Name: 柔軟な単方向複合ラミネートの切断手順、引張試験、およびエージング (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-04-27T14:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 53 s
Description: 学ぶ柔軟な単方向複合ラミネートの切断・引張試験・エージング手法。アラミドや超高分子量ポリエチレンを用いた防弾材料の機械的特性評価に適した、再現性の高い試験手順を確立します。

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

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このホワイト ペーパーで使用される手順の完全な説明には、特定の商用製品とそのサプライヤーを識別する必要があります。このような情報を含めることは、そのような製品またはサプライヤーがNISTによって承認されているか、NISTによって推奨されている、または必ずしもその目的のために最高の材料、機器、ソフトウェアまたはサプライヤーであることを示すものとして解釈されるべきではありません。説明。

繊維方向の適切な決定が重要です。プロトコルの手順 1.4 ~ 1.6 で説明する方法の利点は、分離プロセスを開始するために使用されるファイバの数を完全に制御できることです。ただし、これは、ファイバが完全に平行ではなく、互いに交差する可能性があるので、最終的に分離された領域の幅を完全に制御できることを意味するものではありません。繊維の1つのバッチを分離する過程で、頻繁に、分離されたものに隣接する繊維も、このクロスオーバーのために分離される。したがって、繊維方向に真の読み取りを得るには、繊維が突出していないきれいなエッジがあるまで、隣接する繊維を緩めて除去する必要があります。
試料間の一貫性も重要です。プロトコルのステップ1.9では、試料を切断する前にグリップラインが描かれ、試料がグリップライン間で共通の長さを持つようになるため、試料全体で一貫したゲージ長を確保するのに役立ちます。試料の端からグリップラインまでの理想的な距離は、材料自体とグリップの摩擦係数の両方の関数と、グリップの物理的な寸法の両方の関数です。この距離は、実験的に決定されるのが最も適した量であり、異なる距離をテストして...

国立標準技術研究所(NIST)は、法執行機関や刑事司法機関が、購入した機器と使用する技術が、研究プログラムを通じて安全で信頼性が高く、非常に効果的であることを保証するのに役立ちます。ボディアーマーに使用される高強度繊維の長期的な安定性に対処します。前作1、2は、材料ポリ(p-フェニレン-2,6-ベンゾビソキサゾール)またはPBOから作られたボディアーマーのフィールド故障に焦点を当てており、これは国立司法研究所(NIJ)のボディアーマー規格に大きな改訂をもたらした。3.この改訂基準のリリース以来、NISTでは、超高モル質量ポリエチレン(UHMMPE)4およびポリ(p-フェニレンテレフタルアミド)、またはPPTAなどの他の一般的に使用される繊維の老化のメカニズムを調べる作業が続いています。一般的にアラミドとして知られています。しかし、この作業のすべては、織物に最も関連する糸と単繊維の老化に焦点を当てています。しかし、多くのボディアーマーデザインにはUDラミネートが組み込まれています。UDラミネートは、各層の繊維が互いに平行である薄い繊維層(<0.05 mm)で構成され、装甲は、交互の向きで薄いシートを積み重ねることによって構築され、補足図 1aに示すように。この設計は、補足図1bに見られるように、各層の繊維を一般的に平行に保持し、積み重ねられた生地の名目上0°/90°の向きを維持するためにバインダー樹脂に大きく依存しています。織物と同様に、UDラミネートは通常、アラミドまたはUHMMPEの2つの主要な繊維バリエーションから構成されています。UDラミネートは、ボディアーマーデザイナーにいくつかの利点を提供します:彼らは織物を使用するものに比べて低い重量の装甲システムを可能にします(織り中の強度損失による)、織物の構造の必要性を排除し、より小さな直径の繊維を利用します織物と同様の性能を提供するが、より低い重量で。PPTAは、以前に温度および湿度1、2によって引き起こされる劣化に対して耐性があることが示されているが、バインダーはUDラミネートの性能において重要な役割を果たしうる。したがって、PPTAベースの装甲に対する使用環境の全体的な影響は不明8.
現在までに、これらのUDラミネートに使用されるバインダー樹脂の老化と、UDラミネートの弾道性能に対するバインダー老化の影響を特徴付ける非常に予備的な作業のみが行われている。例えば、NIJ Standard-0101.06で使用されるコンディショニングプロトコルの開発中に、UDラミネートは1、2、8の老化後のV50におけるデラミネーションおよび減少の視覚的徴候を示した。 これらの結果は、材料の長期的な構造性能を評価するために、加齢に伴う材料特性を徹底的に理解する必要性を示しています。これは、順番に、これらの材料の故障特性を調知るための標準化された方法の開発を必要とする。この研究の主な目的は、UDラミネート材料の機械的特性を正確にテストするための方法とベストプラクティスを探求し、これらの材料の新しい試験方法論を提案することです。UDラミネート材料のエージングに関するベストプラクティスもこの研究で説明されています。
文献には、複数の層をハードサンプル9、10、11にホットプレスした後のUDラミネートの機械的特性をテストするいくつかの例が含まれています。堅い合成積層体のために、ASTM D303912は使用することができる;しかし、この研究では、材料は約0.1ミリメートルの厚さと剛性ではありません。一部のUDラミネート材料は、ヘルメットや弾道抵抗力のあるプレートなどの硬質弾道保護物品を作るための前駆体として使用されています。しかし、薄く、柔軟なUDラミネートは、ボディアーマー9、13を作るためにも使用することができます。
本研究の目的は、柔らかいボディアーマーで材料の性能を探索する方法を開発することにあるので、ホットプレスを含む方法は、柔らかいボディアーマーでの材料の使用方法を代表していないため、探索されませんでした。ASTMインターナショナルは、繊維織物の強度と伸びを破壊するためのASTM D5034-0914標準試験方法(グラブテスト)、ASTM D5035-1115標準試験など、ファブリックのテストストリップに関するいくつかの試験方法基準を有しています。繊維織物の破断力と伸びの方法(ストリップ法)、繊維ウェビング、テープおよび編組材の強度と伸びを破壊するためのASTM D6775-1316標準試験方法、およびASTM D395017標準仕様ストラップ、非金属(および接合方法)。これらの規格は、以下に述べたように、使用される試験グリップと試料サイズの点でいくつかの重要な違いがあります。
ASTM D5034-0914およびASTM D5035-1115に記載されている方法は非常によく似ており、高強度複合材料ではなく標準ファブリックのテストに焦点を当てています。これらの2つの標準のテストでは、グリップの顎の顔は滑らかで平坦ですが、スティックスリップベースの故障の役割を最小限に抑えるために100 N/cmを超える故障応力を持つ標本に対して修正が可能です。滑りを防ぐための推奨される変更は、顎をパッドし、顎の下に生地を塗り、顎の顔を修正することです。この研究の場合、試料故障応力は約1,000N/cmであるため、このグリップスタイルは過剰なサンプルスリッページをもたらします。ASTM D6775-1316およびASTM D395017ははるかに強い材料のために意図され、両方ともキャプスタングリップに依存している。したがって、本研究は、キャプスタングリップの使用に焦点を当てた。
また、試料サイズはこれら4つのASTM規格の中で大きく異なる。ウェビングおよびストラップ規格、ASTM D6775-1316およびASTM D395017は、材料の全幅をテストするように指定します。ASTM D677516は、90 mm の最大幅を指定します。対照的に、生地規格14、15は、試料が幅を広く切断され、25mmまたは50mm幅のいずれかを指定することを期待する。標本の全長は40 cmと305 cmの間で変わり、ゲージの長はこれらのASTMの標準間で75のmmから250のmmの間で変わる。ASTM規格は標本の大きさによって大きく異なるため、3つの異なる幅と3つの異なる長さが検討されました。
プロトコルにおける試料調製物を指す用語は以下の通りです:ボルト>前駆体材料>材料>標本は、ボルトという用語はUDラミネートのロールを指し、前駆体材料は、まだ取り付けられたUD生地の巻き戻し量を指します。ボルトに、材料はUDラミネートの分離片を指し、標本はテストされる個々の部分を指します。

<table><tbody><tr><td>キャプスタングリップ</td><td>ユニバーサルグリップ会社</td><td>20kNラップグリップ</td><td>テストに使用されるキャプスタングリップ</td></tr><tr><td>セラミックナイフ</td><td>スライス</td><td>10558</td><td></td></tr><tr><td>セラミック精密ブレード</td><td>スライス</td><td>00116</td><td></td></tr><tr><td>クランプ</td><td>アーウィン</td><td>クイックグリップ ミニバークランプ</td><td></td></tr><tr><td>共焦点顕微鏡</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>カッティングマット</td><td>ロタトリム&nbsp;</td><td></td><td>A0メートル法自己修復カッティングマット</td></tr><tr><td>デントンデスクトップスパッタコーター&nbsp;</td><td></td><td></td><td>スパッタコーター</td></tr><tr><td>FEI Helios 660 デュアルビーム FIB/SEM</td><td>FEI HELIOS</td><td></td><td>走査型電子顕微鏡</td></tr><tr><td>電動ロータリーカッター</td><td>Chickadee</td><td></td><td></td></tr><tr><td>ロータリーカッター</td><td>Fiskars</td><td>49255A84</td><td></td></tr><tr><td>実体顕微鏡</td><td>National</td><td>DC4-456H</td><td></td></tr><tr><td>Straight edge</td><td>McMaster Carr</td><td>1935A74</td><td></td></tr><tr><td>外科用メスブレード</td><td>Sklar Instruments</td><td></td><td></td></tr><tr><td>外科用メスハンドル</td><td>スワン・モートン</td><td></td><td></td></tr><tr><td>万能試験機</td><td>インストロン</td><td>4482</td><td>万能試験機</td></tr><tr><td>ユーティリティナイフ</td><td>スタンレー</td><td>99E</td><td></td></tr></tbody></table>

柔軟な単方向複合ラミネートの切断手順、引張試験、およびエージング

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

多くのボディアーマーデザインには、単方向(UD)ラミネートが組み込まれています。UDラミネートは、各層の糸が互いに平行に配向し、バインダー樹脂と薄いポリマーフィルムを使用して所定の位置に保持されている高性能糸の薄い(<0.05 mm)層で構成されています。鎧は、異なる方向に単方向層を積み重ねることによって構築されます。現在までに、単方向ラミネートで使用されるバインダー樹脂の老化と性能への影響を特徴付ける非常に予備的な作業のみが行われてきました。例えば、国立司法標準-0101.06で使用されるコンディショニングプロトコルの開発中に、UDラミネートは、発射物の半分の速度であるV50の減少と減少の視覚的徴候を示した老化後、鎧を穿穿くと予想されます。これらの材料から構築された鎧の長期的な性能を理解するためには、UDラミネートの材料特性の変化をより深く理解する必要があります。機械的に単方向(UD)積層材料を尋問するために推奨される現在の基準はありません。本研究では、これらの材料の機械的特性を正確にテストするための方法とベストプラクティスを探求し、これらの材料の新しい試験方法論を提案する。これらの材料を老化するためのベストプラクティスも記載されています。

いくつかの異なる変数を調査するために、切断とテストの多くの反復が行われました。調べたいくつかの変数には、切断技術と切断器具、試験速度、試料寸法、グリップが含まれます。重要な発見の1つは、試料を繊維方向に合わせることの重要性でした。データ分析手順(一貫性解析、ワイブル技術、外れ値判定など)については、高齢化に関する考慮事項として以下に説明する。
Cウッティングテクニック/楽器
切断器具は、切断器具の各タイプに関連するさまざまなレベルの精度のために測定された故障応力に影響を与える可能性があります。図2、図3、および図4で参照される標本は、すべて電動ファブリックカッターで...

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

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

このプロトコルは、柔軟な一方向複合ファブリックの機械的特性をテストするための反復可能な手順を定義することにより、ボディアーマー開発の分野における主要な質問に答えることができます。繊維方向に向けられた直線的でクリーンなカットは、エラーの原因を防ぐことによって、故障応力の正確な測定に不可欠です。この技術は、ソフトボディアーマーでの使用をより代表的にする熱いプレスなしで材料の特性の尋問を可能にすることによって、現在のテストのギャップを埋めます。作業面にテストする単方向材料のボルトを展開します。巻き戻し部は前駆体材料である。基本繊維方向がボルトの幅に平行であることを視覚的に確認します。次に、前駆体材料を分離するためにメスを取得します。カットをファイバー方向に平行にしてタブを作成します。その後、約3ミリメートル離れた別の平行カットを行います。手動でタブを握り、それを引き裂いて、下の層の繊維を露出させます。2 つのレイヤーが前駆体材料の全長にわたって分離されるまで引き出します。露出したクロス ファイバーを隣接するタブの端から、緩いファイバーを取り除きます。これらは、タブパスから最大 1 ~ 2 ミリメートル離れている可能性があります。前駆体材料の一部をボルトから分離して続行します。材料をひっくり返して、新しい原則繊維方向がワープ方向になるようにします。次に、材料のグリップラインを、横方向に整列してマークします。これらの線は、マテリアルのカット エッジとの間の一定の距離と平行な距離です。もう一度、材料のタブをカットし、そのタブを引いて、材料から切断する標本の原理的な繊維方向を決定します。ファイバー方向は、グリップ線に対して垂直にする必要があります。適切な自己治癒グリッド切断マットに材料を取ります。繊維の方向をマットのグリッド線に慎重に合わせます。材料のファイバー方向がグリッド線に揃っていることを確認します。材料に損傷を与えないようにし、そのコーナーをテーピングすることによって、カッティングマットに固定します。材料から標本を切るために医療の刃および直線端を使用しなさい。目的の標本幅に直線エッジを配置し、切断マットのグリッドに合わせます。直線エッジの端点を所定の位置に固定し、正しい位置に配置されていることを確認します。一定の速度と圧力でストレートエッジに沿って試料をカットします。材料を動かさないよう気をつけて、まっすぐなエッジをクランプ解除します。その後、試料を取り除く。これらは、切断工程を繰り返した後に得られたすべての標本の生産を最大化する。ビデオ伸張計で使用するために、標本上で追跡するポイントをマークする準備をします。一貫性を保つには、標本の上に置かれたテンプレートを使用してください。ゲージ ポイントに永続的なマーカーをマークします。ひずみの測定を可能にするために、マークが標本に見えるようにしてください。次に、試験片をユニバーサル試験機に持って行きます。そこで、キャプスタンの隙間から標本の端部を挿入し、それをグリップラインに持ち込み、ループを形成します。キャプスタングリップの上に標本を中心にします。試料を中央に保ちながら、キャプスタンを所望の位置に回します。テンション装置を使用して、キャプスタンを所定の位置に固定する前にサンプルを所定の位置に保持します。他端と同じステップを繰り返して、試料の取り付けを完了します。完了したら、2つのニュートンの小さなプリロードを適用し、実際のゲージ長を記録します。今度は、1分間に一定の10ミリメートルで引張テストを実行し、テストを開始するように計器を設定します。テストでは、テストマシンは、負荷と変位が記録されている間、サンプルに一定の拡張率を適用します。テストは、サンプルで中断が発生するまで継続されます。このプロットは、これらの実験の典型的な荷重と変位曲線です。ディスプレイを監視する場合、観察された負荷の90%の減少は、検体の破断を示す。最大応力と対応する故障ひずみを記録します。試験の計画を立てた後、テストする各条件に必要な材料をカットします。ストリップは、必要な標本を得るのに十分な幅を持ち、さらに10ミリメートル以上を持っている必要があります。環境にさらしるためのストリップをトレイに入れ、環境室で、乾燥した室温の条件のためのプログラムを設定し、それが安定することを可能にする。チャンバーが安定したら、サンプルトレイを壁または凝縮のポイントから離れて内側に置きます。次に、環境研究のための目標温度に達するようにチャンバーをプログラムします。温度が安定したら、目標の湿度に達するようにチャンバをプログラムします。熟成した材料を抽出する時間である場合は、実験室の近くのそれに相対湿度を減少させるためにチャンバーをプログラムします。湿度が安定した後、室温、または約25°Cに低下するように温度をプログラムします。材料を取り出すために、適切にラベル付けされた容器を用いて準備する。湿度と温度が安定した場合は、チャンバーを開き、必要な材料を取り出し、ラベル付き容器に入れます。残りの材料を環境室に戻し、選択した条件を再確立します。次に、熟成した材料を取り、老朽化した標本を作成します。この熟成材料は、自己治癒切断面に整列されます。そのグリップラインは以前のようにマークされています。片方の側から 5 ミリメートルを除去するために、直線エッジを設定します。この量をトリムして、エージングプロセス中の取り扱いによる損傷を取り除きます。引き続き、未成の材料と同様に試料を作成します。完了すると、試験片は引張試験実験で使用する準備ができています。固定キャプスタンで実行されるロード テストの場合、複数のサンプルの荷重と拡張のプロットは、サンプルが滑り落ちたものを示します。これは、材料を確保することの難しさを反映しています。対照的に、回転キャプスタンではカーブは滑らかで一貫性があります。材料は超高分子マスポリエチレン単方向積層物である。この故障応力分布は、ワイブルスケーリングを使用してプロットされます。データはPPTAの単方向積層標本のための300ミリメートルのゲージ長および30ミリメートルの幅は1分あたり10ミリメートルの負荷でワープ方向に沿って切った。調査する必要がある低強度の外れ値があります。比較のために、外れ値を除外した場合を除き、同じデータがプロットされます。水平軸の変化に注意してください。この手順に従って、分子分光法を用いて、熱や湿度への暴露による物質の化学的変化に関する質問に答えることができました。医療メスは非常に鋭く、怪我を避けるために適切な注意を払わなければならないことを覚えておいてください。

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Engineering

工学

使用中のポリマーおよび繊維強化ポリマー複合材料の耐久性は、それらの設計と状態ベースのメンテナンスにとって重要な側面です。私たちは、同時の機械的負荷と環境負荷の影響を調査するための新しい低コストの実験室試験プラットフォームを提示し、より効率的で安全な複合構造の設計に役立つ可能性があります。...

同時Hygrothermo-機械的刺激下でのポリマーおよび繊維強化ポリマー複合材料の耐久性研究のための試験プラットホーム

基本的な機械的試験のための熱可塑性複合材クーポンの超音波溶着の簡単な手順が説明されています。この超音波溶着プロセスの主な特徴は、プロセス準備を簡素化するためのフラットエネルギーダイレクタの使用と、最適な処理条件を迅速に定義するためのプロセスデータの使用です。...

シングルラップせん断試験を経て溶接継手の機械的特性評価のための熱可塑性コンポジットクーポンの超音波溶接

ガレージの豊富な領域を排除することによって複合表面にファイバーを公開するためのプロトコルが表示されます。繊維がポストの表面処理ではなく、複合体の製造中にさらされています。公開される炭素複合材料は、板厚方向と高い機械的性質で高い電気伝導度を表わします。...

新しい複合加工法の試作: 軟層法による複合表面にファイバーを公開

積層複合材料を作製する真空バッグ レイアップに圧密を適用する新しい手法を説明します。このプロトコルの目的は、ウェット...

磁石は、複合材生産を支援: 柔軟な新しい技術高圧真空袋/Lay アップ プロセスを達成するため

研究の主な目的はコーティングを削除し、重要な導入することがなく個々 の繊維のストランドを disentangling...

その力学的特性の測定を可能にする高強度共重合体のアラミド繊維を disentangling

この作品でいくつかの側面は、モノコック シャーシ、リーフ...

巡洋艦の構造設計・製作クラスのソーラーカー

ここでは、技術ファブリックの加速熱老化をシミュレートし、この老化プロセスがファブリックの機械的特性にどのような影響を与えるかを確認します。...

ポリエステル強化およびポリ塩化ビニルコーティング技術織物の人工熱老化

本稿では、ウェットハンドレイアップ/真空バッグ法を用いて得られた繊維強化ポリマーマトリックス複合積層板の作製プロセスについて述べる。...

異なる製造プロセスで得られたガラス繊維強化ポリマー複合積層物の機械的特性の測定

パラメトリック光機械励起は、最近、光放射圧力と誘導ブリルアン散乱によって、マイクロ流体光機械共振器で実験的に実証されました。この論文では、これらのマイクロ流体共振器の作製と、オプトメカニカル振動の生成と検証の方法論について説明します。...

作製とマイクロ流体光力学発振器のテスト

ナノ粒子の放出は、凝縮粒子カウンター、光学粒子カウンター、および顕微鏡分析用のフィルターサンプルを収集するためのサンプリングポートを含むチャンバーシステムを使用してテストされます。提案されたチャンバーシステムは、再現性のある一貫したデータ範囲でナノ材料放出試験に効果的に使用できます。...

商工会議システムを用いたナノ材料を含む複合からのナノ粒子のリリースのテスト

学ぶ柔軟な単方向複合ラミネートの切断・引張試験・エージング手法。アラミドや超高分子量ポリエチレンを用いた防弾材料の機械的特性評価に適した、再現性の高い試験手順を確立します。

柔軟な単方向複合ラミネートの切断手順、引張試験、およびエージング

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