Summary

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

Published: April 27, 2019
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Summary

本研究の目的は、高強度アラミドまたは超高モル質量ポリエチレンベースの柔軟な単方向複合ラミネート材料の正確な機械的試験のための一貫した標本を準備するためのプロトコルを開発し、記述することであったこれらの材料の人工老化を行うためのプロトコル。

Abstract

多くのボディアーマーデザインには、単方向(UD)ラミネートが組み込まれています。UDラミネートは、各層の糸が互いに平行に配向し、バインダー樹脂と薄いポリマーフィルムを使用して所定の位置に保持されている高性能糸の薄い(<0.05 mm)層で構成されています。鎧は、異なる方向に単方向層を積み重ねることによって構築されます。現在までに、単方向ラミネートで使用されるバインダー樹脂の老化と性能へ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きました。例えば、国立司法標準-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、発射物の半分の速度であるV50の減少と減少の視覚的徴候を示した老化後、鎧を穿穿くと予想されます。これらの材料から構築された鎧の長期的な性能を理解するためには、UDラミネートの材料特性の変化をより深く理解する必要があります。機械的に単方向(UD)積層材料を尋問するために推奨される現在の基準はありません。本研究では、これらの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。これらの材料を老化するためのベストプラクティスも記載されています。

Introduction

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。

Protocol

1. ロール軸に対して垂直に切断される反り方向標本の切断手順 テストする単方向材料のボルトを識別します。注:ここで使用される材料が織られていないため、伝統的な織物の意味でワープ(ロールの軸に垂直な方向を記述するために使用される)と横糸(ロールの軸に平行な方向を記述するために使用されます)はありませんが、これらの用語は借用されています。r の明快さ。 <l…

Representative Results

いくつかの異なる変数を調査するために、切断とテストの多くの反復が行われました。調べたいくつかの変数には、切断技術と切断器具、試験速度、試料寸法、グリップが含まれます。重要な発見の1つは、試料を繊維方向に合わせることの重要性でした。データ分析手順(一貫性解析、ワイブル技術、外れ値判定など)については、高齢化に関する考慮事項として以下?…

Discussion

繊維方向の適切な決定が重要です。プロトコルの手順 1.4 ~ 1.6 で説明する方法の利点は、分離プロセスを開始するために使用されるファイバの数を完全に制御できることです。ただし、これは、ファイバが完全に平行ではなく、互いに交差する可能性があるので、最終的に分離された領域の幅を完全に制御できることを意味するものではありません。繊維の1つのバッチを分離する過程で、頻?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

著者たちは、スチュアート・リー・フェニックスが彼の有益な議論、マイク・ライリーが機械試験のセットアップを支援したことを認め、ハネウェルが材料の一部を寄付したことを認めたいと思います。エイミー・エンゲルブレヒト・ウィガンズの助成金70NANB17H337の下で提供されました。アジャイ・クリシュナムルティの資金は、70NANB15H272の助成金の下で提供されました。アマンダL.フォスターのための資金は、省庁間協定R17-643-0013を通じて国防総省から提供されました。

Materials

Capstan Grips Universal grip company 20kN wrap grips Capstan grips used in testing
Ceramic knife Slice 10558
Ceramic precision blade Slice 00116
Clamp Irwin quick grip mini bar clamp
Confocal Microscope
Cutting Mat Rotatrim  A0 metric self healing cutting mat
Denton Desktop sputter coater  sputter coater
FEI Helios 660 Dual Beam FIB/SEM FEI Helios Scanning electron microscope
Motorized rotary cutter Chickadee
Rotary Cutter Fiskars 49255A84
Stereo Microscope National DC4-456H
Straight edge McMaster Carr 1935A74
Surgical Scalpel Blade Sklar Instruments
Surgical Scalpel Handle Swann Morton
Universal Test Machine Instron 4482 Universal test machine
Utility knife Stanley 99E

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Cite This Article
Engelbrecht-Wiggans, A., Krishnamurthy, A., Burni, F., Osborn, W., Forster, A. L. Cutting Procedures, Tensile Testing, and Ageing of Flexible Unidirectional Composite Laminates. J. Vis. Exp. (146), e58991, doi:10.3791/58991 (2019).

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