本研究的目的是开发制备高强芳纶或超高摩尔质量聚乙烯基柔性单向复合材料层压板试样的标准化方案，以实现准确的力学性能测试，并描述对这些材料进行人工老化的实验方案。
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本文内容
摘要
摘要
许多防弹衣设计都采用了单向（UD）层压板。UD层压板由薄的（<0.05 mm）的高性能纱线层构成，每一层中的纱线相互平行排列，并通过粘合树脂和薄聚合物膜固定。防弹装甲通过将这些单向排列的层以不同取向堆叠而成。迄今为止，针对单向层压板中所用粘合树脂的老化特性及其对性能影响的研究仍处于非常初步的阶段。例如，在美国国家司法研究所标准-0101.06所采用的 conditioning 协议开发过程中，单向层压板已出现肉眼可见的分层现象以及V₅₀值的下降50，即在老化后预计有半数弹丸能够穿透装甲的速度。为了理解由这些材料制成的装甲的长期性能，有必要深入了解单向（UD）层压板材料性能的变化。目前尚无推荐用于机械检测单向（UD）层压材料的标准。本研究探讨了准确测试这些材料力学性能的方法与最佳实践，并提出了一种针对此类材料的新测试方法。同时，本文还描述了这些材料老化处理的最佳实践。
引言
美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）通过开展针对防弹衣中使用的高强度纤维长期稳定性的研究项目，协助执法机构和刑事司法机构确保其采购的设备和使用的技术安全、可靠且高效。以往的研究1,2重点关注由聚对苯二噁唑（poly(p-phenylene-2,6-benzobisoxazole)，简称PBO）材料制成的防弹衣在实际使用中的失效问题，该问题促使美国司法研究所（NIJ）对其防弹衣标准进行了重大修订3。自该修订版标准发布以来，NIST持续开展研究，探讨其他常用纤维（如超高摩尔质量聚乙烯（UHMMPE）4和聚对苯二甲酰对苯二胺（poly(p-phenylene terephthalamide)，简称PPTA），后者通常称为芳纶）的老化机制。然而，这些研究主要集中于纱线和单根纤维的老化行为，这主要适用于机织织物。但许多防弹衣设计采用了单向（UD）层压板。UD层压板由极薄的纤维层（<0.05 mm）构成，每层中的纤维相互平行5,6,7，并通过将薄片....
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方案
1. 沿垂直于卷轴方向切割经向试样的操作步骤
- 确定一卷待测试的单向材料。
注意：由于此处使用的材料并非编织而成，因此不存在传统纺织意义上的经纱（用于描述垂直于卷轴轴线的方向）和纬纱（用于描述平行于卷轴轴线的方向），但为表述清晰起见，仍借用这些术语。 - 手动展开该卷材料，以暴露前驱体材料（即从卷材上展开但仍与卷材相连的材料）。
注意：该卷材的宽度将变为材料的总长度（参见补充图1b），因此对于300 mm的标距长度（对应600 mm的试样总长度），采用下文所述的程序和拉伸夹具时，从卷材上裁取的材料应宽600 mm。该段材料的长度即为卷材上材料卷绕方向的宽度（本例中约为1,600 mm）。如补充图1b所示。 - 目视确认主纤维方向与卷材宽度方向平行，如补充图1b所示。材料顶层的纤维方向（即观察者俯视试样时所见的层面）称为主纤维方向。
- 使用手术刀在前驱体材料上切出一个约3 mm宽的小标签，标签长度方向大致与前驱体材料的主纤维方向平行，如补充图1c所示。
- 用手捏住标签并向上拉，使标签撕开，暴露出下一层垂直于标签方向的纤维。持续拉动标签，直至在整个前驱体材料长度上完全分离两层（补充图1d）。
注意：此步骤将产生一个仅可见横向纤维的区域，如....
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结果
进行了多次切割与测试的迭代，以研究若干不同变量。所考察的变量包括切割技术与切割工具、测试速率、试样尺寸以及夹具。其中一个关键发现是将试样与纤维方向对齐的重要性。下文将讨论数据分析方法（一致性分析、Weibull 方法、异常值判定等）以及与老化相关的考虑因素。
切割技术/器械
切割工具可能会影响测得的断裂应力，因为不同类型的切割工具具有不同的精确度水平。文中提及的试样 图2, 图3，以及 图 4 均使用电动布料切割机进行切割。相比之下，所有其他样本均按照本方案第1节中所述的步骤进行切割，这些样本的结果如下所示 图8 和 图10.......
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讨论
正确确定纤维方向至关重要。该方案中第1.4–1.6步所述方法的优势在于，能够完全控制用于启动分离过程的纤维数量。然而，这并不意味着可以完全控制最终分离区域的宽度，因为纤维并非完全平行，可能会相互交叉。在分离一批纤维的过程中，由于这种交叉现象，邻近正在分离的纤维也常常会被一同分离。因此，为了准确判断纤维方向，必须清除邻近的松散纤维，直至形成一个无任何突出纤维的清晰边缘。
样本之间的一致性同样至关重要。在实验方案的步骤1.9中，应在切割样本前先画出夹持线，以确保各样本在夹持线之间的长度一致，从而有助于保证各样本的标距长度一致。从样本边缘到夹持线的理想距离取决于材料本身的摩擦系数、夹具的摩擦系数以及夹具的物理尺寸。该距离的最佳值应通过实验确定，即测试不同距离，以找到在拉伸测试过程中既足够短又不会发生滑动的距离。在实验方案的步骤1.12.1中，重要的是使用切割垫作为样本宽度的参考基准，以确保样本的平均宽度达到预期值。若从材料边缘开始测量，可能引入误差，且无法保证这些误差会使样本的平均宽度符合预期。有关此问题的进一步讨论，请参见代表性结果部分。
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披露
本文所用实验步骤的完整描述涉及某些商业产品及其供应商的认定。提供此类信息绝不意味着美国国家标准与技术研究院（NIST）认可这些产品或供应商，或由NIST推荐，也不意味着这些产品或供应商是所述用途的最佳材料、仪器、软件或供应商。
致谢
作者谨此感谢Stuart Leigh Phoenix提供的有益讨论，感谢Mike Riley在力学测试装置方面的协助，以及感谢Honeywell公司捐赠的部分材料。Amy Engelbrecht-Wiggans的研究资助来自编号为70NANB17H337的项目。Ajay Krishnamurthy的研究资助来自编号为70NANB15H272的项目。Amanda L. Forster的研究资助来自美国国防部通过机构间协议R17-643-0013提供的支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 卡盘夹具 | Universal grip company | 20kN wrap grips | 测试中使用的卡盘夹具 |
| 陶瓷刀 | Slice | 10558 | |
| 陶瓷精密刀片 | Slice | 00116 | |
| 夹钳 | Irwin | quick grip mini bar clamp | |
| 共聚焦显微镜 | |||
| 切割垫 | Rotatrim | A0规格自修复切割垫 | |
| Denton Desktop sputter coater | 溅射镀膜仪 | ||
| FEI Helios 660 双束FIB/SEM | FEI Helios | 扫描电子显微镜 | |
| 电动旋转切割器 | Chickadee | ||
| 旋转切割器 | Fiskars | 49255A84 | |
| 体视显微镜 | National | DC4-456H | |
| 直边尺 | McMaster Carr | 1935A74 | |
| 外科手术刀片 | Sklar Instruments | ||
| 外科手术刀柄 | Swann Morton | ||
| 万能试验机 | Instron | 4482 | 万能试验机 |
| utility knife | Stanley | 99E |
参考文献
- Forster, A. L., et al. Hydrolytic stability of polybenzobisoxazole and polyterephthalamide body armor. Polymer Degradation and Stability. 96 (2), 247-254 (2011).
- Forster, A. L., et al. Development of Soft Arm....
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重印与许可
