柔軟な単方向複合ラミネートの切断手順、引張試験、およびエージング

国立標準技術研究所(NIST)は、法執行機関や刑事司法機関が、購入した機器と使用する技術が、研究プログラムを通じて安全で信頼性が高く、非常に効果的であることを保証するのに役立ちます。ボディアーマーに使用される高強度繊維の長期的な安定性に対処します。前作1、2は、材料ポリ(p-フェニレン-2,6-ベンゾビソキサゾール)またはPBOから作られたボディアーマーのフィールド故障に焦点を当てており、これは国立司法研究所(NIJ)のボディアーマー規格に大きな改訂をもたらした。^3.この改訂基準のリリース以来、NISTでは、超高モル質量ポリエチレン(UHMMPE)4およびポリ(p-フェニレンテレフタルアミド)、またはPPTAなどの他の一般的に使用される繊維の老化のメカニズムを調べる作業が続いています。一般的にアラミドとして知られています。しかし、この作業のすべては、織物に最も関連する糸と単繊維の老化に焦点を当てています。しかし、多くのボディアーマーデザインにはUDラミネートが組み込まれています。UDラミネートは、各層の繊維が互いに平行である薄い繊維層(<0.05 mm)で構成され、装甲は、交互の向きで薄いシートを積み重ねることによって構築され、補足図 1aに示すように。この設計は、補足図1bに見られるように、各層の繊維を一般的に平行に保持し、積み重ねられた生地の名目上0°/90°の向きを維持するためにバインダー樹脂に大きく依存しています。織物と同様に、UDラミネートは通常、アラミドまたはUHMMPEの2つの主要な繊維バリエーションから構成されています。UDラミネートは、ボディアーマーデザイナーにいくつかの利点を提供します:彼らは織物を使用するものに比べて低い重量の装甲システムを可能にします(織り中の強度損失による)、織物の構造の必要性を排除し、より小さな直径の繊維を利用します織物と同様の性能を提供するが、より低い重量で。PPTAは、以前に温度および湿度1、2によって引き起こされる劣化に対して耐性があることが示されているが、バインダーはUDラミネートの性能において重要な役割を果たしうる。したがって、PPTAベースの装甲に対する使用環境の全体的な影響は不明8.

現在までに、これらのUDラミネートに使用されるバインダー樹脂の老化と、UDラミネートの弾道性能に対するバインダー老化の影響を特徴付ける非常に予備的な作業のみが行われている。例えば、NIJ Standard-0101.06で使用されるコンディショニングプロトコルの開発中に、UDラミネートは1、2、8の老化後のV50におけるデラミネーションおよび減少の視覚的徴候を示した。 これらの結果は、材料の長期的な構造性能を評価するために、加齢に伴う材料特性を徹底的に理解する必要性を示しています。これは、順番に、これらの材料の故障特性を調知るための標準化された方法の開発を必要とする。この研究の主な目的は、UDラミネート材料の機械的特性を正確にテストするための方法とベストプラクティスを探求し、これらの材料の新しい試験方法論を提案することです。UDラミネート材料のエージングに関するベストプラクティスもこの研究で説明されています。

文献には、複数の層をハードサンプル9、10、11にホットプレスした後のUDラミネートの機械的特性をテストするいくつかの例が含まれています。堅い合成積層体のために、ASTM D3039¹²は使用することができる;しかし、この研究では、材料は約0.1ミリメートルの厚さと剛性ではありません。一部のUDラミネート材料は、ヘルメットや弾道抵抗力のあるプレートなどの硬質弾道保護物品を作るための前駆体として使用されています。しかし、薄く、柔軟なUDラミネートは、ボディアーマー9、13を作るためにも使用することができます。

本研究の目的は、柔らかいボディアーマーで材料の性能を探索する方法を開発することにあるので、ホットプレスを含む方法は、柔らかいボディアーマーでの材料の使用方法を代表していないため、探索されませんでした。ASTMインターナショナルは、繊維織物の強度と伸びを破壊するためのASTM D5034-09¹⁴標準試験方法(グラブテスト)、ASTM D5035-11¹⁵標準試験など、ファブリックのテストストリップに関するいくつかの試験方法基準を有しています。繊維織物の破断力と伸びの方法(ストリップ法)、繊維ウェビング、テープおよび編組材の強度と伸びを破壊するためのASTM D6775-13¹⁶標準試験方法、およびASTM D3950¹⁷標準仕様ストラップ、非金属(および接合方法)。これらの規格は、以下に述べたように、使用される試験グリップと試料サイズの点でいくつかの重要な違いがあります。

ASTM D5034-09¹⁴およびASTM D5035-11¹⁵に記載されている方法は非常によく似ており、高強度複合材料ではなく標準ファブリックのテストに焦点を当てています。これらの2つの標準のテストでは、グリップの顎の顔は滑らかで平坦ですが、スティックスリップベースの故障の役割を最小限に抑えるために100 N/cmを超える故障応力を持つ標本に対して修正が可能です。滑りを防ぐための推奨される変更は、顎をパッドし、顎の下に生地を塗り、顎の顔を修正することです。この研究の場合、試料故障応力は約1,000N/cmであるため、このグリップスタイルは過剰なサンプルスリッページをもたらします。ASTM D6775-13¹⁶およびASTM D3950¹⁷ははるかに強い材料のために意図され、両方ともキャプスタングリップに依存している。したがって、本研究は、キャプスタングリップの使用に焦点を当てた。

また、試料サイズはこれら4つのASTM規格の中で大きく異なる。ウェビングおよびストラップ規格、ASTM D6775-13¹⁶およびASTM D3950¹⁷は、材料の全幅をテストするように指定します。ASTM D6775¹⁶は、90 mm の最大幅を指定します。対照的に、生地規格14、15は、試料が幅を広く切断され、25mmまたは50mm幅のいずれかを指定することを期待する。標本の全長は40 cmと305 cmの間で変わり、ゲージの長はこれらのASTMの標準間で75のmmから250のmmの間で変わる。ASTM規格は標本の大きさによって大きく異なるため、3つの異なる幅と3つの異なる長さが検討されました。

プロトコルにおける試料調製物を指す用語は以下の通りです:ボルト>前駆体材料>材料>標本は、ボルトという用語はUDラミネートのロールを指し、前駆体材料は、まだ取り付けられたUD生地の巻き戻し量を指します。ボルトに、材料はUDラミネートの分離片を指し、標本はテストされる個々の部分を指します。