Summary
وكان الهدف من الدراسة وضع بروتوكولات لإعداد عينات متسقة لاختبار ميكانيكي دقيق من الأراميد عالية القوة أو فائقة المولير كتلة البولي إثيلين مرنة أحادية الاتجاه المواد الخشبية المركبة بروتوكولات لأداء الشيخوخة الاصطناعية على هذه المواد.
Abstract
العديد من تصاميم درع الجسم تتضمن صفح أحادي الاتجاه (UD). يتم بناء رقائق UD من طبقات رقيقة (<0.05 مم) من خيوط عالية الأداء، حيث يتم توجيه خيوط في كل طبقة موازية لبعضها البعض وتعقد في مكان باستخدام الراتنجات الموثق وأفلام البوليمر رقيقة. يتم بناء الدرع عن طريق تكديس الطبقات أحادية الاتجاه في اتجاهات مختلفة. وحتى الآن، لم يُنجز سوى عمل أولي جداً لتوصيف شيخوخة راتنجات الموثق المستخدمة في الرقائق أحادية الاتجاه والآثار على أدائها. على سبيل المثال، أثناء تطوير بروتوكول تكييف المستخدمة في المعهد الوطني للعدالة القياسية-0101.06، وأظهرت شرائح UD علامات بصرية من delamination والتخفيضات في V50، وهي السرعة التي نصف القذائف ومن المتوقع أن ثقب الدرع ، بعد الشيخوخة. ومن الضروري فهم أفضل للتغييرات في الخصائص المادية في صفح UD لفهم الأداء على المدى الطويل من الدروع التي شيدت من هذه المواد. لا توجد معايير حالية موصى بها للإستجواب الميكانيكي للمواد الخشبية أحادية الاتجاه (UD). تستكشف هذه الدراسة الأساليب وأفضل الممارسات لاختبار الخصائص الميكانيكية لهذه المواد بدقة وتقترح منهجية اختبار جديدة لهذه المواد. ويرد أيضا وصف لأفضل الممارسات المتعلقة بالشيخوخة في هذه المواد.
Introduction
يساعد المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا وكالات إنفاذ القانون والعدالة الجنائية على ضمان أن تكون المعدات التي تشتريها والتكنولوجيات التي تستخدمها آمنة ويمكن الاعتماد عليها وفعالة للغاية، من خلال برنامج بحثي معالجة الاستقرار على المدى الطويل من الألياف عالية القوة المستخدمة في درع الجسم. وقد ركز العمل السابق1،2على فشل ميداني من درع الجسم مصنوعة من مادة بولي (ف-فينيلين-2، 6-benzobisoxazole)، أو PBO، مما أدى إلى مراجعة رئيسية للمعهد الوطني للعدالة (NIJ) هيئة درع القياسية 3. منذ صدور هذا المعيار المنقح، استمر العمل في NIST لدراسة آليات الشيخوخة في الألياف الأخرى شائعة الاستخدام مثل البولي ايثيلين فائقة المولية الشامل (UHMMPE)4 وبولي (ف-فينيلين تيريفثالاميد)، أو PPTA، المعروف باسم الأراميد. ومع ذلك، ركزت كل هذا العمل على شيخوخة خيوط وألياف واحدة، والتي هي الأكثر صلة للأقمشة المنسوجة. ومع ذلك، العديد من تصاميم درع الجسم تتضمن صفح UD. يتم بناء رقائق UD من طبقات الألياف رقيقة (<0.05 مم) حيثالألياف في كل طبقة موازية لبعضها البعض 5،6،7 ويتم بناء الدرع عن طريق التراص صفائح رقيقة في الاتجاهات بالتناوب، كما هو موضح في الشكل التكميلي 1a. يعتمد هذا التصميم بشكل كبير على الراتنج الموثق لعقد الألياف في كل طبقة موازية عموما، كما رأينا في الشكل التكميلي 1b،والحفاظ على اتجاه اسميا 0 درجة / 90 درجة من الأقمشة مكدسة. مثل الأقمشة المنسوجة، وعادة ما يتم بناء رقائق UD من اثنين من الاختلافات الألياف الرئيسية: الأراميد أو UHMMPE. توفر شرائح UD العديد من المزايا لمصممي الدروع الجسم: أنها تسمح لنظام درع أقل وزنا بالمقارنة مع تلك التي تستخدم الأقمشة المنسوجة (بسبب فقدان القوة أثناء النسيج)، والقضاء على الحاجة إلى البناء المنسوجة، واستخدام الألياف قطرها أصغر لتوفير أداء مماثل للأقمشة المنسوجة ولكن في وزن أقل. وقد ثبت سابقا PPTA أن تكون مقاومة للتدهور الناجم عن درجة الحرارة والرطوبة1،2، ولكن الموثق قد تلعب دورا هاما في أداء صفح UD. وهكذا، فإن الآثار الإجمالية للبيئة استخدام على الدروع المستندة إلى PPTA غير معروفة8.
وحتى الآن، لم يتم القيام إلا بعمل أولي جداً لتوصيف شيخوخة راتنجات الموثق المستخدمة في هذه الرقائق UD وآثار الشيخوخة الموثق على الأداء الباليستي لصفح UD. على سبيل المثال، أثناء تطوير بروتوكول تكييف المستخدمة في NIJ Standard-0101.06، أظهرت شرائح UD علامات بصرية للتلاف والتخفيضات في V50 بعد الشيخوخة1،2،8. وتبين هذه النتائج الحاجة إلى فهم شامل للخصائص المادية مع الشيخوخة، من أجل تقييم الأداء الهيكلي الطويل الأجل للمواد. وهذا بدوره يتطلب وضع أساليب موحدة لاستجواب خصائص فشل هذه المواد. وتتمثل الأهداف الرئيسية لهذا العمل في استكشاف الأساليب وأفضل الممارسات لاختبار الخصائص الميكانيكية للمواد الخشبية UD بدقة واقتراح منهجية اختبار جديدة لهذه المواد. ويرد في هذا العمل أيضا ً وصف لأفضل الممارسات المتعلقة بالمواد الخشبية UD الشيخوخة.
يحتوي الأدب على عدة أمثلة لاختبار الخصائص الميكانيكية لشرائح UD بعد الضغط الساخن على طبقات متعددة في عينة الثابت9،10،11. لرقائق مركب جامدة، ASTM D303912 يمكن استخدامها؛ ومع ذلك، في هذه الدراسة، والمواد هي ما يقرب من 0.1 ملم سميكة وغير جامدة. وتستخدم بعض المواد الخشبية UD كسلائف لصنع مواد واقية من المقذوفات جامدة مثل الخوذات أو لوحات مقاومة للقذائف التسيارية. ومع ذلك، يمكن أيضا أن تستخدم رقيقةومرنة صفح UD لجعل درع الجسم 9،13.
الهدف من هذا العمل هو تطوير أساليب لاستكشاف أداء المواد في درع الجسم لينة، لذلك لم يتم استكشاف الأساليب التي تنطوي على الضغط الساخن لأنها لا تمثل الطريقة التي تستخدم المواد في درع الجسم لينة. ASTM الدولية لديها العديد من معايير طريقة الاختبار المتعلقة شرائط الاختبار من النسيج، بما في ذلك ASTM D5034-0914 طريقة الاختبار القياسية لكسر القوة واستطالة الأقمشة النسيجية (اختبار انتزاع)، ASTM D5035-1115 اختبار قياسي طريقة لكسر القوة واستطالة الأقمشة النسيجية (طريقة قطاع)، ASTM D6775-1316 طريقة الاختبار القياسية لكسر القوة واستطالة النسيج حزام، الشريط والمواد مضفر، وASTM D395017 المواصفات القياسية للمواصفات القياسية ل الربط، غير المعدنية (وطرق الانضمام). هذه المعايير لديها العديد من الاختلافات الرئيسية من حيث قبضة الاختبار المستخدمة وحجم العينة، كما هو مذكور أدناه.
الطرق الموصوفة في ASTM D5034-0914 وASTM D5035-1115 متشابهة جدا وتركز على اختبار الأقمشة القياسية بدلا من المواد المركبة عالية القوة. بالنسبة للاختبارات في هذين المعيارين، تكون وجوه الفك من القبضات ناعمة ومسطحة، على الرغم من أنه يسمح بإجراء تعديلات على العينات التي يزيد فيها ضغط الفشل عن 100 N/cm لتقليل دور الفشل القائم على الانزلاق. التعديلات المقترحة لمنع الانزلاق هي لسادة الفكين، ومعطف النسيج تحت الفكين، وتعديل وجه الفك. في حالة هذه الدراسة، والإجهاد فشل العينة هو ما يقرب من 1000 N / سم، وبالتالي، فإن هذا النمط من القبضات يؤدي إلى انزلاق عينة مفرطة. ASTM D6775-1316 وASTM D395017 تهدف إلى مواد أقوى بكثير، وكلاهما يعتمد على قبضة كابستان. وهكذا، ركزت هذه الدراسة على استخدام قبضة كابستان.
وعلاوة على ذلك، فإن حجم العينة يختلف اختلافا كبيرا بين هذه المعايير الأربعة ASTM. معايير حزام والربط، ASTM D6775-1316 وASTM D395017،حدد لاختبار العرض الكامل للمواد. ASTM D677516 يحدد أقصى عرض من 90 ملم. وعلى النقيض من ذلك، فإن معايير النسيج14،15 تتوقع أن يتم قطع العينة widthwise وتحديد إما عرض 25 ملم أو 50 ملم. يتراوح الطول الإجمالي للعينة بين 40 سم و 305 سم، ويتراوح طول المقياس بين 75 مم و250 مم عبر معايير ASTM هذه. وبما أن معايير ASTM تختلف اختلافا ً كبيراً فيما يتعلق بحجم العينة، فقد تم النظر في ثلاثة عروض مختلفة وثلاثة أطوال مختلفة لهذه الدراسة.
المصطلحات التي تشير إلى إعداد العينة في البروتوكول هي كما يلي: الترباس > المواد السليفة > المواد > عينة، حيث يشير مصطلح الترباس إلى لفة من صفح UD، المواد السلائف يشير إلى كمية غير مجروحة من النسيج UD لا تزال تعلق إلى الترباس، والمواد يشير إلى قطعة منفصلة من صفح UD، وعينة يشير إلى قطعة فردية لاختبارها.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. إجراء قطع للعينات الاعوجاج الاتجاه التي يتم قطع عمودي على محور لفة
- تحديد الترباس من المواد أحادية الاتجاه ليتم اختبارها.
ملاحظة: لا يوجد تشوه (يستخدم لوصف الاتجاه عمودي على محور لفة) ولحمة (تستخدم لوصف الاتجاه موازية لمحور لفة) بالمعنى النسيجي التقليدي، كما المواد المستخدمة هنا ليست المنسوجة، ولكن هذه المصطلحات اقترضت fo ص الوضوح. - فك البراغي يدويًا لفضح المواد السلائف (أي المواد المحددة غير المجروحة من الترباس ولكنها لا تزال متصلة بالترباس).
ملاحظة: سيصبح عرض هذا الترباس الطول الإجمالي للمواد (راجع الشكل التكميلي 1b)،وذلك لطول مقياس 300 مم (المقابلة لطول العينة الإجمالي 600 مم)، وذلك باستخدام الإجراء والقبضات الاختبار المحددة أدناه، قطعة من يجب أن يكون قطع المواد من الترباس 600 مم واسعة. طول هذه القطعة من المواد سيكون ذلك من عرض الترباس الذي يتم توالت المواد (حوالي 1600 ملم، في هذه الحالة). هذا هو موضح في الشكل التكميلي 1b. - بصريا التحقق من أن اتجاه الألياف الرئيسية موازية لعرض الترباس، كما هو مبين في الشكل التكميلي 1b. ويسمى اتجاه الألياف من الطبقة العليا من المواد (أي، أن المشاهد الذي يرى عند النظر إلى أسفل على العينة) اتجاه الألياف الرئيسية.
- قطع علامة تبويب صغيرة في المواد السلائف مع مشرط، ما يقرب من 3 ملم واسعة، مع طول علامة التبويب محاذاة اسميا موازية مع اتجاه الألياف الرئيسية من المواد السلائف، كما هو مبين في الشكل التكميلي 1c.
- فهم يدويا علامة التبويب وسحبها حتى المسيل للدموع علامة التبويب بعيدا وفضح الألياف على طبقة تحت، تشغيل عمودي على علامة التبويب. الشكل التكميلي 1د).
ملاحظة: هذه الخطوة سوف تنتج منطقة حيث الألياف عبر فقط مرئية، كما هو موضح في الشكل التكميلي 1d. - إزالة أي ألياف فضفاضة المجاورة للألياف عبر المكشوفة المتبقية من حافة علامة التبويب.
ملاحظة: في نظام صفح UD الحالي، لوحظ أن الألياف ليست موازية تماما (كما هو مبين في الشكل1) وأنها قد تعبر فوق الألياف المجاورة. وهكذا، فإن الألياف المجاورة لأولئك الذين يتم فصلهم كثيرا ما تصبح منفصلة في هذه العملية. قد تكون الألياف المجاورة التي تصبح فضفاضة على بعد 1-2 مم من المسار المتوقع للعلامة التبويب المستخدمة للفصل. - باستخدام مشرط الطبية، وقطع على طول الألياف الصليب المكشوفة، وبالتالي فصل قطعة من المواد السلائف من الترباس.
- تحديد قطع المسافة التي تُمل ّر النصل، مما يسبب قطعًا أقل نظافة (أي بعد 400 سم من قطع هذه المادة، يمكن أن يصبح المشرط مملًا ومخدوشًا، كما هو موضح في الشكل التكميلي 2 والشكل التكميلي 3). استبدل النصل قبل أن يصبح مملًا، أو إذا كان تالفًا. فحص عدة أدوات القطع عند اختبار نوع مختلف من المواد لتحديد أفضل واحد.
تحذير: يجب توخي الحذر مع جميع شفرات حادة أو أدوات القطع لتجنب الإصابة. يمكن ارتداء قفازات مقاومة للقص في هذه الخطوة للحد من خطر الإصابة.
- تحديد قطع المسافة التي تُمل ّر النصل، مما يسبب قطعًا أقل نظافة (أي بعد 400 سم من قطع هذه المادة، يمكن أن يصبح المشرط مملًا ومخدوشًا، كما هو موضح في الشكل التكميلي 2 والشكل التكميلي 3). استبدل النصل قبل أن يصبح مملًا، أو إذا كان تالفًا. فحص عدة أدوات القطع عند اختبار نوع مختلف من المواد لتحديد أفضل واحد.
- تسليم المواد، بحيث الآن، اتجاه الألياف الرئيسية في اتجاه الاعوجاج.
ملاحظة: بما أن اتجاه الألياف الرئيسي يشير إلى الطبقة التي يتم عرضها (الطبقة العليا)، فإن تحويل المادة إلى أكثر من تغيير اتجاه الألياف الرئيسية من لحمة إلى الاعوجاج (انظر الشكل التكميلي 1b). - وضع علامة على خطوط قبضة على المواد محاذاة في اتجاه لحمة.
ملاحظة: هذه الخطوط تعمل من الحافة المصنعة إلى الحافة المصنعة، موازية لحواف القطع و 115 مم من حواف القطع هذه. وسيتم شرح هذه أخرى في الخطوة 4.4.1، ولكن خطوط قبضة هي خطوط تستخدم عند تحميل العينات (التي يتم قطعها في وقت لاحق) في قبضة اختبار الشد. - تحديد اتجاه الألياف الرئيسية للعينة ليتم قطعها من المواد، وذلك باستخدام الخطوة 1.3.
ملاحظة: يجب أن تدرك أن اتجاه الألياف قد لا يكون عمودي ًا تمامًا على الحافة المصنعة; في هذه الحالة، اتبع خط الألياف الدقيق. تجنب المنطقة القريبة من الحافة المصنعة لأنها قد لا تعكس بدقة خصائص المواد السائبة. - توجيه المواد على مناسبة الذاتي الشفاء مشبكة قطع حصيرة التي هي كبيرة بما يكفي لتناسب عرض المواد (بين حواف قطع) وطول (اتجاه لحمة) من 300 ملم على الأقل، كما هو مشار إليه في الخطوة 1.16.
- محاذاة بعناية اتجاه الألياف مع خطوط الشبكة على حصيرة القطع. استخدام حافة قطع من المواد كدليل في بطانة المواد. ومع ذلك، محاذاة اتجاه الألياف للعينة هو الأكثر أهمية.
- الشريط المواد إلى حصيرة القطع.
ملاحظة: لا ينبغي أبدا وضع الشريط في أي مكان بالقرب من مركز العينة; بدلا من ذلك، ينبغي استخدامه في ما سيكون نهايات العينات التي سيتم قطعها من المواد. وسوف تكون الغايات في قبضة عندما يتم اختبار عينة; لذلك، يتم تقليل أي ضرر يسببها الشريط إلى الحد الأدنى. تسجيل فقط زوايا المواد التي هي بعيدة عن قطع سوف تضمن أن المواد لن تتحرك، وأنه عند قطع عينة، فإن شفرة لن يكون أيضا قطع الشريط. شريط لاصق منخفض التك (على سبيل المثال، شريط الرسام) يعمل بشكل جيد لأنه يلتزم بشكل جيد بما فيه الكفاية للحفاظ على النسيج في مكانه دون الإضرار بالمواد عند إزالتها.
- قطع العينات من المواد باستخدام شفرة وحافة مستقيمة. الشرائط التي شكلت هي العينات. لا تدع المواد تتحرك في هذه العملية. خلاف ذلك، تحديد اتجاه الألياف من جديد وإعادة توجيه المواد وفقا لذلك.
- ضع الحافة المستقيمة في الموقع المطلوب المقابل لعرض العينة المناسب (أي 30 مم). لاحظ أن المشرط الطبي رقيقة بما فيه الكفاية أن لا إزاحة في وضع الحافة المستقيمة ضروري لحساب موقع القطع. محاذاة الحافة المستقيمة إلى الشبكة على حصيرة القطع أو أي خط مرجعي آخر أنشأها المستخدم على حصيرة القطع.
- المشبك الحافة المستقيمة في مكان عن طريق لقط على أي من طرفي الحافة المستقيمة. تحقق من تحديد المواقع من الحافة المستقيمة بعد لقط، كما أنها قد انتقلت خلال عملية لقط.
- قطع العينة بعيدا عن المواد على طول الحافة المستقيمة، وذلك باستخدام مشرط الطبية. ضمان قطع واحد، نظيفة، على نحو سلس، مع سرعة ثابتة والضغط.
ملاحظة: يمكن تطبيق بعض الضغط من قبل شفرة ضد الحافة المستقيمة للحفاظ على شفرة قطع على وجه التحديد على حافة الحافة المستقيمة.
تحذير: يجب توخي الحذر لتجنب الإصابة، لذلك فمن المستحسن ارتداء قفازات مقاومة للقطع عند التعامل مع المشرط الطبي. وعلاوة على ذلك، منذ قطع أسلس يمكن الحصول عليها في حين قطع نحو الجسم، وارتداء مئزر مقاومة للقطع أو معطف المختبر ينصح. - فحص حافة قطع من الشريط تحت المجهر. تغيير النصل إذا كان حافة القطع لديها ألياف جاحظ أكثر بكثير أو عيوب أخرى بالمقارنة مع قطع مصنوعة من شفرة حادة جديدة.
- فك المشبك الحافة المستقيمة، مع الحرص على أن المواد لا تتحرك في هذه العملية. إذا كانت المواد لم تتحرك، وإعادة تحديد اتجاه الألياف وإعادة توجيه المواد بشكل مناسب.
- كرر الخطوات 1.12-1.15 حتى يتم الحصول على الحد الأقصى لعدد العينات التي يمكن قطعها من 300 مم من المواد.
ملاحظة: بالنسبة للعينات التي يبلغ عرضها 30 مم، 300 مم من المواد ما يعادل 10 عينات، في حين أن العينات التي يبلغ عرضها 70 مم، وهذا يعادل 4 عينات. وقد تم تحديد هذا الحد 300 ملم للعمل بشكل جيد لصفح أحادي الاتجاه درس هنا ولكن قد تختلف لرقائق أخرى. - كرر الخطوات 1.10-1.11 حسب الحاجة (أي إعادة تحديد اتجاه الألياف الرئيسية وإعادة توجيه المواد قبل الاستمرار في قطع المزيد من العينات).
ملاحظة: يمكن إيقاف البروتوكول مؤقتاً هنا. إذا لم يتم استخدام العينات على الفور، تخزينها في مكان مظلم، المحيطة.
2. إجراء قطع لعينات لحمة الاتجاه التي يتم قطع على طول محور لفة
ملاحظة: لا يوجد تشوه ولحمة بالمعنى التقليدي للنسيج، حيث أن المواد المستخدمة هنا ليست منسوجة، ولكن هذه المصطلحات مستعارة للوضوح.
- تحديد عرض وطول المواد المطلوبة وفقا لعدد وحجم العينات التي سيتم قطعها.
ملاحظة: لهذا صفح أحادي الاتجاه وللعينات مع طول قياس ما يقرب من 300 ملم، يمكن قطع اثنين من العينات وضعت نهاية إلى نهاية على طول عرض الترباس. وهكذا، يمكن قطع مجموعة من 40 عينة في عمودين من 20 عينة لكل منهما، كما هو مبين في الشكل التكميلي4، قبل قطع المواد من لفة. إذا كان عرض العينات هو 30 ملم، ثم المواد يجب أن تقطع في 20X عرض العينة (كما أن هناك 20 عينة لكل عمود) مع بعض المساحة الإضافية (أي، 610 ملم).- حدد اتجاه الألياف على طول لحمة لعرض الفائدة، باتباع الإرشادات من الخطوات 1.4-1.6.
- قطع الألياف عبر المكشوفة (أي عبر ألياف الاعوجاج) باستخدام شفرة، وبالتالي فصل المواد السلائف من الترباس.
تحذير: يجب توخي الحذر مع جميع شفرات حادة أو أدوات القطع، لتجنب الإصابة. يمكن ارتداء قفازات مقاومة للقص في هذه الخطوة للحد من خطر الإصابة.
- الاستعداد لقطع أطوال التي تتطابق مع طول العينة المطلوبة (أي، قطع في اتجاه الاعوجاج في طول العينة من الفائدة). للحصول على طول مقياس 300 مم (المقابل لطول العينة الإجمالي 600 مم)، باستخدام الإجراء والقبضات الاختبارية المحددة أدناه، ضع في اعتبارك أن المادة يجب أن تكون الآن 600 مم × 610 مم.
- اتبع الخطوات 1.9-1.17 لقطع العينات المطلوبة.
ملاحظة: يمكن إيقاف البروتوكول مؤقتاً هنا. إذا كانت العينات لا يمكن استخدامها على الفور، تخزينها في الظلام، موقع المحيطة.
3. تحليل طرق القطع عن طريق المسح المجهري الإلكتروني
- إعداد العينات لتحليلها عن طريق المسح المجهري الإلكتروني (SEM) عن طريق قطع مربعات من حوالي 5 ملم في الطول والعرض، والحفاظ على ما لا يقل عن اثنين من حواف مربع من تقنية القطع من الفائدة. وينبغي تحديد هذه الحواف المحفوظة وهي الحواف التي سيتم تقييمها تحت المجهر.
- جبل العينات على حامل عينة SEM عن طريق التمسك بها مع ملاقط على شريط الكربون مناسبة على الوجهين.
- قم بطلاء العينات بطبقة رقيقة (5 نانومتر) من المواد الموصلة، مثل البلاديوم الذهبي (Au/Pd)، للتخفيف من آثار شحن السطح تحت المجهر الإلكتروني المسح الضوئي.
- تحميل العينات في المجهر الإلكتروني المسح الضوئي وصورتها في حوالي 2 كيلو فولت من الجهد المتسارع ومع تيار الإلكترون 50-100 pA. تطبيق إعدادات تحييد الشحن لمواجهة تأثيرات الشحن عند الضرورة.
4. اختبار الشد من عينات صفح UD
- قياس القبضات لتحديد الفرق بين قيمة الموقع الأولي crosshead والمسافة بين حيث يتصل العينة قبضة أعلى وأسفل تحت الحد الأدنى من التوتر. اقرأ موقع التقاطع من برنامج الاختبار. حساب طول مقياس فعال من هذا عن طريق قياس طول المقياس الفعال في هذا الموقع المتصالب. أضف الإزاحة (مقدار الإزاحة) إلى موقع التقاطع لتحديد طول المقياس الفعال (طول المقياس الفعال المقيس ناقص موقع الرأس المتصالب).
- عدد العينات المعدة وفقا للقسمين 1 و 2 مع علامة دائمة لينة ذات الرؤوس بحيث يكون الترتيب الذي تم إعدادها واضحة. وضع علامة على معلومات أخرى أيضاً، مثل تاريخ الإعداد والتوجيه.
ملاحظة: للعينات المستخدمة هنا أبعاد 30 مم × 400 مم - ولكن أبعاد العينة قد تختلف بالنسبة للمواد الأخرى - وتم الحصول عليها إما عن طريق اتباع القسم 1 أو القسم 2. إذا كانت العينات لا يمكن استخدامها على الفور، تخزينها في الظلام، موقع المحيطة. - إذا تم قياس الضغط باستخدام مقياس شدة الفيديو، قم بوضع علامة يدوية على نقاط المقياس بعلامة دائمة، باستخدام قالب للاتساق، كما هو موضح في الشكل التكميلي 5a،لإعطاء نقاط لمقياس كثافة الفيديو لتتبع، وبالتالي، قياس سلاله. إذا كان سيتم حساب السلالة من إزاحة الرأس المتصالب، تخطي هذه الخطوة.
- تحميل العينة في وسط قبضة كابستان.
- إدراج نهاية العينة من خلال الفجوة في كابستان ووضع نهاية العينة في خط قبضة رسمها في الخطوة 1.9، كما هو مبين في الشكل التكميلي 5b. الحرص على مركز العينة على قبضة كابستان عن طريق محاذاة مركز العينة داخل ما يقرب من 1 ملم من مركز قبضة كابستان.
- تحويل كابستان إلى الموقف المطلوب، والتأكد من الحفاظ على العينة تتمحور. استخدم جهاز الشد — على سبيل المثال، مغناطيس ًا يوضع على العينة إذا كانت المقابض ممغنطة — للحفاظ على العينة في مكانها برفق، وقفل الكابستان في مكانه بدبابيس القفل.
- كرر الخطوتين 4.4.1 و 4.4.2 للنهاية الأخرى للعينة.
- تطبيق التحميل المسبق من 2 N، أو بعض الحمل الصغيرة الأخرى بشكل مناسب.
- تسجيل إزاحة الرأس المتصالب/طول المقياس الفعلي.
- برنامج أداة لإجراء اختبار الشد، بمعدل ثابت من تمديد 10 ملم / دقيقة، وذلك باستخدام مقياس شدة الفيديو أو الإزاحة عبر الرأس لتسجيل سلالة، واضغط على البدء في الاختبار.
- مراقبة العرض وإيقاف الاختبار عندما تكون العينة قد كسرت، كما يتضح من فقدان 90٪ في التحميل الملاحظ على الشاشة. تسجيل أقصى قدر من الإجهاد، وهو نفس الإجهاد الفشل بسبب طبيعة المواد، وسلالة الفشل المقابلة. كرر الخطوات 4.3-4.8 للعينات المتبقية.
- حفظ العينات المكسورة لمزيد من التحليل.
- التحقق من الإجهاد عند الفشل كدالة لعدد العينة ووضع العينة الأصلية في المواد، فضلا عن مؤشرات أخرى من البيانات إشكالية، على سبيل المثال، نقاط البيانات التي تحيد للغاية عن توزيع Weibull18، و التحقيق في الأسباب المحتملة، مثل العينات التالفة أثناء التحضير أو المناولة، قبل المتابعة.
5 - إعداد عينات لتجارب الشيخوخة
-
بدء تجربة الشيخوخة
- حساب الكمية الإجمالية من المواد اللازمة للدراسة لكل حالة بيئية واستنادا إلى خطة استخراج عينة من كل شهر لمدة 12 شهرا.
ملاحظة: لهذه الدراسة، تم استخدام 40 عينة لكل استخراج وما مجموعه 12 عملية استخراج لأغراض التخطيط. - خفض المبلغ الإجمالي للمواد اللازمة لكل شرط. قطع كل قطاع واسعة بما فيه الكفاية لاستيعاب العدد المطلوب من العينات بالإضافة إلى ما لا يقل عن 10 ملم.
ملاحظة: سيتم اقتطاع 5 مم إضافية من المواد من كل جانب من العينة قبل إجراء اختبار الشد. يتم استخدام المواد الإضافية لأن حواف العينات قد تكون معطوبة بسبب المناولة أثناء بروتوكول الشيخوخة. - وضع قطع شرائط الشيخوخة في الصواني لوضعها في غرفة البيئة كما هو مبين في الشكل التكميلي 5c. الصواني المستخدمة في هذه الدراسة يمكن أن تعقد كل ما يقرب من 120 شرائط.
- حدد شروط التعرض للدراسة البيئية استناداً إلى الاستخدام المتوقع وبيئة التخزين للمواد2.
ملاحظة: في هذه الدراسة، تم استخدام اسميا 70 درجة مئوية في الرطوبة النسبية 76٪ (RH). - برنامج غرفة بيئية لظروف درجة حرارة الغرفة الجافة (على سبيل المثال، حوالي 25 درجة مئوية في 25٪ RH). السماح للغرفة لتحقيق الاستقرار في هذه الظروف، ومن ثم، وضع علبة عينة على رف في الغرفة، بعيدا عن الجدران وأي مواقع في الغرفة التي يبدو أن جذب التكثيف.
- برنامج الغرفة البيئية إلى درجة الحرارة المطلوبة كما هو محدد في الخطوة 5.1.4، وترك الرطوبة حوالي 25٪ RH.
- مرة واحدة وقد استقرت الغرفة في درجة الحرارة المستهدفة من الخطوة 5.1.4، برنامج الغرفة لزيادة الرطوبة إلى المستوى المطلوب كما هو محدد في الخطوة 5.1.4.
- تحقق من الغرف يوميا للتأكد من أن إمدادات المياه والترشيح كافية، ونلاحظ عندما يتم ملاحظة ظروف خارج التسامح. تسجيل الانحرافات والانقطاعات في سجل على الجزء الأمامي من كل غرفة أو في دفتر ملاحظات قريب هو ممارسة جيدة.
- كرر الخطوات 5.1.5-5.1.8 لجميع العينات الأخرى ذات الأهمية.
- حساب الكمية الإجمالية من المواد اللازمة للدراسة لكل حالة بيئية واستنادا إلى خطة استخراج عينة من كل شهر لمدة 12 شهرا.
-
استخراج شرائط المواد الذين تتراوح أعمارهم بين لتحليلها
- عندما تكون على استعداد لاستخراج شرائط المواد الذين تتراوح أعمارهم بين غرفة البيئية للتحليل، أول برنامج الغرفة لخفض الرطوبة النسبية إلى ما يقرب من 25٪ RH.
- بعد أن استقرت الغرفة البيئية في حالة الرطوبة المنخفضة، برنامج درجة الحرارة إلى انخفاض، تقريبا، درجة حرارة الغرفة أو 25 درجة مئوية. تمنع هذه الخطوة التكثيف عند فتح باب الغرفة.
- بمجرد استقرار الغرفة البيئية في ظروف الخطوة 5.1.5، فتح الغرفة، وإزالة علبة تحتوي على شرائط المواد القديمة من الفائدة، وإخراج الشرائط المطلوبة، ووضعها في حاوية المسمى.
- أعد الدرج إلى غرفة البيئة.
- وبعد الإجراء الوارد في الخطوتين 5-1-6 و5-1-7، نعيد الغرفة إلى شروط الاهتمام، إذا استمرت دراسة الشيخوخة. إذا لم يكن كذلك، ثم قد تبقى في الحالة المحيطة اسميا.
- تسجيل استخراج على سجل الغرفة، إذا كان يتم استخدام واحد.
- قطع العينات القديمة من شرائط المواد القديمة، بعد الخطوات 1.7-1.17.
- اختبار العينات كما هو موضح في القسم 4.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
تم إجراء العديد من التكرارات من القطع والاختبار للتحقيق في عدة متغيرات مختلفة. وتشمل بعض المتغيرات التي تم فحصها تقنية القطع وأداة القطع، ومعدل الاختبار، والبعد العينة، والقبضات. وكانت إحدى النتائج الحاسمة هي أهمية مواءمة العينات مع اتجاه الألياف. وترد أدناه مناقشة لإجراءات تحليل البيانات (تحليل الاتساق، وتقنيات ويبول، وتحديد أكثر تفوقا، وما إلى ذلك)، وكذلك الاعتبارات المتعلقة بالشيخوخة.
جيم utting تقنية / أداة
أداة القطع قد تؤثر على الإجهاد فشل قياس بسبب مستويات مختلفة من الدقة المرتبطة بكل نوع من أداة القطع. تم قطع جميع العينات المشار إليها في الشكل 2والشكل 3والشكل 4 مع قاطع نسيج يعمل بالطاقة الكهربائية. وعلى النقيض من ذلك، قُطعت جميع العينات الأخرى باستخدام الإجراء المبين أعلاه في الفرع 1 من البروتوكول، وترد نتائج هذه العينات في الشكل 8 والشكل 10. وكان قطع العينات مع قطع النسيج بالطاقة الإجهاد فشل متوسط 872 MPa (الانحراف المعياري من 46 MPa، 102 عينات)، في حين أن العينات ذات الحجم المماثل قطع مع مشرط الطبية كان متوسط الإجهاد الفشل من 909 MPa (الانحراف المعياري من 40 MPa، 40 عينات). هذه النتائج ليست مفاجئة، كما تبين من فحص أوثق من حواف العينات أن المنشار قطع النسيج بالطاقة يخلق حافة خشنة أكثر بكثير من المشرط، كما رأينا في الشكل5، تضييق عرض العينة بشكل فعال.
أدى الفرق في الأداء الميكانيكي بين قطع العينات باستخدام هاتين أداتي القطع إلى تحقيق منظم لمختلف أدوات القطع. تم قطع العينات باستخدام كل أداة ثم تم تصويرها. الشكل 6والشكل 7والشكل التكميلي 7 يبينان الحواف الناتجة عند التكبير العالي، والشكل التكميلي 8 عند التكبير الأدنى، لـ (أ) قاطع نسيج يعمل بالطاقة الكهربائية، ب) سكين خزفي، ج) (أ) الدقة السيراميك القاطع، د) شفرة دوارة، ه) سكين فائدة، و) مشرط الطبية.
ويبدو أن هناك مناطق محلية للأضرار ومناطق أوسع للأضرار معروضة في هذه الصور. ويلاحظ الضرر الأكثر محلية عندما تبرز الألياف من حواف الألياف المتوترة أو حافة الألياف عازمة ومسطحة من قبل شفرة كما هو الحال في الشكل 6a. ويلاحظ أن المناطق الأوسع من الضرر كما القص وإزالة الترابط المحتملة، والتي تحدث في الألياف عبر.
ويبين الشكل 6 والشكل 7 أن استخدام المشرط يوفر أنظف قطع مع الضرر الأكثر محلية، حيث أن الشكل ينفّد التخفيضات الأنظف مما شوهد في اللوحات الأخرى من الشكل 6 و الشكل 7 الألياف الصليب تظهر أي دليل على الألياف القص بسبب قطع، ويقتصر الضرر في نهاية الألياف الصليب إلى ما يقرب من نصف قطر الألياف. سكين فائدة يخلق منطقة أكبر قليلا التالفة; ومع ذلك، فإن المقاطع العرضية من الألياف الناتجة أنظف من تلك التي تستخدم أساليب القطع غير المشرط. جميع طرق القطع الأخرى خلق ضرر موضعي إلى حد أكبر من قطر الألياف واحد. كل من مشرط وسكين فائدة حادة بما فيه الكفاية لتقسيم الألياف على طولها، ويمكن أن يؤدي إلى حافة خشنة قليلا، كما رأينا في الشكل 5f، ز. هذا هو على النقيض من الشكل التكميلي 7D،حيث قطع السيراميك الدقة يضر الألياف حافة عن طريق تسطيح لهم بدلا من قطع من خلالها. التقطيع من خلال الألياف حافة لا يؤدي إلى منطقة كبيرة التالفة في الجزء الأكبر من العينة، والتي سيتم إنشاؤها إذا كان من المقرر سحب الألياف حافة.
الشكل5، الشكل 6أ،والشكل التكميلي 7ب تظهر الضرر النموذجي بسبب قطع النسيج بالطاقة الكهربائية. فإنه يخلق حافة متوترة للغاية في مجموعة متنوعة من المقاييس طول. والسيراميك سكين فائدة تخفيضات في أقسام صغيرة، مما تسبب في delamination على نطاق واسع والقص في مجموعات من الألياف، كما يمكن أن نرى في الشكل 6b والشكل 7c. هذا هو أقل انتشارا مع القاطع السيراميك الدقة، على الرغم من أن تلك النتائج ليست خالية من التخفيضات متفاوتة والألياف المتوترة، كما رأينا في الشكل التكميلي 8e. التخفيضات المصنوعة من شفرة دوارة ليست مستقيمة مثل طرق القطع الأخرى (كما رأينا في الشكل التكميلي 7e، الشكل التكميلي 8f،ز، والشكل 7a،ب) ويمكن أن يكون الانسحاب الألياف على نطاق واسع (تكميلية الشكل 7 (هـ)). صور التخفيضات التي أدلى بها سكين فائدة ومشرط الطبية تظهر أدلة قليلة على القص على نطاق واسع، delamination، أو الألياف الانسحاب، كما رأينا في الشكل 6e،و، الشكل 7e،و، و الشكل التكميلي 7G،ح. مقارنة الشكل التكميلي 8h مع الشكل التكميلي 8i،المشرط الطبي لا يؤدي إلى حافة أفضل من سكين فائدة، مع عدد أقل من الألياف المتوترة العالقة بها، على الرغم من أن لكلا الأسلوبين، ويلاحظ فقط مثل هذه الألياف احيانا.
عند قطع عينات دقيقة لفحص من قبل SEM، مشرط يعطي أفضل أداء. سكين المرافق السيراميك تسحب في الألياف في بداية ونهايات التخفيضات، كما يفعل القاطع السيراميك الدقة. سكين فائدة معدنية يدخل الحد الأقصى من الألياف تسحب في بداية قطع. قطع قطع عينة أصغر مع قطع النسيج بالطاقة أو شفرات دوارة يمكن أن يكون تحديا وغير عملي.
المشرط الطبي هو الأكثر دقة في قطع أقرب إلى الحافة المستقيمة. القاطع السيراميك الدقة لديه إزاحة كبيرة من الحافة المستقيمة، على النقيض من ذلك، مما يؤدي إلى مزيد من الخطأ في قطع عرض دقيق من العينة. القاطع النسيج الدوارة لا يقطع دائما المواد ولكن، بدلا من ذلك، طيات عليه في نقطة من النصل. لا يمكن استخدام قطع النسيج الكهربائي ضد حافة مستقيمة، لذلك فمن الصعب لجعل قطع مستقيم تماما مع هذه الأداة. وهكذا، المشرط الطبية يميل إلى إعطاء أقرب قطع مستقيم إلى الحافة المستقيمة. ومن المستحسن أيضا أن يتم استبدال شفرة القطع إذا أصبح شق أو التالفة، أو إذا حواف قطع على العينات لم تعد تظهر على نحو سلس عند مقارنتها تحت المجهر إلى حواف قطع مع شفرة جديدة.
أهمية محاذاة العينات مع اتجاه الألياف
وتألفت مجموعة مبكرة من الاختبارات من 40 عينة تم قطعها باستخدام قاطع النسيج الكهربائي وكان عرضها 25 مم وطول مقياس 150 ملم. وقد تم اختبار هذه العينات بمعدل تحميل الإزاحة من 40 ملم / دقيقة، وذلك باستخدام تصميم قبضة الأولي غير الأمثل. وأظهرت الاختبارات أن العينات من 1 إلى 20 كانت متوائمة بشكل جيد مع اتجاه الألياف، في حين أن العينات من 21 إلى 40 كانت غير متناسقة بطريق الخطأ بأقل من 2 درجة (أي أن اتجاه الألياف لم يكن موازياً لاتجاه الطول الرئيسي للعينة). عندما يتم محاذاة عينة بشكل خاطئ، يتم ملاحظة سلوك مميز أثناء الاختبار. جانب واحد من العينة سوف القص صعودا في حين أن الجانب الآخر المقصات إلى أسفل، بحيث أن الخط الذي تم رسمه مباشرة عبر العينة قبل الاختبار لن يكون مستقيما. هذا هو موضح في الشكل التكميلي 6 ويرجع ذلك إلى ألياف الحافة لا يجري في كل من capstans.
بسبب عدم اتساق العينات من 21 إلى 40، هناك فرق واضح بين الإجهاد الأقصى (الذي يحدث عند الفشل) من العينات من 1 إلى 20 مقارنة بالعينات من 21 إلى 40، كما يتضح من الشكل 2. ويعرض الشكل 2(أ) الحد الأقصى للإجهاد (الذي يحدث عند الفشل) كدالة لرقم العينة بالنسبة للعينات غير المتناسقة. وسيتم توزيع مجموعة متجانسة من الإجهاد الأقصى بالتساوي في جميع أنحاء المنطقة بأكملها، كما هو الحال في الشكل 2ب. ومع ذلك، في الشكل 2a، لا توجد بيانات في الربعين الأول والثالث، بخلاف واحد خارج في الربع 3، ملحوظ كرقم العينة 13. الشكل 2c هو مؤامرة Weibull من المجموعتين ويشمل حدود الثقة 99٪ لتوزيعات Weibull المرتبطة بها. التوزيعات من الأولى 20 عينات, مجموعة 1, والثانية 20 عينات, مجموعة 2, ثانية مختلفة, مع عينات 1 إلى 20 يبدي [هيغر]-إلى إخفاق من عينات 21 [تو] 40. وتوضح هذه الملاحظة بمزيد من التفصيل في الشكل 2(د)،حيث أزيلت العينة الخارجية، رقم 13. في الشكل 2d، بالكاد تتداخل نقطة بيانات واحدة مع حدود الثقة 99٪ للمجموعة الأخرى؛ وإلا، لا يوجد تداخل في البيانات.
وقد ثبت عدم اتساق العينة مع اتجاه الألياف من المواد لإعطاء نتائج أضعف خادعة، كما عدم المحاذاة يضيق بشكل فعال عرض العينة. ويمكن تجنب ذلك عن طريق تحديد اتجاه الألياف في كثير من الأحيان أثناء القطع، مع الحرص على منع المواد من التحول، وقياس من نقطة ثابتة على حصيرة القطع (بالمقارنة مع حافة العينة) عند قطع العينات. ويمكن ملاحظة عدم المحاذاة تجريبياً أثناء الاختبار من خلال نمط التشويه المميز، كما هو مبين في الشكل التكميلي6. إذا كانت جميع العينات كلها محاذاة على قدم المساواة، وسوف يكون التأثير في الغالب في المعلمات مقياس Weibull. وعلى النقيض من ذلك، إذا كانت العينات غير متناسقة بشكل عشوائي، فإن كل من شكل Weibull ومعلمات المقياس سوف تتأثر.
نظريه
عند اختبارها في التوتر على طول اتجاه الألياف، يمكن افتراض رقائق UD أن يتصرف على نحو مماثل لسحب الألياف، وتتألف من الألياف المتوازية في مصفوفة. عندما يكسر الألياف، فإنه سيتم إعادة توزيع حمولتها على الألياف المجاورة على بعض العرض والطول، ويمكن بناء نموذج مفيد حول مفهوم سلسلة من حزم صغيرة من خيوط، حيث خيوط الباقين على قيد الحياة حصة الحمل بالتساوي. لذلك لا محالة، ترتبط خصائص قوة الألياف وخصائص قطاع، كما وصفها كولمان19-23. ويمكن أيضا أن توجد مناقشة مفصلة لنظرية المعمول بها في فينيكس وبايرلين24، وخصائص تعتمد على الوقت من الألياف تناولتها فينيكس ونيومان25، 26. تطور هذه النظرية توزيع فشل Weibull بدءا من افتراض أن حدوث الطبيعية، والعيوب المتأصلة على طول الألياف هو وصف جيد من قبل نموذج بواسون-ويبول. من هذا، تأثير حجم يسقط بطبيعة الحال. ببساطة، كلما زاد حجم المواد، كلما انخفض ضغط الفشل. ويرجع ذلك إلى حقيقة أنه، في حجم أكبر من المواد، هناك احتمال أكبر أن العيوب الطبيعية المتأصلة في الألياف سوف تجمع، وخلق نقطة ضعف، وبالتالي، وخفض الإجهاد الفشل.
T معدل الإنتب
ويبين الجدول 1 مقارنة بين النتائج باستخدام ثلاثة معدلات تحميل مختلفة. مع زيادة معدل التحميل، يزيد إجهاد الفشل أيضًا. لا يبدو أن هناك تأثير على سلالة الفشل، وبالتالي فإن معامل يبدو أيضا أن تزيد مع زيادة معدل التحميل.
ميزة الاختبار بمعدلات تحميل مختلفة هي أن الاختبارات تستجوب جوانب مختلفة من المركب. الاختبارات البطيئة هي أكثر اعتمادا على خصائص المصفوفة، وخاصة مصفوفة القص زحف، في حين أن الاختبارات السريعة في المقام الأول استكشاف الإجهاد فشل الألياف25، 26. من المهم في اختيار معدل التحميل لاختيار واحد يلتقط سلوك الفائدة.
S عرض البيسيمن
ويبين الجدول 2 أثر زيادة عرض العينة. عن طريق زيادة عرض العينة، يجب أن تصبح آثار الحافة من القطع أقل أهمية لأنها تأخذ أقل من عرض العينة. أيضا، أي عدم دقة في قياس عرض العينات تصبح أقل أهمية. ويلاحظ زيادة الاتساق مع زيادة عرض العينة في انخفاض الانحراف المعياري للإجهاد الفشل. في عرض 10 ملم، ومتوسط الإجهاد الفشل هو أقل، والانحراف المعياري هو أعلى من ذلك من العينات أوسع، مما يشير إلى أن العينات الضيقة يمكن أن تعاني من آثار حافة كبيرة. انخفاض سلالة الفشل مع زيادة العرض، وربما أيضا بسبب انخفاض تأثير آثار الحافة.
كلما كان عرض العينة أوسع، كلما كان التأثير أصغر من تأثيرات الحافة، وبالتالي، زيادة اتساق العينات. وهكذا، فإن العينات الأوسع نطاقا تسفر عن نتائج أفضل. ومع ذلك، هناك مقايضة من حيث النفقات المادية وتكلفة القبضات لاختبار عينات أوسع، وبالتالي أقوى.
كما نوقش أعلاه، نظرية تتوقع انخفاضا في الإجهاد الفشل مع زيادة العرض24. ويلاحظ ذلك عند مقارنة العينات التي هي 30 ملم مع العينات 70 ملم واسعة. الانخفاض الكبير في الإجهاد الفشل من العينات 10 مم واسعة ربما يرجع إلى زيادة أهمية آثار الحافة في مثل هذه العروض الضيقة.
S البكي من طول
كما نوقش سابقا، ونظرية تتوقع انخفاضا في الإجهاد الفشل مع زيادة طول24. وتبين النتائج المعروضة في الجدول 3 ذلك، ولكنها أيضاً مرتبكة بسبب ثبات معدل التحميل عند 10 مم/دقيقة، بدلاً من الاحتفاظ بمعدل الإجهاد الثابت. كما يؤدي خفض معدل الإجهاد (كما يحدث مع معدل تحميل ثابت يبلغ 10 مم/دقيقة وزيادة طول المقياس) إلى انخفاض في إجهاد الفشل. الانحراف المعياري للإجهاد الفشل يزيد أكثر مما يمكن تفسيره ببساطة من قبل معدلات الإجهاد المختلفة. هذه الظاهرة يمكن أن يكون لأن العينات أطول هي أكثر صعوبة لقطع، والألياف حافة دائما الحصول على قطع في مكان ما على طول الحافة، والحد بشكل فعال من عرض العينة بطريقة عشوائية. عينات أطول من طول ذراع القاطع صعبة بشكل خاص، كما أنه لم يعد من الممكن قطع لهم مع قطع سلس واحد مع سرعة ثابتة. انخفاض في سلالة الفشل مع زيادة طول يشير إلى أن ليس كل انخفاض في الإجهاد الفشل يرجع إلى معدل الإجهاد أبطأ للعينات أطول.
العينات التي تم اختبارها على الفشل مع طول مقياس من 100 ملم تظهر عادة delamination في جميع أنحاء طول مقياس كامل للعينة. العينات التي تم اختبارها على الفشل مع طول مقياس من 900 ملم، ويحدث delamination المعرض فقط في منطقة (عادة بالقرب من منتصف) من المقياس، وترك جزء كبير من العينة سليمة، كما يمكن أن يتوقع من نموذج سلسلة من الحزم.
السيطره
يجب أن تكون القبضات في نمط كابستان. توفر الكابستانات الدوارة سهولة أكبر في التحميل، كما أن أربعة أوضاع قفل فقط للغطاء تساعد على ضمان الاتساق. كابستان قبضة أن إغلاق والمشبك على المواد يمكن استخدامها على مواد زلقة عالية القوة للغاية. ومع ذلك، فإن capstans فتح ثابت المستخدمة في هذه الدراسة العمل لكل من UHMMPE والأراميد.
وقد أجريت دراسة مقارنة نوعين مختلفين من قبضة كابستان، وذلك باستخدام مادة مختلفة. بالنسبة للمجموعة الأولى، تم إصلاح الغطاء، ولم تتم محاذاة العينة مع خلية الحمل ولكن، بدلاً من ذلك، عوضها بنصف عرض الكابستان. وتألفت المجموعة الثانية من الكبستانات الدورية مع دبابيس لقفلها في مكانها أثناء الاختبار. وعلاوة على ذلك، تم تعويض هذه الغطاء لمحاذاة العينة مع خلية الحمل، وبالتالي، منع لحظة على خلية الحمل أثناء التحميل. وكانت توزيعات تحميل الفشل مشابهة جداً لهذه القبضات، كما هو موضح في الشكل 8. قد تعطي القبضات الدوارة توزيعًا أضعف قليلاً من القبضات الثابتة، ويرجع ذلك على الأرجح إلى غطاء نصف قطرها الأوسع، وبالتالي، طول نقل الحمل الأطول. وعلاوة على ذلك، قد يكون للقبضات الثابتة تباين أكبر قليلاً من القبضات الدوارة، حيث أن هناك احتمال أكبر لإتلاف العينة أثناء التحميل عندما يتم إصلاح الغطاء بسبب الصعوبات في التفاف العينة حول الغطاء. الفرق بين هذه القبضات واضح عند مقارنة تحميل مقابل قطع الأراضي التمديد. وترد النتائج من عشر عينات تمثيلية في الشكل 9 للقبضة الثابتة والدورية. منحنيات القبضات الدورية على نحو سلس ومتسقة، في حين في المقابل، منحنيات قبضة ثابتة تظهر في كثير من الأحيان أن العينات كانت تنزلق. عندما يتم إصلاح capstans في مكان، يصبح من الصعب تشديد أسفل على المواد، كما مطلوب عدة التفاف لمنع العينة من الانزلاق من خلال القبضات تماما.
تحليل البيانات
هناك كمية معينة من التباين المتأصلة في المواد الخشبية UD. والهدف من إجراء القطع/الاختبار الوارد في هذه الوثيقة هو التقليل إلى أدنى حد من التباين الإضافي المضاف إليه في إعداد العينات واختبارها. ويمكن أن تعزى نقاط البيانات النائية إما إلى التوزيع المتأصل لشرائح UD أو يمكن أن تكون قطعة أثرية للقص/الاختبار. تناقش الفقرات التالية بعض التقنيات لفصل القطع الأثرية عن التوزيعات.
فشل الإجهاد كدالة لعدد العينة
يمكن أن تظهر مؤامرة من الإجهاد الفشل كدالة لعدد عينة الاتجاهات العامة في مجموعة من العينات. وما لم تكن المادة متغيرة على النطاق الكلي، فلا ينبغي ملاحظة التغير المتأصل في المادة على هذه المادة. ويبين الشكل 2ب مثالاً على مجموعة من العينات المتسقة ذاتياً، على النقيض من الشكل 2(أ).
وقد لا يكون هذا الافتقار إلى الاتساق بين العينات واضحا في تحليلات أخرى. وبالعودة إلى مثال العينات غير المتناسقة، فإن الفرق في إجهاد الفشل واضح من الشكل 2. ومع ذلك، فإنه ليس من الواضح من النظر إلى البيانات للعينات من 1 إلى 40. يظهر هذا في الشكل 3، مؤامرة Weibull مع حدود الثقة 99٪ للعينات من 1 إلى 40. ولا يوجد ما يشير بوضوح في الشكل 3 إلى أن القطع كان غير متسق. وعلاوة على ذلك، فإن سلالات الفشل لهذه العينات نفسها، المرسومة في الشكل 4 كدالة لعدد العينات، لا تظهر أيضا أي دليل على عدم المحاذاة/عدم الاتساق، في حين أن ضغوط الفشل تفعل، كما هو مبين في الشكل 2أ.
توزيع وإلى الخارج
وبالنظر إلى طبيعة هذه المواد صفح UD، فمن المتوقع أن يكون توزيع الإجهاد فشل Weibull19-26. ومن المتوقع أن يحتوي هذا التوزيع على معلمة شكل أعلى بكثير من معلمة الشكل المقترنة بألياف واحدة، وذلك بسبب مشاركة التحميل بين الألياف24-26. يمكن إجراء اختبارات إحصائية قياسية لتحديد ما إذا كان الإجهاد الفشل من دفعة من العينات هو وصف جيد من قبل توزيع Weibull.
مع توزيع Weibull، من المتوقع عدد معين من العينات منخفضة القوة. وهذا يجعل تحديد القيم الخارجية أكثر صعوبة مما لو كانت البيانات من التوزيع العادي. على سبيل المثال، في الشكل 9c، يبدو أن العينة التي تعطي الداتوم في الربع الأيسر السفلي هي خارج. ويعرض الشكل 9ب نفس البيانات، فقط دون أن يتم تحديد القدر ة الخارجية المحتملة المحددة في الشكل 9(أ). وينبغي التحقيق في نقاط البيانات المشتبه فيها، ولا سيما تلك التي تقع خارج فترة الثقة الاحتمالالقصوى بنسبة 95 في المائة.
الشيخوخه
ويعرض الجدول 4 نتائج الشيخوخة بالنسبة للعينات التي يبلغ عرضها 30 مم وطول مقياسها الفعال 300 مم، الذي تم اختباره بمعدل تحميل قدره 10 مم/دقيقة. ولا تظهر هذه النتائج أي آثار للشيخوخة. وقد ثبت سابقا PPTA أن تكون مقاومة للتدهور الناجم عن درجة الحرارة والرطوبة1، 2. وبالتالي، ليس من المستغرب بشكل خاص أن اختبارات الشد في معدل السلالة هذا، حيث لا تلعب المصفوفة دورا رئيسيا، لا تظهر تدهورا كبيرا مع مرور الوقت، للفترة المسموح بها لهذه التجربة الشيخوخة.
وباختصار، فإن تقنية القطع يمكن أن تلعب دورا كبيرا في العرض الفعال للعينة، لذلك من المهم اختيار واحد يعطي نتائج متسقة مع الحد الأدنى من الضرر عينة. تم العثور على مشرط الطبية للعمل بشكل أفضل في هذه الدراسة. نوع من القبضات يمكن أن يؤدي إلى ميزات مضللة في منحنيات الإجهاد سلالة; وبالتالي ، استنادا إلى هذه الدراسة ، ينصح capstans الدورية. معدل التحميل، وعرض العينة، وطول العينة كلها تؤثر على قيمة القوة النهائية ويجب أن يتم اختيارها بعناية. على وجه الخصوص، يجب أن يكون عرض العينة واسعة بما فيه الكفاية بحيث أي تقلبات في قطع ليس لها تأثير لا مبرر له على النتائج، وطول العينة يجب أن تكون طويلة بما فيه الكفاية أن العينة تفشل بين القبضات ولكن ليس طالما أن تجعل من الصعب قطع. من خلال عقد كل من ثابت أعلاه، يمكن للعلماء تحديد آثار الشيخوخة.
الشكل 1: صورة SEM من المواد UD، مع خطوط حمراء وزرقاء بعد الألياف السطحية الفردية لتسليط الضوء على الألياف غير المتوازية. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: قطع من الإجهاد الفشل للعينات محاذاة ومحاذاة. (أ وب) المؤامرات من الإجهاد فشل كل عينة كدالة من رقم العينة. يتكون الفريق أ من 40 عينة منها المجموعة 1، والعينات 1-20 والدائرة باللون الأحمر، ومحاذاتها بشكل جيد والمجموعة 2، العينات 21-40 والدائرة باللون الأزرق، يتم محاذاتها بشكل خاطئ مع اتجاه الألياف. ويتألف الفريق ب من 40 عينة جيدة المحاذاة. (ج و د)قطع من توزيعات ويبول للمجموعتين مع حدود ثقة 99٪، مما يدل على الحد الأدنى من التداخل بين نقاط البيانات من المجموعة 2 مع حدود المجموعة 1. اللوحة ج تظهر خارج. ولا يظهر الفريق (د) العينة 13، وهي عينة خارجية لأنها بعيدة عن الحد الأقصى للاحتمال المقدر للتوزيع. وكانت العينات حوالي 25 ملم واسعة، واختبارها في اسميا 40 ملم / دقيقة، وقطع مع قطع النسيج الكهربائي. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3: مؤامرة Weibull من كل من المجموعة 1 و 2 (كما هو موضح في الشكل 2) معا، وتبين حدود الثقة 99٪. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4: رسم لسلالة الفشل لكل عينة كدالة لرقم العينة، لنفس مجموعة العينات كما هو مبين في الشكل 2 والشكل 3. وكانت العينات حوالي 25 ملم واسعة، واختبارها بمعدل تحميل الإزاحة الشد من حوالي 40 ملم / دقيقة، وقطع مع قطع النسيج الكهربائي. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 5: حافة خشنة، نموذجية من قطع مصنوعة من قطع النسيج بالطاقة الكهربائية. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 6: صور SEM من حواف الألياف عبر قطع مع مجموعات من الصور مجهر مجسم. تم إجراء القطعمع (أ) قاطع نسيج يعمل بالطاقة الكهربائية، (ب) سكين السيراميك، (ج) قاطع السيراميك الدقة، (د) شفرة دوارة، (ه) سكين فائدة، و (و) مشرط الطبية. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 7: نظرة عامة على القطع، التي تنتجها صور SEM للزوايا. صور SEM من الزوايا، وإعطاء لمحة عامة عن قطع التي تنتجها (أ) قطع النسيج بالطاقة الكهربائية ، ( ب ) سكين السيراميك ، (ج) قاطع السيراميك الدقة ، (د ) شفرة دوارة ، (ه) سكين فائدة ، و (و) ) مشرط طبي. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 8: مؤامرة Weibull مقارنة الحمل فشل لمجموعتين مختلفتين من قبضة كابستان. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 9: تحميل مقابل قطع تمديد من 10 عينات تمثيلية. اختبار أجريت باستخدام (أ) ثابتة و (ب) قبضة كابستان الدورية الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 10: توزيعات الإجهاد الفشل. توزيعات الإجهاد الفشل رسمها باستخدام التحجيم Weibull، للعينات مع طول مقياس من 300 ملم، وعرض 30 ملم، وتحميلهافي 10 ملم / دقيقة، وقطع على طول اتجاه 'الاعوجاج'، ( أ) بما في ذلك خارج و (ب)دون خارج. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
| معدل التحميل (مم / دقيقة) | الإجهاد الفشل (MPa) | سلالة الفشل (٪) | [يوونغ س] [مودولوس] ([غبا]) |
| 1 | 872 | 2.72 | 32.7 |
| (31) | (0.09) | (0.71) | |
| 10 سنوات | 909 | 2.79 | 32.9 |
| (40) | (0.12) | (0.78) | |
| 100 | 913 | 2.67 | 33.7 |
| (45) (45) | (0.13) | (0.67) |
الجدول 1: القيم المتوسطة، مع الانحرافات المعيارية بين قوسين، تبين آثار تغيير معدل التحميل على العينات التي يبلغ طول هادىد 300 مم، بعرض 30 مم، وتقطع على طول اتجاه "الاعوجاج"، حيث تكون كل دفعة 35 عينة على الأقل.
| العرض (مم) | الإجهاد الفشل (MPa) | سلالة الفشل (٪) | [يوونغ س] [مودولوس] ([غبا]) |
| 10 سنوات | 874 | 2.80 | 32 |
| (53) | (0.13) | (1.30) | |
| 30 | 909 | 2.79 | 32.9 |
| (40) | (0.12) | (0.80) | |
| 70 | 897 | 2.68 | 33.6 |
| (32) | (0.09) | (0.50) |
الجدول 2: القيم المتوسطة، مع الانحرافات المعيارية بين قوسين، تبين آثار تغيير العرض على العينات التي يبلغ طولها 300 مم، ومعدل تحميل قدره 10 مم/دقيقة، وتقطع على طول اتجاه 'الاعوجاج'، حيث تكون كل دفعة 35 عينة على الأقل.
| الطول (مم) | الإجهاد الفشل (MPa) | سلالة الفشل (٪) | [يوونغ س] [مودولوس] ([غبا]) |
| 100 | 920 | 2.86 | 33.0 |
| (25) | (0.09) | (0.7) | |
| 300 | 909 | 2.79 | 32.9 |
| (40) | (0.12) | (0.8) | |
| 900 | 818 | 2.57 | 32.4 |
| (52) | (0.13) | (0.8) |
الجدول 3: القيم المتوسطة، مع الانحرافات المعيارية بين قوسين، تبين آثار تغيير الطول على العينات التي يبلغ عرضها 30 مم، ومعدل تحميل قدره 10 مم/دقيقة، وتقطع على طول اتجاه "الاعوجاج"، حيث تكون كل دفعة 35 عينة علىالأقل.
| وقت الشيخوخة (بالأيام) | الإجهاد الفشل (MPa) | سلالة الفشل (٪) | [يوونغ س] [مودولوس] ([غبا]) |
| صفر | 909 | 2.79 | 32.9 |
| (40) | (0.12) | (0.8) | |
| 30 | 899 | 2.76 | 33.3 |
| (33) | (0.10) | (0.7) | |
| 58 | 898 | 2.76 | 33.1 |
| (46) | (0.08) | (0.9) |
الجدول 4: القيم المتوسطة، مع الانحرافات المعيارية بين قوسين، تبين آثار الشيخوخة عند 70 درجة مئوية مع 76٪ من الصحة الإنجابية على العينات التي يبلغ طولها 300 مم، وعرض 30 مم، ومعدل تحميل قدره 10 مم/دقيقة، وقطع على طول اتجاه 'الاعوجاج' ، حيث تكون كل دفعة 35 عينة على الأقل.
الشكل التكميلي 1: مخطط من صفح UD. (أ) اتجاه الألياف (الاسطوانات) في طبقتين أحادية الاتجاه (UD)، واحدة مع اتجاه 0 درجة والأخرى مع اتجاه 90 درجة. (ب) التخطيطي لقطع قطعة من المواد UD من الترباس لها. يتم قياس عرض الترباس على طول الخط الأحمر المنقط. بالنسبة للقطعة من المواد المقطوعة، يتم قياس الطول على طول الخط الأحمر المنقط، ويتم قياس العرض عمودياً على الطول. يشار إلى اتجاه "الاعوجاج" بواسطة السهم الأزرق، ويتم الإشارة إلى اتجاه "لحمة" بواسطة السهم الأحمر. يتم تعريف اتجاه الألياف الرئيسية على أنه اتجاه الطبقة العليا (أي، على طول اتجاه السهم الأحمر/ لحمة). منذ اتجاه الألياف الرئيسية يشير إلى الطبقة التي يتم عرضها (الطبقة العليا)، وتحويل المواد أكثر من تغيير اتجاه الألياف الرئيسية من لحمة إلى الاعوجاج. لاحظ أنه لا يوجد تشوه ولحمة بالمعنى التقليدي للنسيج، حيث أن المواد المستخدمة هنا ليست منسوجة. (ج) مخطط يظهر علامة تبويب صغيرة من المواد، وقطع في التحضير للفصل. (د) صفح UD بعد فصل الطبقة العليا من المواد أحادية الاتجاه. يشير الخط الأخضر المتقطع إلى مكان القطع لفصل المواد السليفة عن اللفة. الرجاء النقر هنا لتحميل هذا الملف.
الشكل التكميلي 2: مقارنة SEM. تم إجراء مقارنة SEM بين (أ) وجهة نظر جانبية لشفرة مشرط حادة جديدة مع حافة غير محققة ، (ب) وجهة نظر حافة على شفرة مشرط جديدة تبين كيف أن النصل يأتي إلى نقطة دقيقة ، (ج) وجهة نظر جانبية لشفرة مشرط مستعملة مع عيب في الحافة والخدوش على طول الحافة، و (د) وجهة نظر حافة على شكل شفرة مشرط المستخدمة تبين أن النصل لم يعد لديه حافة غرامة ومملة الآن. الأسهم علامة حافة النصل. الرجاء النقر هنا لتحميل هذا الملف.
الشكل التكميلي 3: شفرة مشرط مستعملة، مع السهم يشير إلى الخدوش على طول النصل. الرجاء النقر هنا لتحميل هذا الملف.
الشكل التكميلي 4: تخطيط القطع. يتم قطع العينات على طول اتجاه لحمة، حيث يشير السهم الأحمر على حد سواء اتجاه الألياف الرئيسية واتجاه لحمة، في حين أن السهم الأزرق يشير إلى اتجاه الاعوجاج. وتستخدم مصطلحات لحمة والاعوجاج للإشارة إلى اتجاهات النسيج القياسية، على الرغم من أنها لا تنطبق بدقة كما لا يتم نسج المواد UD. الرجاء النقر هنا لتحميل هذا الملف.
الشكل التكميلي 5: صور للعينة في مراحل مختلفة من الإعداد. (أ) وضع علامات على نقاط مقياس ضغط الفيديو باستخدام قالب. (ب) تحميل العينة، وتحديد موقع على وجه التحديد نهاية العينة في خط قبضة. الحرص على مركز العينة على قبضة كابستان عن طريق محاذاة مركز العينة داخل ما يقرب من 1 ملم من مركز قبضة كابستان. (ج) عينات في الغرفة البيئية. الرجاء النقر هنا لتحميل هذا الملف.
الشكل التكميلي 6: مخطط السلوك المميز أثناء تحميل عينة غير متناسقة. يتم رسم خط أفقي عبره. (أ) مخطط العينة التي تم تفريغها. في(ب)، يتم تحميل العينة. (ج) عينة خاطئة الفعلية. تظهر الأسهم الحمراء اتجاه الإجهاد المطبق. الرجاء النقر هنا لتحميل هذا الملف.
الشكل التكميلي 7: صور SEM التي تركز على الضرر قطع نموذجي على قطع المواد. تم إجراء التخفيضات مع (أ) سكين فائدة مملة ؛ (ب) قطع النسيج بالطاقة الكهربائية، مما يدل على كميات كبيرة من الضرر موازية لقطع الألياف؛ (ج) سكين خزفي، تبين كيف يقطع السكين في الأقسام، فضلا عن منطقة قص كبيرة تمتد بشكل جيد في المواد؛ (د) قاطع السيراميك الدقة، وتبين كيف شفرة السيراميك لا تقطع من خلال الألياف نفسها؛ (هـ)شفرة دوارة، تظهر الألياف الانسحاب، فضلا عن حافة القطع متموجة؛ (و) سكين فائدة، تبين كيف سكين فائدة يقطع من خلال الألياف ويمكن أن يكون حافة شعر. (ز) مشرط طبي، يبين كيف يمكن للمشرط أن يُقطّع بشكل نظيف عبر الألياف؛ (ح) مشرط طبي، مما يدل على أن الضرر الناجم عن قطع هو المترجمة مع عدم وجود القص على نطاق أوسع، delamination، أو سحب الألياف. الرجاء النقر هنا لتحميل هذا الملف.
الشكل التكميلي 8: صور مجهر مجسم من عيوب الحافة النموذجية. تم إجراء قطعمع (أ) قطع النسيج بالطاقة الكهربائية، والتي تظهر حواف المتوترة على نطاق واسع. (ب) قاطع نسيج يعمل بالطاقة الكهربائية، يظهر حواف متوترة على نطاق صغير؛ (ج) سكين السيراميك، مما يدل على قطع متفاوتة؛ (د) سكين السيراميك، والتي تظهر في كثير من الأحيان الألياف المتوترة؛ (هـ)قاطع السيراميك الدقة، مما يدل على قطع متفاوتة والألياف المتوترة؛ (و) شفرة دوارة، مما يدل على نظافة ولكن أقل حافة مستقيمة؛ (ز) شفرة دوارة، مما يدل على عيب شائع إلى حد ما؛ (ح) سكين فائدة، (ط) مشرط الطبية. الرجاء النقر هنا لتحميل هذا الملف.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
التحديد السليم لاتجاه الألياف أمر بالغ الأهمية. ميزة الأسلوب الموضح في الخطوات 1.4-1.6 من البروتوكول هو أن هناك سيطرة كاملة على عدد الألياف المستخدمة لبدء عملية الفصل. ومع ذلك، هذا لا يعني أن هناك سيطرة كاملة على عرض المنطقة المنفصلة النهائية، كما الألياف ليست موازية تماما ويمكن أن تعبر على بعضها البعض. في عملية فصل دفعة واحدة من الألياف، في كثير من الأحيان، سيتم فصل الألياف المجاورة لتلك التي يجري فصلها، وذلك بسبب هذا كروس. وهكذا، للحصول على قراءة حقيقية على اتجاه الألياف، يجب أيضا إزالة الألياف المجاورة فضفاضة حتى يكون هناك حافة نظيفة مع عدم وجود ألياف جاحظ.
كما أن الاتساق بين العينات أمر بالغ الأهمية. في الخطوة 1.9 من البروتوكول، يتم رسم خطوط قبضة قبل قطع العينات بحيث العينات سيكون لها طول مشترك بين خطوط قبضة، مما يساعد على ضمان طول قياس متسقة عبر العينات. المسافة المثالية من حافة العينة إلى خط قبضة هو وظيفة من كل من معامل الاحتكاك من المواد نفسها وتلك من القبضات، فضلا عن الأبعاد المادية للقبضة. هذه المسافة هي كمية أفضل تحديد تجريبيا، واختبار مسافات مختلفة لتحديد مسافة قصيرة بما فيه الكفاية مع عدم الانزلاق التي تحدث خلال اختبار الشد. في الخطوة 1.12.1 من البروتوكول، من المهم استخدام حصيرة القطع كدليل مرجعي لعرض العينة لضمان أن العينات، في المتوسط، هي العرض المطلوب. قياس من حافة المواد يمكن أن أعرض أخطاء ولن تضمن أن هذه الأخطاء هي من هذا القبيل أن متوسط عرض العينة هو العرض المطلوب. يرجى الرجوع إلى النتائج التمثيلية لمزيد من المناقشة لهذه النقطة.
وتشمل التعديلات المحتملة على الإجراء ضبط عرض العينة، وطول المقياس الفعال، ومعدل الإجهاد، والقبضات، وتواتر تغيير النصل، والمسافة من نهاية العينة إلى خط قبضة، وكم مرة لإعادة توجيه المواد إلى اتجاه الألياف عند القطع، وقيمة التحميل المسبق عند الاختبار. وتناقش آثار تغيير عرض العينة، وطول المقياس الفعال، ومعدل الإجهاد، والقبضات في النتائج التمثيلية. كيف في كثير من الأحيان لإعادة توجيه المواد يعتمد على اتساق اتجاه الألياف في المواد وعلى قدرة القاطع على عدم نقل المواد خلال عملية القطع، ويتم أيضا تحديد أفضل تجريبيا. تختلف مسافة القطع التي تصبح بعدها شفرة مملة، اعتمادا على المواد ونوع النصل. وينبغي تحديد هذا لكل مزيج مختلف من المواد والنصل عن طريق فحص حافة العينة، فضلا عن حافة النصل، تحت المجهر. المسافة من نهاية العينة إلى خط قبضة هو وظيفة من كيفية زلق المواد. المواد الزلقة مع معامل منخفض من الاحتكاك، مثل UHMWPE، سوف تتطلب مسافة أطول إلى خط قبضة. يتم تحديد هذا تجريبيا عن طريق تغيير هذه المسافة حتى العينة لم تعد تنزلق في القبضات أثناء الاختبار. يجب أن تكون قيمة التحميل المسبق عند الاختبار كبيرة بما فيه الكفاية لمعالجة فترة السماح، ولكن ليس كبيرة جداً. في هذه الدراسة، كان 2 N المستخدمة في نهاية منخفضة، فقط بالكاد إزالة الركود.
حاليا، لا توجد طرق اختبار قياسية لقياس الخصائص الميكانيكية لمثل هذه رقيقة (<0.25 مم)، صفح UD مرنة، وتركز الأدبيات المتاحة للاختبار الميكانيكي لهذه المواد على رقائق UD التي تم الضغط على الساخن في كتلة مركبة صلبة11-14، والتي لا تمثل دائما من شرط الاستخدام النهائي. تسمح المنهجية المعروضة في هذه الورقة باختبار الشد لشرائح UD المرنة، دون الحاجة إلى إضافة مصادر إضافية للتباين وتغيير خصائصها المادية عن طريق الضغط الساخن عليها قبل الاختبار.
التطبيقات المستقبلية لهذه الطريقة هي لدراسة الشيخوخة على المدى الطويل على كل من الأراميد- وUHMWPE القائمة على الرقائق. كما سيتم اقتراح هذه الطريقة كمعيار ASTM لاختبار المواد الخشبية اللينة UD، وتوفير آلية لرصد الإجهاد فشل هذه المواد على حد سواء بعد التصنيع، وربما، أثناء الاستخدام في تطبيقات الدروع الجسم.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
يتطلب الوصف الكامل للإجراءات المستخدمة في هذه الورقة تحديد بعض المنتجات التجارية ومورديها. ولا ينبغي بأي حال من الأحوال تفسير إدراج هذه المعلومات على أنه يشير إلى أن هذه المنتجات أو الموردين تحظى بتأييد NIST أو توصي بها شركة NIST أو أنها بالضرورة أفضل المواد أو الأدوات أو البرامج أو الموردين للأغراض وصف.
Acknowledgments
يود المؤلفون أن ينوه ستيوارت لي فينيكس لمناقشاته المفيدة، ومايك رايلي لمساعدته في إعداد الاختبار الميكانيكي، وهانيويل للتبرع ببعض المواد. وقُدم التمويل لإيمي إنغلبريشت - ويغانز في إطار المنحة 70NANB17H337. تم توفير التمويل لـ Ajay Krishnamurthy في إطار المنحة 70NANB15H272. تم توفير التمويل لأماندا ل. فورستر من وزارة الدفاع من خلال الاتفاق المشترك بين الوكالات R17-643-0013.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
References
- 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 Armor Conditioning Protocols for {NIJ--0101.06}: Analytical Results. NISTIR 7627. , (2009).
- NIJ Standard 0101.06- Ballistic Resistance of Personal Body Armor. , (2008).
- Forster, A. L., Chin, J., Peng, J. -S., Kang, K. -L., Rice, K., Al-Sheikhly, M. Long term stability of UHMWPE fibers. Conference Proceedings of the Society for Experimental Mechanics Series. 7, (2016).
- Pilato, L. A. Ballistic Resistant Laminate. , (1993).
- Park, A. D. Ballistic Laminate Structure in Sheet Form. , (1999).
- Jacobs, M. J. N., Beugels, J. H. M., Blaauw, M. Process for the manufacture of a ballistic-resistant moulded article. , (2006).
- ASTM E3110-18 Standard Test Method for Collection of Ballistic Limit Data for Ballistic-resistant Torso Body Armor and Shoot Packs. , (2018).
- Russell, B. P., Karthikeyan, K., Deshpande, V. S., Fleck, N. A. The high strain rate response of Ultra High Molecular-weight Polyethylene: From fibre to laminate. International Journal of Impact Engineering. 60, 1-9 (2013).
- Czechowski, L., Jankowski, J., Kubiak, T. Experimental tests of a property of composite material assigned for ballistic products. Fibres and Textiles in Eastern Europe. 92 (3), 61-66 (2012).
- Levi-Sasson, A., et al. Experimental determination of linear and nonlinear mechanical properties of laminated soft composite material system. Composites Part B: Engineering. 57, 96-104 (2014).
- ASTM D3039/D3039M-17 Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials. , (2017).
- Hazzard, M. K., Hallett, S., Curtis, P. T., Iannucci, L., Trask, R. S. Effect of fibre orientation on the low velocity impact response of thin Dyneema®composite laminates. International Journal of Impact Engineering. 100, 35-45 (2017).
- ASTM D5034-09. Standard Test Method for Breaking Strength and Elongation of Textile Fabrics. Annual Book of ASTM Standards. , Reapproved 1-8 (2017).
- ASTM D5035-11. Standard Test Method for Breaking Force and Elongation of Textile Fabrics (Strip Method). Annual Book of ASTM Standards. , Reapproved 1-8 (2015).
- ASTM D6775-13 . Standard Test Method for Breaking Strength and Elongation of Textile Webbing, Tape and Braided Material. Tape and Braided Material.” Annual Book of ASTM Standards. (Reapproved). , Reapproved 1-8 (2017).
- ASTM D3950. Standard Specification for Strapping, Nonmetallic (and Joining Methods). Annual Book of ASTM Standards. , (Reapproved) 1-7 (2017).
- Weibull, W. A Statistical Distribution Function of Wide applicability. Journal of applied mechanics. 18 (4), 293-297 (1951).
- Coleman, B. D. Statistics and time dependence of mechanical breakdown in fibers. Journal of Applied Physics. 29 (6), 968-983 (1958).
- Coleman, B. D. Time dependence of mechanical breakdown phenomena. Journal of Applied Physics. 27 (8), 862-866 (1956).
- Coleman, B. D. Time Dependence of Mechanical Breakdown in Bundles of Fibers. III. The Power Law Breakdown Rule. Journal of Rheology. 2 (1), 195 (1958).
- Coleman, B. D. Application of the theory of absolute reaction rates to the creep failure of polymeric filaments. Journal of Polymer Sciences. 20, 447-455 (1956).
- Coleman, B. D. A stochastic process model for mechanical breakdown. Transaction of the Society of Rheology. 1 (1957), 153-168 (1957).
- Phoenix, S. L., Beyerlein, I. J. Statistical Strength Theory for Fibrous Composite Materials. Comprehensive Composite Materials. , 559-639 (2000).
- Newman, W. I., Phoenix, S. L. Time-dependent fiber bundles with local load sharing. Physical Review E - Statistical Physics, Plasmas, Fluids, and Related Interdisciplinary Topics. 63 (2), 20 (2001).
- Phoenix, S. L., Newman, W. I. Time-dependent fiber bundles with local load sharing. II. General Weibull fibers. Physical Review E - Statistical, Nonlinear, and Soft Matter Physics. 80 (6), 1-14 (2009).
