Summary
Målet med studien var å utvikle protokoller for å forberede konsistente eksemplarer for nøyaktig mekanisk testing av høy styrke aramid eller Ultra-High-molar-masse polyetylen-basert fleksibel enveis kompositt laminat materialer og for å beskrive protokoller for å utføre kunstig aldring på disse materialene.
Abstract
Mange kroppen rustning design innlemme enveis (UD) laminat. UD-laminat er laget av tynne (< 0,05 mm) lag med høy ytelse garn, der garn i hvert lag er orientert parallelt med hverandre og holdt på plass ved hjelp av bindemiddel harpiks og tynne polymer filmer. Rustningen er konstruert ved stabling av enveis lag i forskjellige retninger. Hittil har bare svært foreløpige arbeidet er utført for å karakterisere den aldring av bindemiddel harpiks brukt i enveis laminat og virkningene på ytelsen. For eksempel, under utviklingen av condition protokollen som brukes i National Institute of Justice standard-0101,06,-laminat, viste UD visuelle tegn på delaminering og reduksjoner i V50, som er den hastigheten som halvparten av prosjektiler forventes å perforere rustning, etter aldring. En bedre forståelse av materielle eiendom endringer i UD laminat er nødvendig for å forstå den langsiktige ytelsen til rustning konstruert av disse materialene. Det er ingen gjeldende standarder som anbefales for mekanisk forhører enveis (UD) laminat materialer. Denne studien utforsker metoder og beste praksis for nøyaktig testing av mekaniske egenskaper av disse materialene, og foreslår en ny test metodikk for disse materialene. Gode fremgangsmåter for aldring av disse materialene er også beskrevet.
Introduction
National Institute of Standards and Technology (NIST) hjelper rettshåndhevelse og strafferettslige etater sikre at utstyret de kjøper og de teknologiene som de bruker er trygge, pålitelige og svært effektive, gjennom et forskningsprogram adressering den langsiktige stabiliteten av høy styrke fibre som brukes i kroppen rustning. Tidligere arbeid1,2har fokusert på feltet svikt i en kropp rustning laget av materialet Poly (p-phenylene-2, 6-benzobisoxazole), eller PbO, noe som førte til en større revisjon av National Institute of Justice ' s (NIJ ' s) Body Armor standard 3. siden utgivelsen av denne reviderte standarden, har arbeidet fortsatt på NIST å undersøke mekanismer for aldring i andre brukte fibre som Ultra-High-molar-masse POLYETYLEN (UHMMPE)4 og Poly (p-phenylene TEREPHTHALAMIDE), eller PPTA, kjent som aramid. Imidlertid har alt dette arbeidet fokusert på aldring av garn og enkelt fibre, som er mest relevant for vevde stoffer. Men mange kroppen rustning design innlemme UD laminat. UD laminat er konstruert av tynne fiber lag (< 0,05 mm) der fibrene i hvert lag er parallelt med hverandre5,6,7 og rustning er konstruert ved å stable de tynne arkene i vekslende orientering, som avbildet i supplerende figur 1a. Denne designen avhenger tungt på en bindemiddel harpiks å holde fibrene i hvert lag generelt parallell, som vist i supplerende figur 1B, og opprettholde nominelt 0 °/90 ° orientering av stablet stoffer. Som vevde stoffer, er UD laminat vanligvis konstruert av to store fiber variasjoner: aramid eller UHMMPE. UD laminat gir flere fordeler til kroppen rustning designere: de tillater for en lavere vekt rustning system i forhold til de som bruker vevde stoffer (på grunn av styrke tap under veving), eliminere behovet for vevd konstruksjon, og bruke mindre diameter Fibre å gi en lignende ytelse til vevde stoffer, men til en lavere vekt. PPTA har tidligere vist å være motstandsdyktig mot degradering forårsaket av temperatur og luftfuktighet1,2, men dokumentordneren kan spille en betydelig rolle i utførelsen av UD laminat. Dermed er den generelle effekten av bruk miljøet på PPTA-baserte rustning ukjent8.
Hittil har bare svært foreløpige arbeidet er utført for å karakterisere aldring av bindemiddel harpiks som brukes i disse UD laminat og virkningene av bindemiddel aldring på ballistisk ytelse av UD laminat. For eksempel under utviklingen av condition-protokollen som brukes i NIJ standard-0101,06, viste UD-laminat visuelle tegn på delaminering og reduksjoner i V50 etter aldring1,2,8. Disse resultatene viser behovet for en grundig forståelse av materialets egenskaper med aldring, for å evaluere materialets langsiktige strukturelle ytelse. Dette i sin tur nødvendiggjør utvikling av standardiserte metoder for å forhøre svikt egenskapene til disse materialene. Hovedmålene for dette arbeidet er å utforske metoder og beste praksis for nøyaktig testing av mekaniske egenskaper av UD laminat materialer og å foreslå en ny test metodikk for disse materialene. Beste praksis for aldring UD laminat materialer er også beskrevet i dette arbeidet.
Litteraturen inneholder flere eksempler på testing av mekaniske egenskaper UD laminat etter hot-trykke flere lag i en hard prøve9,10,11. For rigid kompositt laminat, ASTM D303912 kan brukes; men i denne studien, er materialet ca 0,1 mm tykk og ikke stive. Noen UD laminat materialer brukes som forløpere for å gjøre stive ballistisk beskyttende artikler som hjelmer eller ballistisk-resistente plater. Imidlertid, det spinkle, fleksibel UD laminat kanne likeledes bli brukt til å lage kropp rustning9,13.
Målet med dette arbeidet er å utvikle metoder for å utforske resultatene av materialene i myke kroppen rustning, slik at metoder som involverer varmpressing ikke ble utforsket fordi de ikke er representative for hvordan materialet blir brukt i myke kroppen rustning. ASTM International har flere test-metode standarder knyttet til testing strimler av stoff, inkludert ASTM D5034-0914 standard testmetode for bruddstyrke og forlengelse av tekstilstoffer (Grab test), ASTM D5035-1115 standard test Metode for Breaking Force og forlengelse av Tekstilstoffer (Strip Method), ASTM D6775-1316 standard test metode for bruddstyrke og forlengelse av tekstil webbing, tape og flettet materiale, og ASTM D395017 standard spesifikasjon for Stropper, metalliske (og Sammenføynings metoder). Disse standardene har flere viktige forskjeller når det gjelder test håndtakene som brukes, og prøvestørrelsen, som nevnt nedenfor.
Metoder beskrevet i ASTM D5034-0914 og ASTM D5035-1115 er svært like og fokuserer på å teste standardtekst iler i stedet for høy styrke kompositter. For testene i disse to standardene, kjeven ansikter av håndtakene er glatte og flate, selv om modifikasjoner er tillatt for prøver med en svikt stress større enn 100 N/cm for å minimere rollen som Stick-slip-basert svikt. Foreslåtte modifikasjoner for å hindre slipping er å puten i kjever, pels stoffet under kjever, og endre kjeven ansiktet. I tilfelle av denne studien, er prøven svikt stress ca 1 000 N/cm, og dermed denne stilen grep resulterer i overdreven prøve glidning. ASTM D6775-1316 og ASTM D395017 er ment for mye sterkere materialer, og begge er avhengige av vinde håndtak. Således, denne studien fokuserte på bruk av vinde grep.
Videre varierer prøvestørrelsen betraktelig blant disse fire ASTM standardene. Den webbing og stropp standarder, ASTM D6775-1316 og ASTM D395017, spesifiser for å teste hele bredden av materialet. ASTM D677516 spesifiserer en maksimal bredde på 90 mm. I kontrast, stoffet standarder14,15 forventer at prøven skal kuttes byplanen og angi enten en 25 mm eller 50 mm bredde. Den totale lengden på prøven varierer mellom 40 cm og 305 cm, og måle lengden varierer mellom 75 mm og 250 mm på tvers av disse ASTM-standardene. Ettersom ASTM-standardene varierer betydelig i forhold til prøvestørrelsen, ble det vurdert tre forskjellige bredder og tre forskjellige lengder for denne studien.
Terminologien refererer til prøven forberedelse i protokollen er som følger: bolt > forløper materiale > materiale > prøven, der begrepet bolt refererer til en rull med UD laminat, refererer forløper materiale til en nøstes mengde UD stoff fortsatt festet til bolten, refererer materialet til et separert stykke UD laminat, og prøven refererer til en individuell brikke som skal testes.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. skjæring prosedyre for Warp-retning prøver som er kuttet vinkelrett på aksen av rullen
- Identifiser en bolt av enveis materiale som skal testes.
Merk: det er ingen Warp (brukes til å beskrive retningen vinkelrett på aksen av rullen) og WEFT (brukes til å beskrive retningen parallelt med aksen av rullen) i den tradisjonelle tekstil forstand, som materialet som brukes her er ikke vevd, men disse begrepene er lånt fo r klarhet. - Manuelt rulle bolten for å avdekke forløperen materialet (dvs. det identifiserte materialet nøstes fra bolten, men fortsatt er koblet til bolten).
Merk: bredden på denne bolten vil bli materialets totale lengde (se supplerende figur 1B), så for en 300 mm måle lengde (som tilsvarer en 600 mm total prøve lengde), ved hjelp av fremgangsmåten og test håndtakene spesifisert nedenfor, den delen av materiale kuttet fra bolten bør være 600 mm bred. Lengden på dette stykke materiale vil være at av bredden på bolten som materialet er rullet (ca 1 600 mm, i dette tilfellet). Dette er avbildet i supplerende figur 1B. - Kontroller visuelt at den viktigste Fiberretningen er parallell med bredden av bolten, som vist i supplerende figur 1B. Den fiberretning av det øverste laget av materialet (dvs. det som en seer ser når du ser ned på prøven) er kalt den viktigste fiberretning.
- Skjær en liten fane i forløperen materiale med en skalpell, ca 3 mm bred, med fanen lengde justert nominelt parallelt med de viktigste fiberretning av forløperen materialet, som vist i supplerende figur 1C.
- Ta tak i fanen manuelt og trekk den opp for å rive fliken unna og utsett fibrene på laget under, og Kjør vinkelrett på fanen. Fortsett å trekke på fanen til de to lagene har blitt separert over hele lengden av forløperen materiale ( Ekstra figur 1d).
Merk: dette trinnet vil produsere en region der bare kryss fibre er synlige, som vist i supplerende figur 1d. - Fjern eventuelle løse fibre nabokommunene de eksponerte kryss fibrene som gjenstår fra kanten av tappen.
Merk: i dagens UD laminat system, ble det observert at fibrene ikke er helt parallelle (som vist i figur 1) og at de kan krysse over nabo fibre. Således, fibre nabo de blir separert vil ofte bli separert i denne prosessen. Den nærliggende fibre som blir løs kan være så mye som 1-2 mm unna den forventede banen til kategorien som brukes for separasjon. - Ved hjelp av en medisinsk skalpell, kuttet langs den eksponerte tverr fibrene, og dermed skille stykke forløper materiale fra bolten.
- Bestem avstanden kutt som dulls bladet, forårsaker en mindre rent kutt (dvs. etter 400 cm kutte dette materialet, kan en skalpell bli kjedelig og ripete, som vist i supplerende figur 2 og supplerende figur 3). Skift ut bladet før det blir kjedelig, eller hvis det er skadet. Undersøk flere skjære instrumenter når du tester en annen type materiale for å finne den beste.
FORSIKTIG: det må utvises forsiktighet med alle skarpe kniver eller skjæreverktøy for å unngå skader. Kuttbestandige hansker kan brukes i dette trinnet for å redusere faren for skade.
- Bestem avstanden kutt som dulls bladet, forårsaker en mindre rent kutt (dvs. etter 400 cm kutte dette materialet, kan en skalpell bli kjedelig og ripete, som vist i supplerende figur 2 og supplerende figur 3). Skift ut bladet før det blir kjedelig, eller hvis det er skadet. Undersøk flere skjære instrumenter når du tester en annen type materiale for å finne den beste.
- Snu materialet, slik at nå er det viktigste fiberretning i Warp retning.
Merk: siden rektor fiberretning refererer til laget som blir sett (det øverste laget), snu materialet over vil endre rektor fiberretning fra WEFT til Warp (se supplerende figur 1B). - Merk grep linjene på materialet justert i WEFT retning.
Merk: disse linjene går fra produsert kant til produsert kant, parallelt med kuttet kantene og 115 mm fra disse kuttet kantene. Disse vil bli ytterligere forklart i trinn 4.4.1, men grepet linjene er linjer som brukes ved lasting eksemplarer (som er kuttet senere) i strekk testing grep. - Bestem den viktigste Fiberretningen for prøven som skal kuttes fra materialet ved hjelp av trinn 1,3.
Merk: Vær oppmerksom på at fiber orientering ikke kan være nøyaktig vinkelrett på den produserte kanten; i så fall følger du den nøyaktige fiber linjen. Unngå området i nærheten av den produserte kanten, fordi det ikke nødvendigvis gjenspeiler masse materialegenskaper nøyaktig. - Orientere materialet på en passende selvhelbredende gridded skjære matte som er stor nok til å passe bredden av materialet (mellom kuttet kantene) og en lengde (WEFT retning) på minst 300 mm, som det refereres til i trinn 1,16.
- Juster forsiktig Fiberretningen med støttelinjene på skjære matten. Bruk klippekanten av materialet som en guide i kø av materialet; å justere Fiberretningen til prøven er imidlertid det viktigste.
- Tape materialet til skjære matten.
Merk: båndet må aldri plasseres på et sted nær midten av prøven. i stedet bør det brukes på hva som vil være endene av prøvene som skal kuttes fra materialet. Endene vil være i håndtakene når en prøve testes; Derfor er enhver skade påført materialet av tapen minimeres. Taping bare hjørnene av materialet som er langt fra kuttet vil sikre at materialet ikke vil flytte, og at når du kutter en prøve, vil bladet ikke også kutte tape. Low-tack tape (f. eks, maleren ' s tape) fungerer godt fordi det fester seg godt nok til å holde stoffet på plass uten å skade materialet når den er fjernet.
- Klipp prøvene fra materialet ved hjelp av bladet og en rett kant. Stripene dannes er prøvene. Ikke la materialet bevege seg i denne prosessen; Hvis ikke, Bestem Fiberretningen på nytt og snu materialet tilsvarende.
- Plasser den rette kanten på ønsket sted som tilsvarer riktig prøve bredde (dvs. 30 mm). Merk at den medisinske skalpell er tynn nok til at ingen forskyvning i plasseringen av den rette kanten er nødvendig for å gjøre rede for skjære stedet. Rett inn den rette kanten til risten på skjære matten eller andre bruker etablerte Referanselinjer på skjære matten.
- Klem den rette kanten på plass ved å klemme på hver ende av den rette kanten. Kontroller plasseringen av den rette kanten etter at du har slått på, da den kan ha beveget seg under spenn prosessen.
- Klipp prøven bort fra materialet langs den rette kanten ved hjelp av den medisinske skalpell. Sikre en enkel, ren, glatt kutt, med en konstant hastighet og trykk.
Merk: noe trykk kan påføres med bladet mot den rette kanten for å holde bladet på kanten av den rette kanten.
FORSIKTIG: det må utvises forsiktighet for å unngå skade, så det anbefales å bruke kuttbestandige hansker når du håndterer den medisinske skalpell. Videre, siden det glatte kutt kan oppnådd stund klipping mot kroppen, bruk en kutt-motstandsdyktig forkle eller laboratorium belegge er rådet. - Undersøk klippekanten på stripen under mikroskopet. Bytt blad hvis snitt kanten har betydelig mer utstikkende fibre eller andre defekter sammenlignet med et kutt laget med et nytt, skarpt blad.
- Løsne den rette kanten, ta vare på at materialet ikke beveger seg i prosessen. Hvis materialet gjorde flytte, redetermine fiberretning og snu materialet på riktig måte.
- Gjenta trinn 1.12 – 1.15 inntil det maksimale antallet eksemplarer som kan kuttes fra 300 mm av materialet er innhentet.
Merk: for prøver med en bredde på 30 mm, tilsvarer 300 mm materiale 10 eksemplarer, mens for prøver med en bredde på 70 mm, tilsvarer dette 4 eksemplarer. Denne 300 mm grensen har blitt bestemt på å fungere godt for enveis laminat studert her, men kan variere for andre laminat. - Gjenta trinn 1.10 – 1.11 etter behov (dvs. redetermine den viktigste Fiberretningen og snu materialet før du fortsetter å skjære flere eksemplarer).
Merk: protokollen kan stanses midlertidig her. Hvis prøvene ikke skal brukes umiddelbart, må de oppbevares på et mørkt og lokalt sted.
2. skjære prosedyre for WEFT-prøver som er kuttet langs aksen av rullen
Merk: det er ingen Warp og WEFT i den tradisjonelle tekstil forstand, da materialet som brukes her ikke er vevd, men disse begrepene er lånt for klarhet.
- Bestem bredden og lengden på materialet som ønskes i henhold til antallet og størrelsen på prøvene som skal kuttes.
Merk: for dette enveis laminat og for prøver med en måle lengde på ca 300 mm, kan to eksemplarer som er plassert ende til ende kuttes langs bredden av bolten. Således kan et sett på 40 eksemplarer kuttes i to kolonner av 20 eksemplarer hver, som vist i supplerende figur 4, før severing materialet fra rullen. Hvis bredden på prøvene er 30 mm, bør materialet kuttes ved 20x prøven bredde (som det er 20 eksemplarer per kolonne) med litt ekstra plass (dvs. 610 mm).- Bestem fiberretning langs WEFT for bredden av interesse, følge instruksjonene fra trinn 1.4 – 1,6.
- Skjær den eksponerte tverr fibrene (dvs. over Warp fibre) ved hjelp av et blad, og dermed skille forløperen materialet fra bolten.
FORSIKTIG: forsiktighet må tas med alle skarpe kniver eller skjæreverktøy, for å unngå skader. Kuttbestandige hansker kan brukes i dette trinnet for å redusere faren for skade.
- Forbered deg på å kutte lengder som matcher ønsket prøve lengde (dvs. skjær i Warp-retningen ved prøve lengden av interesse). For å oppnå en 300 mm måle lengde (tilsvarende en 600 mm total prøve lengde), Bruk fremgangsmåten og test håndtakene spesifisert nedenfor, må du huske på at materialet skal nå være 600 mm x 610 mm.
- Følg trinn 1.9 – 1.17 for å skjære ut de ønskede prøvene.
Merk: protokollen kan stanses midlertidig her. Hvis prøvene ikke skal brukes umiddelbart, må de oppbevares på et mørkt og lokalt sted.
3. analyse av skjære metoder ved å skanne elektron mikroskopi
- Forbered prøvene for en analyse ved å skanne elektron mikroskopi (SEM) ved å kutte firkanter på ca 5 mm i lengde og bredde, bevare minst to kanter av plassen fra cutting teknikk av interesse. Disse bevarte kantene bør identifiseres og er kantene som vil bli evaluert under mikroskopet.
- Monter prøvene på SEM prøve holderen ved å følge dem med pinsett på egnet dobbeltsidig karbon tape.
- Coat prøvene med et tynt (5 NM) lag av ledende materiale, for eksempel gull Palladium (au/PD), for å redusere overflate-lading effekter under skanning elektronmikroskop.
- Legg prøvene i et skanne elektronmikroskop og bilde dem på ca 2 kV av akselererende spenning og med en strøm på 50 – 100 pA elektron. Bruk lade nøytralisering innstillinger for å motvirke lade effekter der det er nødvendig.
4. strekk testing av UD laminat prøver
- Mål håndtakene for å bestemme forskjellen mellom crosshead opprinnelige lokasjons verdi og avstanden mellom hvor prøven kontakter topp-og bunn håndtakene under minimal spenning. Les crosshead plassering fra test programvaren. Beregn en effektiv måle lengde fra dette ved å måle den effektive måle lengden på dette crosshead stedet. Legg til forskyvningen (mengden forskyvning) til crosshead plassering for å bestemme den effektive måle lengden (den målte effektive måle lengden minus crosshead plassering).
- Antall prøver som er klargjort i henhold til avsnitt 1 og 2, med en permanent markør med mykt tippet slik at rekkefølgen de ble klargjort i, er klar. Merk også annen informasjon, for eksempel datoen for klargjøring og orientering.
Merk: prøvene som brukes her, har dimensjoner på 30 mm x 400 mm, men prøve dimensjonene kan variere for andre materialer – og ble oppnådd ved å følge del 1 eller del 2. Hvis prøvene ikke skal brukes umiddelbart, må de oppbevares på et mørkt og lokalt sted. - Hvis belastningen vil bli målt ved hjelp av en video ekstensometer, manuelt merke målepunkter med en permanent markør, ved hjelp av en mal for konsistens, som vist i supplerende figur 5a, å gi poeng for video ekstensometer å spore og dermed måle Belastning. Hvis belastningen vil bli beregnet fra crosshead forskyvning, hopp over dette trinnet.
- Legg prøven i midten av vinde håndtak.
- Sett enden av prøven gjennom gapet i vinde og plasser enden av prøven på gripe linjen trukket i trinn 1,9, som vist i supplerende figur 5B. Pass på å sentrere prøven på vinde håndtak ved å rette inn midten av prøven innenfor ca. 1 mm av midten av vinde håndtak.
- Drei vinde til ønsket posisjon, sørg for å holde prøven sentrert. Bruk en spenn anordning – for eksempel en magnet plassert på prøven hvis håndtakene er magnetiske – til å holde prøven på plass forsiktig, og lås vinde på plass med låsepinnene.
- Gjenta trinn 4.4.1 og 4.4.2 for den andre enden av prøven.
- Påfør en forhåndsinnlasting av 2 N, eller en annen passende liten belastning.
- Registrer crosshead forskyvning/faktisk måle lengde.
- Programmere instrumentet til å utføre strekk testen, med en konstant hastighet på forlengelse på 10 mm/min, ved hjelp av video ekstensometer eller crosshead forskyvning for å registrere belastningen, og trykk på Start for å starte testen.
- Monitor skjermen og stoppe testen når prøven har brutt, noe som gjenspeiles av et tap på 90% i den observerte belastningen på skjermen. Record maksimal belastning, som er det samme som svikt stress på grunn av innholdet av materialet, og tilsvarende svikt belastning. Gjenta trinn 4.3 – 4.8 for de resterende prøvene.
- Lagre de ødelagte prøvene for videre analyse.
- Se etter stress ved svikt som en funksjon av prøve nummer og original prøve plassering i materialet, samt andre indikasjoner på problematiske data, for eksempel datapunkter som avviker svært fra Weibull18 -fordelingen, og undersøke mulige årsaker, for eksempel prøver som er skadet under tilberedning eller håndtering, før du fortsetter.
5. utarbeidelse av prøver for aldrings eksperimenter
-
Begynnelsen av et aldrende eksperiment
- Beregn den totale mengden av materiale som trengs for studien per miljø tilstand og basert på en prøveutvinning plan av hver måned for 12 måneder.
Merk: for denne studien ble det brukt 40 eksemplarer per ekstraksjon og totalt 12 utdrag for planleggingsformål. - Skjær den totale mengden av materiale som trengs for hver tilstand. Skjær hver stripe bred nok til å imøtekomme det nødvendige antall eksemplarer pluss minst 10 mm.
Merk: en ekstra 5 mm materiale vil bli trimmet fra hver side av prøven før du utfører strekk testing. Det ekstra materialet brukes fordi kantene av prøvene kan være skadet på grunn av håndtering under aldrings protokollen. - Plasser snitt aldrings strimler i skuffer som skal plasseres i miljøkammeret som vist i supplerende figur 5c. Skuffene som brukes i denne studien kan hver holde ca 120 strimler.
- Velg eksponerings forhold for miljø studien basert på forventet bruks-og lagringsmiljø av materialet2.
Merk: i denne studien ble nominelt 70 ° c ved 76% relativ fuktighet (RH) brukt. - Programmere et miljøkammer for tørre romtemperatur forhold (f.eks. ca. 25 ° c ved 25% RH). La kammeret for å stabilisere seg på disse forholdene, og deretter plassere prøven skuffen på et stativ i kammeret, bort fra veggene og eventuelle steder i kammeret som ser ut til å tiltrekke kondens.
- Program miljøkammeret til ønsket temperatur som bestemmes i trinn 5.1.4, slik at fuktigheten ca 25% RH.
- Når kammeret har stabilisert på målet temperatur fra trinn 5.1.4, programmere kammeret for å øke fuktigheten til ønsket nivå som bestemmes i trinn 5.1.4.
- Sjekk kamrene daglig for å sikre at vannforsyning og filtrering er tilstrekkelig, og Merk når ut-av-toleranse forhold er observert. Det er lurt å registrere avvik og avbrudd i en logg på fremsiden av hvert kammer eller i en notatblokk i nærheten.
- Gjenta trinn 5.1.5 – 5.1.8 for alle andre eksemplarer av interesse.
- Beregn den totale mengden av materiale som trengs for studien per miljø tilstand og basert på en prøveutvinning plan av hver måned for 12 måneder.
-
Trekker ut eldre Material strimler for analyse
- Når du er klar til å trekke ut de gamle materialet strimler fra et miljøkammer for analyse, første programmet kammeret for å redusere den relative fuktigheten til ca 25% RH.
- Etter miljøkammeret har stabilisert ved lav luftfuktighet tilstand, programmere temperaturen til å slippe til, ca, romtemperatur eller 25 ° c. Dette trinnet hindrer kondens når kammer døren åpnes.
- Når miljøkammeret har stabilisert seg på forholdene i trinn 5.1.5, åpne kammeret, fjerne skuffen som inneholder de aldrende materielle strimler av interesse, ta ut de ønskede strimler, og plassere dem i en merket container.
- Returner skuffen til miljøkammeret.
- Etter prosedyren gitt i trinn 5.1.6 og 5.1.7, returnere kammeret til forhold av interesse, hvis fortsetter den aldrende studien. Hvis ikke, kan den forbli på den nominelt Omgivelses tilstanden.
- Record utvinning på kammer loggen, hvis en er i bruk.
- Skjær de alderen prøvene fra de aldrende materiale strimler, følgende trinn 1.7-1.17.
- Test prøvene som beskrevet i avsnitt 4.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Mange gjentakelser av skjæring og testing ble utført for å undersøke flere forskjellige variabler. Noen variabler som ble undersøkt inkluderer cutting teknikk og skjære instrument, testing rate, prøven dimensjon, og håndtakene. En kritisk oppdagelse var viktigheten av å samkjøre prøvene med fiberretning. Data analyse prosedyrer (konsekvensanalyse, Weibull teknikker, avvikende bestemmelse osv.) drøftes nedenfor, som er betraktninger om aldring.
C utting teknikk/instrument
Skjære instrumentet kan påvirke den målte svikt belastningen på grunn av de ulike presisjons nivåene som er knyttet til hver type skjære instrument. Prøvene referert i figur 2, Figur 3, og Figur 4 ble alle kuttet med en elektrisk drevet stoff kutter. I kontrast, alle andre eksemplarer ble kuttet ved hjelp av fremgangsmåten beskrevet ovenfor i del 1 av protokollen, og resultatene for disse prøvene er presentert i Figur 8 og Figur 10. Prøvene som ble skåret med den drevne stoff kniven, hadde en gjennomsnittlig svikt i belastningen på 872 MPa (standardavvik på 46 MPa, 102 prøver), mens eksemplarer med samme størrelse skåret med en medisinsk skalpell hadde en gjennomsnittlig feil belastning på 909 MPa (standardavvik på 40 MPa, 40 av prøvene). Disse resultatene er ikke overraskende, som en nærmere undersøkelse av kantene av prøvene viser at drevet stoff kutter sag skaper en mye mer taggete kant enn skalpell, som vist i figur 5, effektivt innsnevring bredden på prøven.
Forskjellen i mekanisk ytelse mellom eksemplarer kuttet ved hjelp av disse to skjæreverktøy førte til en strukturert undersøkelse av ulike skjæreverktøy. Prøvene ble kuttet ved hjelp av hvert verktøy og deretter avbildet. Figur 6, figur 7og supplerende figur 7 viser de resulterende kantene ved høy forstørrelse, og supplerende figur 8 ved lavere forstørrelse, for a) en elektrisk drevet stoff kutter, b) en keramisk kniv, c) en presisjon keramisk kutter, d) en roterende blad, e) en verktøyet kniv, og f) en medisinsk skalpell.
Det synes å være både lokaliserte områder av skade og bredere regioner av skade utstilt i disse bildene. Den mest lokaliserte skaden er observert når fibrene stikker ut fra de slitte fiber kantene eller kanten av fibrene er bøyd og flat av bladet som i figur 6a. Den bredere regioner av skade er observert som klipping og potensielle limet, som forekommer i korset fibre.
Figur 6 og figur 7 viser at bruken av skalpell gir den reneste kuttet med de mest lokaliserte skader, som figur 6F og figur 7F skildre renere kutt enn sett i de andre panelene i figur 6 og Figur 7. Korset fibre viser ingen bevis for fibrene klipping på grunn av kutt, og skaden på slutten av korset fibrene er begrenset til omtrent halvparten av fiber diameter. Verktøyet kniven skaper en litt større skadet sone; men den resulterende fiber tverrsnitt er renere enn de som bruker kutte metoder enn skalpell. Alle de andre skjære metoder skape lokaliserte skader i en grad større enn en fiber diameter. Både skalpell og verktøyet kniven er skarpe nok til å splitte en fiber langs lengden og kan resultere i en litt fillete kant, som vist i figur 5F, g. Dette er i motsetning til supplerende figur 7d, hvor presisjonen keramiske kutter skader kanten fibrene ved flatere dem i stedet for å skjære gjennom dem. Kutting gjennom kanten fiber resulterer ikke i en stor skadet sone i hoveddelen av prøven, som ville bli opprettet hvis en kant fiber skulle trekkes ut.
Figur 5, figur 6aog supplerende figur 7b viser typisk skade på grunn av den elektrisk drevne stoff kniven. Det skaper en ekstremt slitt kant på en rekke lengde skalaer. Den keramiske verktøyet kniven kutt i små seksjoner, forårsaker stor skala delaminering og skjær i grupper av fibre, som kan sees i figur 6b og figur 7c. Dette er mindre utbredt med presisjon keramiske Cutter, selv om disse resultatene er ikke blottet for ujevne kutt og slitt fiber, som vist i supplerende figur 8E. Kutt laget med roterende blad er ikke så rett som de andre skjære metoder (som vist i supplerende figur 7e, supplerende figur 8f, g, og figur 7a, b) og kan ha stor skala fiber Pullout (supplerende Figur 7e). Bildene av kutt gjort av verktøyet kniven og medisinsk skalpell viser lite bevis for stor skala skjær, delaminering, eller fiber pullout, som sett i figur 6e, f, figur 7e, f, og supplerende figur 7g, h. Sammenligning supplerende figur 8h med supplerende figur 8i, den medisinske skalpell gjør resultere i en bedre kant enn verktøyet kniv, med færre slitte fibre stikker ut, men for begge metodene, er slike fibre bare observert Noen ganger.
Når du skjærer presisjon prøver for en undersøkelse av SEM, gir skalpell den beste ytelsen. Den keramiske verktøyet kniven trekker på fibrene i begynnelsen og endene av kutt, som gjør presisjonen keramiske cutter. Metallet verktøyet kniven introduserer maksimal fiber trekker i begynnelsen av et kutt. Skjæring mindre prøve brikker med enten drevet stoff cutter eller roterende kniver kan være utfordrende og er upraktisk.
Den medisinske skalpell er den mest presise i å kutte nærmest den rette kanten. Presisjonen keramiske kutter har en stor forskyvning fra den rette kanten, i motsetning, noe som fører til mer feil i å kutte en presis bredde på prøven. Den roterende stoff cutter ikke alltid kutte materialet, men i stedet, folder den på det punktet av bladet. Den elektriske stoff kutter kan ikke brukes mot en rett kant, så det er vanskelig å lage en helt rett snitt med dette verktøyet. Således, det legeundersøkelse skalpell gjete å gir retteste kutt nærmest å det likefram kant. Det anbefales også at skjærebladet byttes hvis det blir nicked eller skadet, eller hvis skjærekantene på prøvene ikke lenger ser glatte ut sammenlignet med et mikroskop til kantene kuttet med et friskt blad.
Viktigheten av å samkjøre prøver med fiberretning
Et tidlig sett med tester besto av 40 eksemplarer som ble kuttet ved hjelp av elektrisk stoff cutter og hadde en bredde på 25 mm og en måle lengde på 150 mm. Disse prøvene ble testet ved en Forskyvnings laste hastighet på 40 mm/min, ved hjelp av nonoptimized første grep design. Testingen viste at prøvene 1 til 20 var godt på linje med fiberretning, mens prøvene 21 gjennom 40 ble utilsiktet forskjøvet med mindre enn 2 ° (dvs. Fiberretningen var ikke parallelt med den viktigste lengden retning av prøven). Når en prøve er feiljustert, observeres en karakteristisk oppførsel under testen. Den ene siden av prøven vil skjære oppover, mens den motsatte siden sakser nedover, slik at en linje som ble trukket rett over prøven før testing vil ikke lenger være rett. Dette er avbildet i supplerende figur 6 og skyldes kanten fibrene ikke er i begge capstans.
På grunn av Feiljusteringen av prøvene 21 til 40, er det en tydelig forskjell mellom maksimal belastning (oppstår ved svikt) av prøver 1 til 20 sammenlignet med prøver 21 gjennom 40, som kan sees i figur 2. Figur 2a viser maksimal belastning (oppstår ved feil) som en funksjon av prøve nummeret for de skjeve prøvene. En homogen befolkning av maksimal stress vil være jevnt fordelt over hele området, som i figur 2b. I figur 2afinnes det imidlertid ingen data i den første og tredje kvadranter, bortsett fra en avvikende i kvadrant 3, merket som prøve nummer 13. Figur 2C er et Weibull plott av de to gruppene, og inkluderer 99% tillits grensene for de tilknyttede Weibull-distribusjonene. Distribusjonene fra de første 20 prøvene, gruppe 1 og de andre 20 prøvene, gruppe 2, er igjen forskjellige, med prøver fra 1 til 20 viser en høyere stress-til-svikt enn prøvene 21 til 40. Denne observasjonen er ytterligere avklart i figur 2D, der avvikende prøven, nummer 13, er fjernet. I figur 2Doverlapper bare ett datapunkt knapt med 99% tillit grensene til den andre gruppen; Hvis ikke, er det ingen overlapping i dataene.
En forskyvning av prøven med Fiberretningen av materialet har vist å gi villedende svakere resultater, som forskyvning effektivt begrenser prøven bredde. Dette kan unngås ved å ofte bestemme Fiberretningen under skjæring, ta vare for å hindre at materialet skifter, og måle fra et fast punkt på skjære matten (sammenlignet med prøve kanten) når du kutter prøvene. En forskyvning kan observeres eksperimentelt under testing gjennom sitt karakteristiske forvrengning mønster, som vist i supplerende figur 6. Hvis prøvene er alle like feiljusterte, vil effekten være det meste i Weibull skala parametere. I kontrast, hvis prøvene er tilfeldig justert, vil både Weibull form og skala parametere påvirkes.
Teori
Når testet i spenning langs fiberretning, kan UD laminat antas å oppføre seg på samme måte som en fiber slep, som består av parallelle fibre i en matrise. Når en fiber pauser, vil det redistribuere sin belastning over nærliggende fibre over noen bredde og lengde, og en nyttig modell kan bygges rundt konseptet med en kjede av små bunter av filamenter, der de overlevende filamenter dele lasten likt. Så uunngåelig, fiber styrke egenskaper og bånd egenskaper er relatert, som beskrevet av Coleman19 til 23. En detaljert drøfting av gjeldende teori kan også finnes i Phoenix og Beyerlein24, og de tidsavhengige egenskapene til fibrene ble adressert av Phoenix og Newman25, 26. Denne teorien utvikler en Weibull svikt distribusjon fra antagelsen om at forekomsten av naturlige, iboende feil langs en fiber er godt beskrevet av en Poisson-Weibull modell. Fra dette faller en størrelse effekt naturlig ut. Enkelt sagt, jo større volumet av materialet, jo lavere svikt stress. Dette skyldes det faktum at i et større volum av materiale, er det en høyere sannsynlighet for at den naturlige, iboende feil i fibrene vil collocate, skape et svakt punkt, og dermed senke svikt stress.
T esting hastighet
Tabell 1 viser en sammenligning av resultater ved hjelp av tre forskjellige laste rater. Etter hvert som innlastings raten øker, øker også svikt stresset. Det ser ikke ut til å være en effekt på svikt belastningen, slik at modulen også ser ut til å øke med en økende lasting rate.
Fordelen med testing på ulike lasting priser er at testene avhøre ulike aspekter av kompositt. Slow tester er mer avhengige av matrisen egenskaper, spesielt matrise skjær krype, mens raske tester primært utforske fiber svikt stress25, 26. Det er viktig i å velge en laste hastighet å velge en som fanger atferden av interesse.
S pecimen bredde
Tabell 2 viser effekten av å øke prøve bredden. Ved å øke prøve bredden bør kanteffektene fra skjæring bli mindre viktig ettersom de tar opp mindre av prøven bredde. Også, eventuelle unøyaktigheter i å måle bredden på prøvene blir mindre viktig. Den økte konsistens med økt prøve bredde er observert i reduksjonen av standardavviket for svikt stress. Ved en bredde på 10 mm, er gjennomsnittlig svikt stress lavere, og standardavviket er høyere enn for bredere eksemplarer, noe som tyder på at smale eksemplarer kan lide av betydelige kanteffekter. Svikt belastningen avtar med økende bredde, kanskje også på grunn av den minsket virkningen av kanteffekter.
Jo bredere prøven bredde, jo mindre innflytelse vil være fra kanteffekter og derfor økt konsistens av prøvene. Dermed gir bredere eksemplarer bedre resultater. Men det er en trade-off i form av materielle kostnader og kostnadene ved grep for å teste bredere, og dermed sterkere, prøver.
Som diskutert ovenfor, spår teorien en nedgang i svikt stress med økende bredde24. Dette noteres når du sammenligner prøvene som er 30 mm med 70 mm brede prøver. Den store reduksjonen i svikt stress av de 10 mm-brede prøvene er trolig på grunn av den økte betydningen av kanteffekter på slike smale bredder.
S pecimen lengde
Som tidligere diskutert, spår teorien en nedgang i svikt stress med økende lengde24. Resultatene presentert i tabell 3 viser dette, men er også forvirret av lasting hastigheten er konstant på 10 mm/min, snarere enn å holde belastningen rate konstant. Redusere belastningen rate (som skjer med en fast lasting rate på 10 mm/min og en økende gauge lengde) fører også til en nedgang i svikt stress. Standardavviket for svikt stress øker mer enn kan bare forklares med de ulike belastningen priser. Dette fenomenet kan være fordi lengre prøver er vanskeligere å kutte, og kant fibre alltid bli kuttet et sted langs kanten lengde, effektivt redusere bredden på prøven i en tilfeldig måte. Prøver lengre enn lengden på skjære armen er spesielt vanskelig, da det ikke lenger blir mulig å skjære dem med et enkelt glatt snitt med konstant hastighet. Reduksjonen i svikt belastningen som lengden øker indikerer at ikke all reduksjon i svikt stress skyldes tregere belastning for lengre eksemplarer.
Prøver som er testet til feil med en måle lengde på 100 mm, viser vanligvis delaminering i hele måle lengden på prøven. Prøver som er testet til feil med en måle lengde på 900 mm, oppstår delaminering bare i en region (vanligvis nær midten) av måleren, og etterlater en betydelig del av prøven intakt, som kan forventes fra en kjede-av-bunter modell.
Grep
Håndtakene skal være i vinde stil. Roterende capstans gir enklere lasting, og bare fire låse posisjoner for vinde bidrar til å sikre konsekvens. Vinde grep som stenger og klemmer på materialet kan brukes på overmåte høy styrke glatte materialer. De faste åpnings capstans som brukes i denne studien, arbeider imidlertid for både UHMMPE og aramids.
En studie ble gjort sammenligne to forskjellige typer vinde grep, ved hjelp av et annet materiale. For det første settet ble vinde løst, og prøven ble ikke justert med lastcellen, men i stedet oppveid av halve bredden av vinde. Det andre settet besto av roterende capstans med pinner for å låse dem på plass under testing. Videre ble disse capstans utlignet for å justere prøven med lastcellen, og dermed hindre et øyeblikk på lastcellen under lasting. De mislykkede belastnings distribusjonene var svært like for disse håndtakene, som vist i Figur 8. De roterende håndtakene kan gi en marginalt svakere fordeling enn de faste håndtakene, sannsynligvis på grunn av deres bredere radius vinde og dermed lengre Last overførings lengde. I tillegg kan de faste håndtakene ha en marginalt større varians enn de roterende håndtakene, da det er en høyere sannsynlighet for å skade prøven under lasting når capstans er festet på grunn av vanskelighetene med å pakke prøven rundt capstans. Forskjellen mellom disse håndtakene er tydelig når man sammenligner Last kontra forlengelse tomter. Resultatene fra ti representative prøver er vist i figur 9 for de faste og roterende håndtakene. Kurvene for de roterende håndtakene er glatte og konsekvente, mens i kontrast, de faste grep kurvene ofte viser at prøvene var slipping. Når capstans er løst på plass, blir det utfordrende å stramme ned på materialet, som flere wraps er nødvendig for å hindre at prøven glir gjennom håndtakene helt.
Data analyse
Det er en viss variasjon iboende i UD laminat materialer. Målet med skjæring/testing prosedyren presentert her er å minimere ytterligere variasjon lagt i prøven forberedelse og testing. Avsidesliggende datapunkter kan enten tilskrives den iboende fordelingen av UD laminat eller kan være en skjæring/testing gjenstand. Følgende avsnitt diskuterer noen teknikker for å skille gjenstandene fra distribusjonene.
Svikt stress som en funksjon av prøven nummer
Et plott av svikt stress som en funksjon av prøven nummeret kan vise generelle trender i en gruppe eksemplarer. Med mindre materialet er variabel på makro skala, den iboende variasjon av materialet bør ikke observeres på et slikt plott. Figur 2b viser et eksempel på en gruppe med selv konsekvente prøver, i motsetning til figur 2a.
Denne mangelen på konsistens blant prøvene kan ikke være tydelig i andre analyser. Tilbake til eksempel på feiljusterte prøvene, er forskjellen i svikt stress klart fra figur 2. Det er imidlertid ikke klart fra å se på dataene for prøver 1 til 40. Dette er vist i Figur 3, et Weibull plot med 99% tillit grensene for prøver 1 til 40. Det er ingen åpenbar indikasjon på Figur 3 at skjæring var inkonsekvent. Videre er svikt stammer for de samme prøvene, plottet i Figur 4 som en funksjon av prøven nummer, viser også ingen bevis for forskyvning/mangel på konsistens, mens svikt understreker gjøre, som vist i figur 2a.
Weibull distribusjon og outliers
Gitt innholdet i denne UD laminat materiale, er det forventet å ha en Weibull svikt stress fordeling19-26. Denne fordelingen forventes å ha en form parameter som er betydelig høyere enn den tilknyttede form parameteren for en enkelt fiber, på grunn av belastningen-deling blant fibrene24-26. Standard statistiske tester kan utføres for å fastslå om svikt stress av en gruppe av prøvene er godt beskrevet av en Weibull distribusjon.
Med Weibull-fordelingen forventes et visst antall lav styrke prøver. Dette gjør bestemmelse av outliers vanskeligere enn om dataene var fra en normal distribusjon. For eksempel, i figur 9c, synes prøven som gir et datum i nedre venstre kvadrant å være en avvikende. Figur 9B presenterer de samme dataene, bare uten den potensielle avvikende identifisert i figur 9a. Mistenker datapunkter bør undersøkes, spesielt de som faller utenfor 95% Maksimal sannsynlighet tillit intervall.
Aldring
Tabell 4 presenterer de aldrende resultatene for prøver 30 mm bred med en effektiv måle lengde på 300 mm, testet med en laste hastighet på 10 mm/min. Disse resultatene viser ingen effekter av aldring. PPTA har tidligere vist å være motstandsdyktig mot degradering forårsaket av temperatur og fuktighet1, 2. Derfor er det ikke spesielt overraskende at strekk tester ved denne belastnings raten, der matrisen ikke spiller en viktig rolle, ikke viser signifikant degradering over tid, for perioden som er tillatt for denne aldrende eksperimentet.
Oppsummert kan skjære teknikken spille en stor rolle i den effektive bredden av prøven, så det er viktig å velge en som gir konsistente resultater med et minimum av prøveskade. En medisinsk skalpell ble funnet å fungere best i denne studien. Den type grep kan føre til villedende funksjoner i stress-belastning kurver; Derfor er det anbefalt å rotere capstans basert på denne studien. Lastings hastigheten, prøve bredden og prøve lengden påvirker den endelige styrke verdien og må velges med forsiktighet. Spesielt må prøve bredden være bred nok slik at eventuelle svingninger i skjæring ikke har en utilbørlig påvirkning på resultatene, og prøve lengden må være lang nok til at prøven svikter mellom håndtakene, men ikke så lenge som å gjøre det vanskelig å kutte. Ved å holde alle de ovennevnte konstant, kan forskerne identifisere virkningene av aldring.
Figur 1: SEM-bilde av UD-materiale, med røde og blå linjer etter individuelle overflate fibre for å fremheve nonparallel fibre. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2: plott av svikt stress for justert og feiljusterte eksemplarer. (a og b) plott av svikt stress av hver prøve som en funksjon av sitt eksemplar nummer. Panel a består av 40 eksemplarer hvorav gruppe 1, prøver 1 – 20 og sirkler i rødt, er godt justert og gruppe 2, prøver 21 – 40 og sirkler i blått, er justert etter Fiberretningen. Panel b består av 40 godt justerte prøver. (c og d) tomter i Weibull distribusjoner av de to gruppene med 99% tillit grenser, som viser en minimal overlapping av datapunkter fra gruppe 2 med grensene for gruppe 1. Panel c viser en avvikende. Panel d viser ikke prøve 13, som er et avvikende som det er langt borte fra det maksimale sannsynlighet anslaget for fordelingen. Prøvene var ca 25 mm bred, testet på nominelt 40 mm/min, og kuttet med en elektrisk stoff kutter. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3: en Weibull plott av både gruppe 1 og 2 (som beskrevet i figur 2) sammen, viser 99% tillit grenser. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4: en tomt for svikt belastningen av hver prøve som en funksjon av sitt prøve nummer, for samme sett med prøver som vist i figur 2 og figur 3. Prøvene var ca 25 mm bred, testet på en strekk forskyvning lasting rate på ca 40 mm/min, og kuttet med en elektrisk stoff kutter. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 5: en taggete kant, typisk for et kutt laget med elektrisk drevet stoff kutter. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 6: SEM bilder av kantene på korset-cut fibre med inn stereomikroskopet bilder. Snittet ble laget med (a) en elektrisk drevet stoff kutter, (b) en keramisk kniv, (c) en presisjon keramisk kutter, (d) en roterende blad, (e) en verktøy kniv, og (f) en medisinsk skalpell. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 7: oversikt over kuttet, produsert av SEM bilder av hjørnene. SEM bilder av hjørnene, noe som gir en oversikt over kuttet produsert av (a) en elektrisk drevet stoff kutter, (b) en keramisk kniv, (c) en presisjon keramisk kutter, (d) en roterende blad, (e) en verktøy kniv, og (f ) en medisinsk skalpell. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 8: Weibull plot sammenligne svikt belastningen for to forskjellige sett med vinde grep. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 9: Load kontra forlengelse plott av 10 representative eksemplarer. Testing utført ved hjelp (a) fast og (b) roterende vinde grep Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 10: feil stress distribusjoner. Svikt stress distribusjoner plottet ved hjelp av Weibull skalering, for prøver med en måle lengde på 300 mm, en bredde på 30 mm, lastet på 10 mm/min, og skjær langs "Warp" retning, (a) inkludert en avvikende og (b) uten avvikende. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
| Laste hastighet (mm/min) | Feil stress (MPa) | Feil belastning (%) | Youngs modul (GPa) |
| 1 | 872 | 2,72 | 32,7 |
| 31 | (0,09) | (0,71) | |
| 10 | 909 | 2,79 | 32,9 |
| (40) | (0,12) | (0,78) | |
| 100 | 913 | 2,67 | 33,7 |
| (45) | (0,13) | (0,67) |
Tabell 1: Mean verdier, med standardavvik i parentes, viser effekten av varierende lasting rate på prøver med en måle lengde på 300 mm, 30 mm bred, og skjær langs "Warp" retning, der hver batch er minst 35 eksemplarer.
| Bredde (mm) | Feil stress (MPa) | Feil belastning (%) | Youngs modul (GPa) |
| 10 | 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) |
Tabell 2: Mean verdier, med standardavvik i parentes, viser effekten av å variere bredden på prøvene med en måle lengde på 300 mm, en lasting hastighet på 10 mm/min, og skjær langs "Warp" retning, der hver batch er minst 35 eksemplarer.
| Lengde (mm) | Feil stress (MPa) | Feil belastning (%) | Youngs modul (GPa) |
| 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) |
Tabell 3: Mean verdier, med standardavvik i parentes, viser effekten av varierende lengde på prøver med en bredde på 30 mm, en lasting rate på 10 mm/min, og skjær langs "Warp" retning, der hver batch er minst 35 eksemplarer.
| Aldring tid (dager) | Feil stress (MPa) | Feil belastning (%) | Youngs modul (GPa) |
| 0 | 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) |
Tabell 4: Mean verdier, med standardavvik i parentes, viser virkningene av aldring ved 70 ° c med 76% RH på prøver med en måle lengde på 300 mm, en bredde på 30 mm, en lasting rate på 10 mm/min, og skjær langs "Warp" retning , der hvert parti er minst 35 eksemplarer.
Supplerende figur 1: Skjematisk av UD laminat. (a) fiber (sylindere) orientering i toveis (UD) lag, en med en 0 ° orientering og den andre med en 90 ° orientering. (b) skjematisk for å kutte et stykke UD materiale fra bolten sin. Bredden på bolten er målt langs den røde stiplede linjen. For stykke materiale avskåret, er lengden målt langs den røde stiplede linjen, og bredden måles vinkelrett på lengden. "Warp"-retningen indikeres av den blå pilen, og retningen "WEFT" indikeres av den røde pilen. Den viktigste Fiberretningen er definert som retningen for det øverste laget (dvs. langs den røde pilen/WEFT retning). Siden rektor fiberretning refererer til laget som blir sett (det øverste laget), snu materialet over vil endre rektor fiberretning fra WEFT å deformere. Merk at det ikke er noen Warp og WEFT i den tradisjonelle tekstil forstand, da materialet som brukes her ikke er vevd. (c) skjematisk viser en liten kategori av materiale, kuttet i forberedelse til separasjon. (d) UD laminat etter å skille det øverste laget fra enveis materiale. Den grønne stiplede linjen indikerer hvor du skal skjære for å skille forløperen materiale fra rullen. Vennligst klikk her for å laste ned denne filen.
Supplerende figur 2: SEM sammenligning. Det ble gjort en SEM-sammenligning mellom (a) en sidevisning av et nytt, skarpt skalpell blad med en unnotched kant, (b) en kant-ved visning av et nytt skalpell blad som viser hvordan bladet kommer til et fint punkt, (c) en sidevisning av et brukt skalpell blad med en defekt i kanten og riper langs kanten, og (d) en kant-på visning av en brukt skalpell blad som viser at bladet ikke lenger har så fin en kant og er nå kjedelig. Pilene markerer bladets kant. Vennligst klikk her for å laste ned denne filen.
Supplerende figur 3: en brukt skalpell blad, med pilen som peker til riper langs lengden av bladet. Vennligst klikk her for å laste ned denne filen.
Supplerende figur 4: skjæring layout. Prøvene kuttes langs WEFT retning, der den røde pilen indikerer både den primære Fiberretningen og WEFT retning, mens den blå pilen angir Warp-retningen. Begrepene WEFT og Warp brukes til å referere standard tekstil retninger, selv om de ikke er strengt aktuelt som UD materialet ikke er vevd. Vennligst klikk her for å laste ned denne filen.
Supplerende figur 5: fotografier av prøven på ulike stadier av preparatet. (a) merke video ekstensometer punkt ved hjelp av en mal. (b) lasting av prøven, spesielt plassere enden av prøven på gripe linjen. Pass på å sentrere prøven på vinde håndtak ved å rette inn midten av prøven innenfor ca. 1 mm av midten av vinde håndtak. (c) prøver i miljøkammeret. Vennligst klikk her for å laste ned denne filen.
Supplerende figur 6: skjematisk av karakteristisk atferd under lasting av en feiljustert prøve. Det tegnes en vannrett linje over den. (a) skjematisk av prøven som ikke er lastet. I (b), er prøven lastet. (c) faktisk feiljustert prøve. De røde pilene viser retningen på stress som påføres. Vennligst klikk her for å laste ned denne filen.
Supplerende figur 7: SEM bilder med fokus på typiske skjære skade på materiale kuttet. Kuttene ble gjort med (a) en kjedelig verktøy kniv; (b) en elektrisk drevet stoff kutter, som viser store mengder skade parallelt med kutt fibrene; (c) en keramisk kniv, som viser hvordan kniven skjærer i seksjoner, samt den store skåret regionen som strekker seg godt inn i materialet; (d) en presisjon keramisk kutter, viser hvordan den keramiske bladet ikke skjære gjennom fibrene selv; (e) en roterende blad, viser fiber pullout samt en bølget cutting edge; (f) et verktøy kniv, som viser hvordan et verktøy kniv skjærer gjennom fibrene og kan ha en hårete kant; (g) en medisinsk skalpell, viser hvordan skalpell kan rent skjære gjennom Fibre; (h) en medisinsk skalpell, som viser at skaden fra kuttet er lokalisert med ingen større skala skjær, delaminering, eller fiber pullout. Vennligst klikk her for å laste ned denne filen.
Supplerende figur 8: stereomikroskopet bilder av typiske kant defekter. Snittet ble laget med (a) en elektrisk drevet stoff kutter, som viser store slitte kanter; (b) en elektrisk drevet stoff kutter, som viser små-skala slitte kanter; (c) en keramisk kniv, som viser ujevn skjæring; (d) en keramisk kniv, viser ofte slitte Fibre; (e) en presisjon keramisk kutter, viser ujevn skjæring og slitte Fibre; (f) et roterende blad som viser en renere, men likevel mindre rett kant; (g) et roterende blad, som viser en ganske vanlig defekt; (h) en verktøy kniv, (i) en medisinsk skalpell. Vennligst klikk her for å laste ned denne filen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Riktig bestemmelse av Fiberretningen er kritisk. Fordelen med metoden beskrevet i trinn 1.4 – 1,6 av protokollen er at det er full kontroll over hvor mange fibre som brukes til å starte separasjon prosessen. Men dette betyr ikke at det er en fullstendig kontroll over den endelige separerte regionens bredde, ettersom fibrene ikke er helt parallelle og kan krysse over hverandre. I prosessen med å skille en gruppe med fibre, ofte, fibre nabokommunene de blir separert vil også bli separert, på grunn av denne crossover. Således, for å få en sann lesing på fiberretning, må løse nærliggende fibre også fjernes til det er en ren kant uten utstikkende fibre.
Konsistens mellom prøvene er også kritisk. I trinn 1,9 av protokollen trekkes gripe linjene før prøvene kuttes slik at prøvene har en felles lengde mellom gripe linjer, noe som bidrar til å sikre en konsistent måle lengde på tvers av prøvene. Den ideelle avstanden fra kanten av prøven til grepet linjen er en funksjon av både koeffisient av friksjon av materialet selv og at av håndtakene, så vel som de fysiske dimensjonene av håndtakene. Denne avstanden er et beløp best bestemmes eksperimentelt, teste forskjellige avstander for å bestemme en tilstrekkelig kort avstand uten slipping oppstår under en strekk test. I trinn 1.12.1 av protokollen, er det viktig å bruke skjære matten som en referanse guide for prøven bredde for å sikre at prøvene i gjennomsnitt er ønsket bredde. Måling fra kanten av materialet kan innføre feil og vil ikke garantere at disse feilene er slik at den gjennomsnittlige prøven bredde er den ønskede bredde. Se representative resultater for videre diskusjon om dette punktet.
Potensielle endringer i prosedyren inkluderer justering av prøven bredde, effektiv gauge lengde, belastningen rate, håndtakene, hyppigheten av å endre bladet, avstanden fra slutten av prøven til grep linje, hvor ofte å endre retning materialet Fiberretningen når du skjærer, og Forhåndslast verdien ved testing. Effekten av å endre prøven bredde, effektiv gauge lengde, belastningen rate, og håndtakene er diskutert i representative resultater. Hvor ofte å snu materialet avhenger av konsistensen av Fiberretningen i materialet og på evnen til kniven å ikke flytte materialet under skjære prosessen og er også best bestemmes eksperimentelt. Kutte avstanden etter som et blad blir kjedelig vil variere, avhengig av materiale og blad type. Dette bør bestemmes for hver annen kombinasjon av materiale og blad ved å undersøke kanten av prøven, samt kanten av bladet, under et mikroskop. Avstanden fra enden av prøven til gripe linjen er en funksjon av hvor glatt materialet er. Et glatt materiale med en lav friksjonskoeffisient, for eksempel UHMWPE, vil kreve en lengre avstand til gripe linjen. Dette er eksperimentelt bestemt ved å endre denne avstanden til prøven ikke lenger glir inn i håndtakene under testingen. Den forhåndsinnlasting verdi når testing bør være tilstrekkelig stor til å ta opp slakk, men ikke for stor. I denne studien, de 2 N brukte var på den lave enden, bare såvidt fjerne slakk.
Det finnes for øyeblikket ingen standard testmetoder for å måle de mekaniske egenskapene til slike tynne (< 0,25 mm), fleksible UD-laminat, og den tilgjengelige litteraturen for den mekaniske testingen av disse materialene er fokusert på UD-laminat som har blitt Hot-presset inn i en solid kompositt blokk11-14, som ikke alltid er representativt for deres slutt bruk tilstand. Metodikken som presenteres i dette papiret gir strekk testing av fleksible UD laminat, uten behov for å legge til flere kilder til variasjon og endre deres materielle egenskaper ved Hot-trykke dem før testing.
Fremtidige anvendelser av denne metoden er for en langsiktig aldring studie på både aramid-og UHMWPE-baserte laminat. Denne metoden vil også bli foreslått som en ASTM standard for å teste UD myke laminat materialer, noe som gir en mekanisme for å overvåke svikt stress av disse materialene både etter produksjon og, potensielt, under bruk i kroppen rustning programmer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Den fullstendige beskrivelsen av prosedyrene som brukes i denne utredningen, krever identifisering av visse kommersielle produkter og deres leverandører. Inkludering av slik informasjon skal på ingen måte tolkes som at slike produkter eller leverandører er godkjent av NIST eller er anbefalt av NIST eller at de nødvendigvis er de beste materialer, instrumenter, programvare eller leverandører for formålene Beskrevet.
Acknowledgments
Forfatterne ønsker å anerkjenne Stuart Leigh Phoenix for hans hjelpsomme diskusjoner, Mike Riley for hans assistanse med mekanisk test oppsett, og Honeywell for å donere noen av materialene. Finansiering for Amy Engelbrecht-spesiell ble gitt under stipend 70NANB17H337. Finansiering for Ajay Krishnamurthy ble gitt under stipend 70NANB15H272. Finansiering for Amanda L. Forster ble gitt fra Forsvarsdepartementet gjennom Interagency avtale 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).
