Name: Procedimientos de corte, pruebas de tracción y envejecimiento de laminados compuestos unidireccionales flexibles (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-04-27T14:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 53 s
Description: Aprenda procedimientos de corte y pruebas de tracción para evaluar propiedades mecánicas de laminados compuestos unidireccionales flexibles. Este método mejora la precisión en la medición del esfuerzo de falla sin prensado en caliente.

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A los autores les gustaría reconocer a Stuart Leigh Phoenix por sus útiles discusiones, Mike Riley por su ayuda con la configuración de pruebas mecánicas, y Honeywell por donar algunos de los materiales. La financiación de Amy Engelbrecht-Wiggans se proporcionó bajo la subvención 70NANB17H337. La financiación de Ajay Krishnamurthy se proporcionó bajo la subvención 70NANB15H272. El financiamiento para Amanda L. Forster fue proporcionado por el Departamento de Defensa a través del acuerdo interinstitucional R17-643-0013.

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La descripción completa de los procedimientos utilizados en este documento requiere la identificación de ciertos productos comerciales y sus proveedores. La inclusión de dicha información no debe interpretarse en modo alguno en el sentido de que indica que dichos productos o proveedores están respaldados por el NIST o son recomendados por el NIST o que son necesariamente los mejores materiales, instrumentos, software o proveedores para los fines Descrito.

La determinación adecuada de la dirección de la fibra es crítica. La ventaja del método descrito en los pasos 1.4–1.6 del protocolo es que hay un control completo sobre cuántas fibras se utilizan para iniciar el proceso de separación. Sin embargo, esto no significa que haya un control completo sobre el ancho de la región separada final, ya que las fibras no son completamente paralelas y pueden cruzarse entre sí. En el proceso de separación de un lote de fibras, con frecuencia, las fibras vecinas de las que se están separ...

El Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) ayuda a las agencias policiales y de justicia penal a garantizar que los equipos que compran y las tecnologías que utilizan sean seguros, confiables y altamente efectivos, a través de un programa de investigación abordar la estabilidad a largo plazo de las fibras de alta resistencia utilizadas en el blindaje corporal. El trabajo previo1,2se ha centrado en el fallo de campo de una armadura de cuerpo hecha del material de poli(p-fenileno-2,6-benzobisoxazol), o PBO, que condujo a una revisión importante del estándar de armadura corporal del Instituto Nacional de Justicia (NIJ) 3. Desde la publicación de esta norma revisada, el NIST ha continuado trabajando para examinar los mecanismos de envejecimiento en otras fibras de uso común como el polietileno de masa ultramolar (UHMMPE)4 y el poli(p-fenileno tereftalalamida), o PPTA, comúnmente conocido como aramida. Sin embargo, todo este trabajo se ha centrado en el envejecimiento de hilos y fibras individuales, lo que es más relevante para los tejidos. Sin embargo, muchos diseños de armaduras de carrocería incorporan laminados UD. Los laminados UD están construidos de finas capas de fibra (<0.05 mm) donde las fibras en cada capa son paralelas entre sí5,6,7 y el blindaje se construye apilando las láminas delgadas en orientaciones alternas, como se muestra en la Figura Suplementaria 1a. Este diseño se basa en gran medida en una resina aglutinante para sostener las fibras en cada capa generalmente paralela, como se ve en la Figura Suplementaria 1b,y mantener la orientación nominalmente de 0o/90o de los tejidos apilados. Al igual que los tejidos, los laminados UD se construyen típicamente a partir de dos variaciones de fibra principales: aramida o UHMMPE. Los laminados UD proporcionan varias ventajas a los diseñadores de armaduras corporales: permiten un sistema de blindaje de menor peso en comparación con aquellos que utilizan tejidos (debido a la pérdida de fuerza durante el tejido), eliminan la necesidad de construcción tejida y utilizan fibras de diámetro más pequeño para proporcionar un rendimiento similar a los tejidos, pero con un peso más bajo. PPTA ha demostrado anteriormente ser resistente a la degradación causada por la temperatura y la humedad1,2, pero el aglutinante puede desempeñar un papel importante en el rendimiento del laminado UD. Por lo tanto, los efectos generales del entorno de uso en el blindaje basado en PPTA son desconocidos8.
Hasta la fecha, sólo se han realizado trabajos muy preliminares para caracterizar el envejecimiento de las resinas aglutinantes utilizadas en estos laminados UD y los efectos del envejecimiento del aglutinante en el rendimiento balístico del laminado UD. Por ejemplo, durante el desarrollo del protocolo de acondicionamiento utilizado en NIJ Standard-0101.06, los laminados UD mostraron signos visuales de delaminación y reducciones en V50 después de la crianza1,2,8. Estos resultados demuestran la necesidad de una comprensión exhaustiva de las propiedades materiales con el envejecimiento, con el fin de evaluar el rendimiento estructural a largo plazo del material. Esto, a su vez, requiere el desarrollo de métodos estandarizados para interrogar las propiedades de falla de estos materiales. Los objetivos principales de este trabajo son explorar métodos y mejores prácticas para probar con precisión las propiedades mecánicas de los materiales laminados UD y proponer una nueva metodología de prueba para estos materiales. Las prácticas recomendadas para el envejecimiento de los materiales laminados UD también se describen en este trabajo.
La literatura contiene varios ejemplos de pruebas de las propiedades mecánicas de los laminados UD después de prensar en caliente varias capas en una muestra dura9,10,11. Para laminados compuestos rígidos, se puede utilizar ASTM D303912; sin embargo, en este estudio, el material es de aproximadamente 0,1 mm de espesor y no rígido. Algunos materiales laminados UD se utilizan como precursores para fabricar artículos de protección balístico rígidos como cascos o placas resistentes a la balística. Sin embargo, el laminado UD delgado y flexible también se puede utilizar para hacer armaduracorporal 9,13.
El objetivo de este trabajo es desarrollar métodos para explorar el rendimiento de los materiales en armadura de cuerpo suave, por lo que los métodos que implican prensado en caliente no fueron explorados porque no son representativos de la forma en que el material se utiliza en la armadura de cuerpo blando. ASTM International tiene varias normas de método de prueba relacionadas con la prueba de tiras de tela, incluyendo ASTM D5034-0914 Método de prueba estándar para la resistencia a la rotura y el alargamiento de tejidos textiles (prueba de agarre), ASTM D5035-1115 Standard Test Test Método para romper la fuerza y el alargamiento de tejidos textiles (método de tira), ASTM D6775-1316 Método de prueba estándar para la resistencia a la rotura y el alargamiento de las correas textiles, cinta y material trenzado, y la especificación estándar ASTM D3950 17 para la especificación estándar ASTM D3950 17 para la especificación estándar ASTM D3950 17 para la especificación estándar ASTM D3950 17 para la especificación estándar ASTM D3950 17 para la especificación estándar ASTM D3950 17 para la especificación estándar ASTM D3950 17 para la especificación estándar ASTM D3950 17 para la especificación estándar ASTM D395017 para la Correa, No metálico (y Métodos de unión). Estas normas tienen varias diferencias clave en términos de las empuñaduras de prueba utilizadas y el tamaño de la muestra, como se menciona a continuación.
Los métodos descritos en ASTM D5034-0914 y ASTM D5035-1115 son muy similares y se centran en probar tejidos estándar en lugar de compuestos de alta resistencia. Para las pruebas en estos dos estándares, las caras de la mandíbula de las empuñaduras son lisas y planas, aunque se permiten modificaciones para las muestras con una tensión de falla superior a 100 N/cm para minimizar el papel de la falla basada en stick-slip. Las modificaciones sugeridas para evitar resbalones son amarre las mandíbulas, recubrir la tela debajo de las mandíbulas y modificar la cara de la mandíbula. En el caso de este estudio, la tensión de falla de la muestra es de aproximadamente 1.000 N/cm, y por lo tanto, este estilo de agarres da como resultado un deslizamiento excesivo de la muestra. ASTM D6775-1316 y ASTM D395017 están diseñados para materiales mucho más resistentes, y ambos dependen de las empuñaduras capstan. Por lo tanto, este estudio se centró en el uso de agarres capstan.
Además, el tamaño de la muestra varía considerablemente entre estos cuatro estándares ASTM. Los estándares de correa y flejado, ASTM D6775-1316 y ASTM D395017,especifican para probar la anchura completa del material. ASTM D677516 especifica una anchura máxima de 90 mm. Por el contrario, los estándares de tela14,15 esperan que la muestra se corte en sentido ancho y especifica una anchura de 25 mm o 50 mm. La longitud total de la muestra varía entre 40 cm y 305 cm, y la longitud del calibre varía entre 75 mm y 250 mm a través de estos estándares ASTM. Dado que las normas ASTM varían considerablemente en relación con el tamaño de la muestra, se consideraron tres anchos diferentes y tres longitudes diferentes para este estudio.
La terminología que se refiere a la preparación de muestras en el protocolo es la siguiente: perno > material precursor > material > espécimen, donde el término perno se refiere a un rollo de laminado UD, material precursor se refiere a una cantidad de tela UD todavía unida al perno, el material se refiere a una pieza separada de laminado UD, y la muestra se refiere a una pieza individual a probar.

<table><tbody><tr><td>Puños de cabrestante Empuñadura</td><td>universal de la empresa</td><td>20kN Puños envolventes</td><td>Empuñaduras de cabrestante utilizadas en pruebas</td></tr><tr><td>Cuchillo de cerámica</td><td>Slice</td><td>10558</td><td></td></tr><tr><td>Hoja de precisión de cerámica</td><td>Slice</td><td>00116</td><td></td></tr><tr><td>Clamp</td><td>Irwin</td><td>Agarre rápido Abrazadera</td><td></td>de minibarra</tr><tr><td>Confocal Microscopio</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Tapete de corte</td><td>Rotatrim&nbsp;</td><td></td><td>Alfombrilla de corte métrica autorreparable A0</td></tr><tr><td>Denton Desktop Sputter Coater &nbsp;</td><td></td><td></td><td>recubridor de pulverización catódica</td></tr><tr><td>FEI Helios 660 Doble haz FIB/SEM</td><td>FEI Helios</td><td></td><td>Microscopio electrónico de barrido</td></tr><tr><td>Cortador rotativo motorizado</td><td>Chickadee</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Cortador rotativo</td><td>Fiskars</td><td>49255A84</td><td></td></tr><tr><td>Microscopio estereoscópico</td><td>Nacional</td><td>DC4-456H</td><td></td></tr><tr><td>Borde recto</td><td>McMaster Carr</td><td>1935A74</td><td></td></tr><tr><td>Hoja de bisturí quirúrgico</td><td>Sklar Instruments</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Mango de bisturí quirúrgico</td><td>Swann Morton</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Máquina de prueba universal</td><td>Instron</td><td>4482</td><td>Máquina de prueba universal</td></tr><tr><td>Navaja multiusos</td><td>Stanley</td><td>99E</td><td></td></tr></tbody></table>

procedimientos de corte, pruebas de tracción y envejecimiento de laminados compuestos unidireccionales flexibles

Cutting Procedures, Tensile Testing, and Ageing of Flexible Unidirectional Composite Laminates

Muchos diseños de armaduras de carrocería incorporan laminados unidireccionales (UD). Los laminados UD están construidos de capas delgadas (<0.05 mm) de hilos de alto rendimiento, donde los hilos en cada capa se orientan paralelamente entre sí y se mantienen en su lugar utilizando resinas aglutinantes y películas de polímero delgado. La armadura se construye apilando las capas unidireccionales en diferentes orientaciones. Hasta la fecha, sólo se han realizado trabajos muy preliminares para caracterizar el envejecimiento de las resinas aglutinantes utilizadas en laminados unidireccionales y los efectos en su rendimiento. Por ejemplo, durante el desarrollo del protocolo de acondicionamiento utilizado en la Norma Del Instituto Nacional de Justicia-0101.06, los laminados UD mostraron signos visuales de delaminación y reducciones en V50,que es la velocidad a la que la mitad de los proyectiles se espera que perforar la armadura, después de envejecer. Una mejor comprensión de los cambios en la propiedad del material en los laminados UD es necesaria para comprender el rendimiento a largo plazo de las armaduras construidas a partir de estos materiales. No hay normas actuales recomendadas para interrogar mecánicamente materiales laminados unidireccionales (UD). Este estudio explora métodos y mejores prácticas para probar con precisión las propiedades mecánicas de estos materiales y propone una nueva metodología de prueba para estos materiales. También se describen las mejores prácticas para el envejecimiento de estos materiales.

Se realizaron muchas iteraciones de corte y pruebas para investigar varias variables diferentes. Algunas variables que se examinaron incluyen la técnica de corte y el instrumento de corte, la tasa de ensayo, la dimensión de la muestra y las empuñaduras. Un hallazgo crítico fue la importancia de alinear las muestras con la dirección de la fibra. Los procedimientos de análisis de datos (análisis de consistencia, técnicas de Weibull, determinación de valores atípicos, etc.) se discuten a con...

El objetivo del estudio fue desarrollar protocolos para preparar muestras consistentes para pruebas mecánicas precisas de aramida de alta resistencia o materiales laminados compuestos unidireccionales flexibles basados en polietileno de masa ultra alta molar y para describir protocolos para realizar el envejecimiento artificial de estos materiales.

Procedimientos de corte, pruebas de tracción y envejecimiento de laminados compuestos unidireccionales flexibles

Many body armor designs incorporate unidirectional (UD) laminates. UD laminates are constructed of thin (&#60;0.05 mm) layers of high-performance yarns, ...

Este protocolo puede ayudar a responder preguntas clave en el campo del desarrollo de la armadura corporal mediante la definición de un procedimiento repetible para probar las propiedades mecánicas de los tejidos compuestos unidireccionales flexibles. Un corte recto y limpio bien orientado con la dirección de la fibra es fundamental para la medición precisa de la tensión de falla al prevenir fuentes adicionales de error. Esta técnica llena un vacío en las pruebas actuales al permitir el interrogatorio de las propiedades de un material sin prensado en caliente, que es más representativo de su uso en el blindaje de cuerpo blando.Desenrolle un perno de material unidireccional para ser probado en una superficie de trabajo. La porción de unwound es el material precursor. Compruebe visualmente que la dirección de la fibra principal es paralela a la anchura del perno.A continuación, obtenga un bisturí para aislar el material precursor. Cree una pestaña haciendo un corte paralelo a la dirección de la fibra. A continuación, hacer otro corte paralelo a unos tres milímetros de distancia.Sujete manualmente la pestaña y desgarrándola para exponer las fibras en la capa debajo. Tire hasta que las dos capas se hayan separado a lo largo de toda la longitud del material precursor. Retire las fibras sueltas del borde de la pestaña que vecino las fibras cruzadas expuestas.Estos pueden estar hasta uno a dos milímetros de distancia de la ruta de tabulación. Continúe separando la pieza de material precursor del perno. Gire el material para que la nueva dirección de la fibra principal sea la dirección warp.Ahora, marque las líneas de pinzamiento en el material alineado en la dirección de trama. Estas líneas son una distancia establecida desde y paralela a los bordes de corte del material. Una vez más, corte una pestaña en el material y, a continuación, tire de la pestaña para determinar la dirección de la fibra principal para la muestra que se va a cortar del material.La dirección de la fibra debe ser perpendicular a las líneas de agarre. Lleve el material a una alfombra de corte en cuadriculación adecuada. Alinee cuidadosamente la dirección de la fibra con las líneas de rejilla de la estera.Asegúrese de que la dirección de la fibra en el material esté alineada con las líneas de rejilla. Evite dañar el material y fíjelo a la alfombra de corte pegando sus esquinas. Utilice una cuchilla médica y un borde recto para cortar muestras del material.Coloque el borde recto en la anchura de la muestra deseada y alinee con la rejilla de la alfombra de corte. Sujete los extremos del borde recto en su lugar y compruebe que todavía está correctamente posicionado. Corte la muestra a lo largo del borde recto con una velocidad y presión constantes.Desenganchar el borde recto, teniendo cuidado de no mover el material. Luego, retire el espécimen. Estas son todas las muestras obtenidas después de repetir los pasos de corte para maximizar la producción de muestras.Prepárese para marcar los puntos para rastrear un espécimen para su uso con un extensómetro de video. Para mantener la coherencia, utilice una plantilla colocada sobre la muestra. Marque los puntos del medidor con un marcador permanente.Asegúrese de que las marcas estén visibles en la muestra para permitir la medición de la tensión. A continuación, lleve la muestra a la máquina de pruebas universal. Allí, inserte el extremo de la muestra a través del hueco en el capstan y llémelo alrededor de la línea de agarre, formando un bucle.Centra la muestra en las empuñaduras del capstan. Mientras mantiene la muestra centrada, gire el capstan a la posición deseada. Utilice un dispositivo tensor para mantener la muestra en su lugar antes de bloquear el capstan en su lugar.Complete el montaje de la muestra repitiendo los mismos pasos con el otro extremo. Cuando haya terminado, aplique una pequeña precarga de dos newtons y registre la longitud real del medidor. Ahora configure el instrumento para realizar una prueba de tracción a una constante de 10 milímetros por minuto y comenzar la prueba.Para la prueba, la máquina de prueba aplica una velocidad constante de extensión a la muestra mientras se registran la carga y el desplazamiento. La prueba continúa hasta que se produce una interrupción en la muestra. Esta gráfica es una curva típica de carga frente a desplazamiento para estos experimentos.Al monitorear la pantalla, una reducción del 90% en la carga observada indica una rotura en la muestra. Registre la tensión máxima y la tensión de falla correspondiente. Después de hacer un plan para el estudio, corte el material necesario para cada condición a probar.Las tiras deben ser lo suficientemente anchas como para producir los especímenes requeridos y tener 10 milímetros o más adicionales. Coloque las tiras para la exposición ambiental en una bandeja. En la cámara ambiental, establezca su programa para condiciones de temperatura ambiente seca y permita que se estabilice.Una vez estabilizada la cámara, coloque la bandeja de muestra dentro de las paredes o de cualquier punto de condensación. A continuación, programe la cámara para alcanzar la temperatura objetivo para el estudio ambiental. Cuando la temperatura sea estable, programe la cámara para alcanzar la humedad objetivo.Cuando llegue el momento de extraer el material envejecido, programe la cámara para disminuir la humedad relativa a aproximadamente la del laboratorio. Después de que la humedad se haya estabilizado, programe la temperatura para bajar a temperatura ambiente, o unos 25 grados centígrados. Para recuperar el material, prepárese con un recipiente debidamente etiquetado.Con la humedad y la temperatura estables, abra la cámara, retire el material necesario y colóquelo en el recipiente etiquetado. Devolver cualquier material restante a la cámara ambiental y restablecer las condiciones elegidas. A continuación, tome el material envejecido para crear especímenes envejecidos.Este material envejecido está alineado en una superficie de corte autocurable. Sus líneas de agarre se han marcado como antes. Configure el borde recto para eliminar cinco milímetros de un lado de la muestra.Recorta esta cantidad para eliminar cualquier daño de la manipulación durante el proceso de envejecimiento. Continúe creando los especímenes de la misma manera que el material sin gear. Cuando se hace, los especímenes están listos para su uso en experimentos de prueba de tracción.Para las pruebas de carga realizadas con un capstan fijo, las gráficas de carga frente a extensión de varias muestras muestran que las muestras se han deslizado. Esto refleja la dificultad de asegurar el material. Por el contrario, con un capstan giratorio las curvas son suaves y consistentes.El material es un laminado unidireccional de polietileno de masa molecular ultra alta. Esta distribución de tensión de error se traza mediante la escala de Weibull. Los datos son para muestras de laminado unidireccional PPTA que una longitud de calibre de 300 milímetros y una anchura de 30 milímetros cortadas a lo largo de la dirección warp con una carga de 10 milímetros por minuto.Hay un atípico de baja resistencia que debe ser investigado. Para la comparación, se trazan los mismos datos excepto con el valor atípico excluido. Observe el cambio en el eje horizontal.Después de este procedimiento, la espectroscopia molecular podría emplearse para responder preguntas sobre los cambios químicos en el material debido a la exposición al calor y la humedad. Recuerde que el bisturí médico es extremadamente afilado y se debe tener el cuidado adecuado para evitar lesiones.

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