁶ Méthode d’essai standard pour briser la force et l’allongement de la sangle textile, du ruban adhésif et du matériau tressé, et ASTM D3950¹⁷ Spécification standard pour Strapping, Nonmetallic (et Méthodes d’assemblage). Ces normes comportent plusieurs différences importantes en ce qui concerne les poignées d’essai utilisées et la taille des spécimens, comme mentionné ci-dessous.

Les méthodes décrites dans ASTM D5034-09¹⁴ et ASTM D5035-11¹⁵ sont très similaires et se concentrent sur l’essai de tissus standard plutôt que de composites à haute résistance. Pour les tests effectués dans ces deux normes, les faces de la mâchoire des poignées sont lisses et plates, bien que des modifications soient autorisées pour les spécimens dont le stress de défaillance est supérieur à 100 N/cm afin de minimiser le rôle de l’échec à base de glissement de bâton. Les modifications suggérées pour éviter les glissades sont de tamponner les mâchoires, enrober le tissu sous les mâchoires, et modifier le visage de la mâchoire. Dans le cas de cette étude, le stress d’échec de l’échantillon est d’environ 1 000 N/cm, et donc, ce type de poignées entraîne un glissement excessif de l’échantillon. ASTM D6775-13¹⁶ et ASTM D3950¹⁷ sont destinés à des matériaux beaucoup plus solides, et les deux s’appuient sur des poignées capstan. Ainsi, cette étude s’est concentrée sur l’utilisation des poignées de capstan.

De plus, la taille des spécimens varie considérablement d’une norme ASTM à l’autre. Les normes de sangle et de sangle, ASTM D6775-13¹⁶ et ASTM D3950¹⁷, spécifient pour tester toute la largeur du matériau. ASTM D6775¹⁶ spécifie une largeur maximale de 90 mm. En revanche, les normes de tissu^14,15 s’attendent à ce que le spécimen soit coupé dans le sens de la largeur et spécifient soit une largeur de 25 mm ou 50 mm. La longueur globale du spécimen varie entre 40 cm et 305 cm, et la longueur de la jauge varie entre 75 mm et 250 mm selon ces normes ASTM. Étant donné que les normes ASTM varient considérablement en ce qui concerne la taille des spécimens, trois largeurs et trois longueurs différentes ont été prises en considération pour cette étude.

La terminologie se référant à la préparation des spécimens dans le protocole est la suivante: boulon ‘gt; matériel précurseur ‘gt; matériel ‘gt; spécimen, où le terme boulon se réfère à un rouleau de stratifié UD, matériau précurseur se réfère à une quantité non enroulée de tissu UD encore attaché au boulon, le matériau se réfère à un morceau séparé de stratifié UD, et le spécimen se réfère à une pièce individuelle à tester.