Procedure di taglio, test delle tàbie e invecchiamento dei laminati compositi unidirezionali flessibili

Il National Institute of Standards and Technology (NIST) aiuta le forze dell’ordine e le agenzie di giustizia penale a garantire che le attrezzature che acquistano e le tecnologie che utilizzano siano sicure, affidabili e altamente efficaci, attraverso un programma di ricerca affrontare la stabilità a lungo termine delle fibre ad alta resistenza utilizzate nell’armatura del corpo. Il lavoro precedente^1,2si è concentrato sul guasto sul campo di un’armatura del corpo fatta dal materiale poli (p-fenylene-2,6-benzobisoxazole), o PBO, che ha portato a una revisione importante per il National Institute of Justice (NIJ) standard di armatura del corpo ^3.Dal rilascio di questo standard rivisto, è proseguito il lavoro presso il NIST per esaminare i meccanismi dell’invecchiamento in altre fibre di uso comune come il polietilene ultra-alto-molar (UHMMPE)⁴ e il poly(p-phenylene terephthalamide), o PPTA, comunemente noto come aramide. Tuttavia, tutto questo lavoro si è concentrato sull’invecchiamento dei filati e delle singole fibre, che è più rilevante per i tessuti tessuti. Tuttavia, molti modelli di armature incorporano laminati UD. Laminati UD sono costruiti con sottili strati di fibra (<0.05 mm) dove le fibre in ogni strato sono parallele tra loro^5,6,7 e l’armatura è costruita impilando i fogli sottili in orientamenti alternati, come descritto nella figura supplementare 1a. Questa progettazione si basa fortemente su una resina legante per tenere le fibre in ogni strato generalmente parallele, come si vede nella Figura supplementare 1b, e mantenere l’orientamento nominalmente 0/90 o dei tessuti impilati. Come i tessuti intrecciati, i laminati UD sono tipicamente costruiti con due principali varianti di fibra: aramide o UHMMPE. I laminati UD offrono diversi vantaggi ai progettisti di armature per il corpo: consentono un sistema di armatura con un peso inferiore rispetto a quelli che utilizzano tessuti tessuti (a causa della perdita di forza durante la tessitura), eliminano la necessità di una costruzione intrecciata e utilizzano fibre di diametro più piccolo per fornire prestazioni simili ai tessuti tessuti, ma a un peso inferiore. PPTA ha precedentemente dimostrato di essere resistente alla degradazione causata dalla temperatura e dall’umidità^1,2, ma il legante può svolgere un ruolo significativo nelle prestazioni del laminato UD. Pertanto, gli effetti complessivi dell’ambiente d’uso sull’armatura basata su PPTA sono sconosciuti⁸.

Ad oggi, solo un lavoro molto preliminare è stato eseguito per caratterizzare l’invecchiamento delle resine leganti utilizzate in questi laminati UD e gli effetti dell’invecchiamento del legante sulle prestazioni balistiche del laminato UD. Ad esempio, durante lo sviluppo del protocollo di condizionamento utilizzato in NIJ Standard-0101.06, i laminati UD hanno mostrato segni visivi di delaminazione e riduzioni nel V₅₀ dopo l’invecchiamento^1,2,8. Questi risultati dimostrano la necessità di una comprensione approfondita delle proprietà del materiale con l’invecchiamento, al fine di valutare le prestazioni strutturali a lungo termine del materiale. Questo, a sua volta, richiede lo sviluppo di metodi standardizzati per interrogare le proprietà di guasto di questi materiali. Gli obiettivi principali di questo lavoro sono esplorare metodi e best practice per testare con precisione le proprietà meccaniche dei materiali laminati UD e proporre una nuova metodologia di test per questi materiali. Le migliori pratiche per l’invecchiamento dei materiali laminati UD sono descritte anche in questo lavoro.

La letteratura contiene diversi esempi di test delle proprietà meccaniche dei laminati UD dopo aver premuto a caldo più strati in un campione duro^9,10,11. Per laminati compositi rigidi, è possibile utilizzare ASTM D3039^12; tuttavia, in questo studio, il materiale è spesso circa 0,1 mm e non rigido. Alcuni materiali laminati UD sono utilizzati come precursori per fare articoli protettivi balistici rigidi come caschi o piastre resistenti alla balistia. Tuttavia, il laminato UD sottile e flessibile può essere utilizzato anche per fare l’armatura del corpo^9,13.

L’obiettivo di questo lavoro è quello di sviluppare metodi per esplorare le prestazioni dei materiali in armatura morbida del corpo, in modo che i metodi che coinvolgono la pressatura a caldo non sono stati esplorati perché non sono rappresentativi del modo in cui il materiale viene utilizzato in armatura soft body. ASTM International ha diversi standard di test-metodo relativi a strisce di prova di tessuto, tra cui ASTM D5034-09¹⁴ Standard Test Method for Breaking Strength e Elongation of Textile Fabrics (Grab Test), ASTM D5035-11¹⁵ Standard Test Metodo per la rottura forza e l’allungamento dei tessuti tessili (metodo Strip), ASTM D6775-13¹⁶ Metodo di prova standard per la resistenza alla rottura e l’allungamento del tessuto, nastro e materiale intrecciato, e ASTM D3950¹⁷ Standard Specification per Metodi di reggiatura, non metallici (e metodi di giunzione). Questi standard presentano diverse differenze fondamentali in termini di impugnature di prova utilizzate e dimensioni del provino, come indicato di seguito.

I metodi descritti in ASTM D5034-09¹⁴ e ASTM D5035-11¹⁵ sono molto simili e si concentrano sul test di tessuti standard piuttosto che sui compositi ad alta resistenza. Per le prove in questi due standard, le facce della mandibola delle impugnature sono lisce e piatte, anche se sono consentite modifiche per i campioni con uno stress da guasto maggiore di 100 N/cm per ridurre al minimo il ruolo di guasto basato su bastone-slittamento. Le modifiche suggerite per evitare lo scivolamento sono di riempire le ganasce, rivestire il tessuto sotto le mascelle e modificare la faccia della mascella. Nel caso di questo studio, la sollecitazione di fallimento del campione è di circa 1.000 N/cm, e quindi, questo stile di impugnature si traduce in uno slittamento eccessivo del campione. ASTM D6775-13¹⁶ e ASTM D3950¹⁷ sono destinati a materiali molto più forti ed entrambi si basano su impugnature capstan. Così, questo studio si è concentrato sull’uso di impugnature capstan.

Inoltre, la dimensione del campione varia considerevolmente tra questi quattro standard ASTM. Gli standard di tessitura e reggiatura, ASTM D6775-13¹⁶ e ASTM D3950¹⁷, specificano di testare l’intera larghezza del materiale. ASTM D6775¹⁶ specifica una larghezza massima di 90 mm. Al contrario, gli standard del tessuto^14,15 si aspettano che il campione venga tagliato in modo larghezza e specificare una larghezza di 25 o 50 mm. La lunghezza complessiva del campione varia tra 40 cm e 305 cm, e la lunghezza del misuratore varia tra 75 mm e 250 mm attraverso questi standard ASTM. Poiché gli standard ASTM variano considerevolmente per quanto riguarda le dimensioni del campione, per questo studio sono state prese in considerazione tre larghezze diverse e tre lunghezze diverse.

La terminologia che si riferisce alla preparazione dei campioni nel protocollo è la seguente: bullone > materiale precursore > materiale > esemplare, dove il termine bullone si riferisce a un rotolo di laminato UD, il materiale si riferisce a una quantità non avvolta di tessuto UD ancora attaccata al bullone, il materiale si riferisce a un pezzo separato di laminato UD, e il campione si riferisce a un singolo pezzo da testare.