연구의 목표는 고강도 아라미드 또는 초고강도 아라미드 또는 초고어치 질량 폴리에틸렌 기반의 유연한 단방향 복합 라미네이트 재료의 정확한 기계적 테스트를 위해 일관된 표본을 준비하는 프로토콜을 개발하고 설명하는 것이었습니다. 이러한 물질에 인공 노화를 수행하기위한 프로토콜.
방법 논문
연구의 목표는 고강도 아라미드 또는 초고강도 아라미드 또는 초고어치 질량 폴리에틸렌 기반의 유연한 단방향 복합 라미네이트 재료의 정확한 기계적 테스트를 위해 일관된 표본을 준비하는 프로토콜을 개발하고 설명하는 것이었습니다. 이러한 물질에 인공 노화를 수행하기위한 프로토콜.
많은 갑옷 디자인은 단방향 (UD) 라미네이트를 통합합니다. UD 라미네이트는 각 층의 원사를 서로 평행하게 향하고 바인더 수지와 얇은 폴리머 필름을 사용하여 제자리에 유지되는 고성능 원사의 얇은 층 (&0.05 mm)으로 구성됩니다. 갑옷은 서로 다른 방향으로 단방향 레이어를 적층하여 구성됩니다. 현재까지 단방향 라미네이트에 사용되는 바인더 수지의 노화와 성능에 미치는 영향을 특성화하기 위한 매우 예비적인 작업만 수행되었습니다. 예를 들어, 국립 사법 연구소 표준-0101.06에서 사용되는 컨디셔닝 프로토콜을 개발하는 동안 UD 라미네이트는 발사체의 절반이 되는 속도인 V50의박리 및 감소의 시각적 징후를 보였습니다. 노화 후 갑옷을 천수할 것으로 예상됩니다. UD 라미네이트의 재료 특성 변화에 대한 더 나은 이해는 이러한 재료로 구성된 장갑의 장기적인 성능을 이해하는 데 필요합니다. 기계적으로 단방향(UD) 라미네이트 재료를 심문하는 데 권장되는 표준은 없습니다. 이 연구는 이러한 재료의 기계적 특성을 정확하게 테스트하기 위한 방법과 모범 사례를 살펴보고 이러한 재료에 대한 새로운 테스트 방법론을 제안합니다. 이러한 재료의 노화를 위한 모범 사례도 설명되어 있습니다.
국립 표준 기술 연구소 (NIST)는 법 집행 기관 및 형사 사법 기관이 구매한 장비와 사용하는 기술이 연구 프로그램을 통해 안전하고 신뢰할 수 있으며 매우 효과적이도록 보장합니다. 바디 갑옷에 사용되는 고강도 섬유의 장기적인 안정성을 해결합니다. 이전작업 1,2재료 폴리 (p-페닐렌-2,6-벤조비옥사졸) 또는 PBO로 만든 갑옷의 필드 실패에 초점을 맞추고있다, 이는 국립 사법 연구소의 (NIJ의) 신체 갑옷 표준에 대한 주요 개정을 주도 3. 이 개정 된 표준의 출시 이후, 작업은 초고어금 질량 폴리에틸렌 (UHMMPE)4 및 폴리 (p-페닐렌 테레프탈라미드) 또는 PPTA와 같은 다른 일반적으로 사용되는 섬유에서 노화의 메커니즘을 검사하기 위해 NIST에서 계속되었습니다. 일반적으로 아라미드로 알려져 있습니다. 그러나이 모든 작업은 짠 직물과 가장 관련이있는 원사와 단일 섬유의 노화에 초점을 맞추고 있습니다. 그러나, 많은 갑옷 디자인은 UD 라미네이트를 통합. UD 라미네이트는 각 층의 섬유가 서로 평행한 얇은 섬유 층 (&0.05mm)으로 구성되며 갑옷은 얇은 시트를 교대 방향으로 적층하여 구성됩니다. 보충 그림 1a에 설명된 바와 같이. 이 디자인은 결합체 수지에 크게 의존하여 각 층의 섬유를 일반적으로 평행하게 고정하고, 보충 그림 1b에서볼 수 있듯이, 적층 직물의 명목상 0°/90° 방향을 유지합니다. 직조 된 직물과 마찬가지로 UD 라미네이트는 일반적으로 아라미드 또는 UHMMPE의 두 가지 주요 섬유 변형으로 구성됩니다. UD 라미네이트는 갑옷 디자이너에게 몇 가지 장점을 제공합니다 : 그들은 직조 직물을 사용하는 것과 비교하여 낮은 무게의 갑옷 시스템을 허용 (직조 시 강도 손실로 인해), 짠 건설의 필요성을 제거하고, 작은 직경의 섬유를 활용 직조 된 직물과 비슷한 성능을 제공하지만 무게가 낮습니다. PPTA는 이전에 온도 및 습도1,2에의한 열화에 내성이 있는 것으로 나타났지만, 바인더는 UD 라미네이트의 성능에 중요한 역할을 할 수 있다. 따라서, PPTA 기반 갑옷에 사용 환경의 전반적인 효과 알 수 없습니다8.
현재까지, 이러한 UD 라미네이트에 사용되는 바인더 수지의 노화및 UD 라미네이트의 탄도 성능에 대한 바인더 노화의 효과를 특성화하기 위한 매우 예비적인 작업만이 수행되었다. 예를 들어, NIJ Standard-0101.06에 사용되는 컨디셔닝 프로토콜의 개발 동안, UD 라미네이트는 1,2,8노화후 V50에서 박하 및 감소의 시각적 징후를 보였다. 이러한 결과는 재료의 장기적인 구조적 성능을 평가하기 위해 노화가 있는 재료 특성에 대한 철저한 이해가 필요하다는 것을 보여줍니다. 따라서 이러한 재료의 고장 특성을 심문하기 위해 표준화된 방법의 개발이 필요합니다. 이 작업의 주요 목표는 UD 라미네이트 재료의 기계적 특성을 정확하게 테스트하기 위한 방법과 모범 사례를 탐구하고 이러한 재료에 대한 새로운 테스트 방법론을 제안하는 것입니다. UD 라미네이트 재료의 노화에 대한 모범 사례도 이 작업에 설명되어 있습니다.
문헌은 하드 샘플9,10,11로다중 층을 고온 압착 한 후 UD 라미네이트의 기계적 특성을 테스트하는 몇 가지 예를 포함합니다. 경질 복합 라미네이트의 경우 ASTM D303912를 사용할 수 있습니다. 그러나 이 연구에서 는 재료두께가 약 0.1mm이며 단단하지 않습니다. 일부 UD 라미네이트 재료는 헬멧이나 탄도 방지 플레이트와 같은 견고한 탄도 보호 물품을 만들기 위해 전구체로 사용됩니다. 그러나, 얇고 유연한 UD 라미네이트는 또한 갑옷9,13을만들기 위해 사용될 수있다.
이 작업의 목적은 부드러운 갑옷의 재료의 성능을 탐구하는 방법을 개발하는 것입니다, 그래서 그들은 재료가 부드러운 갑옷에 사용되는 방식을 대표하지 않기 때문에 뜨거운 가압을 포함하는 방법을 탐구하지 않았다. ASTM 인터내셔널은 섬유 직물의 강도 및 연신을 깨는 ASTM D5034-0914 표준 테스트 방법 (그랩 테스트), ASTM D5035-1115 표준 시험을 포함하여 직물의 테스트 스트립에 관한 몇 가지 테스트 방법 표준을 가지고 섬유 직물의 파괴력 및 연신법 (스트립 방법), 섬유 웨빙, 테이프 및 편조 재료의 강도 및 연신을 깨는 ASTM D6775-1316 표준 테스트 방법 및 ASTM D395017 표준 사양 스트래핑, 비금속 (및 접합 방법). 이러한 표준은 아래에 언급된 바와 같이 사용되는 테스트 그립과 시편 크기면에서 몇 가지 주요 차이점이 있습니다.
ASTM D5034-0914 및 ASTM D5035-1115에 설명된 방법은 매우 유사하며 고강도 복합재료가 아닌 표준 원단 테스트에 중점을 둡니다. 이 두 표준의 테스트에서 그립의 턱 면은 부드럽고 평평하지만, 스틱 슬립 기반 고장의 역할을 최소화하기 위해 고장 응력이 100 N/cm를 초과하는 시편에 는 수정이 허용됩니다. 미끄러짐을 방지하기 위해 제안된 수정은 턱을 채우고, 턱 아래에 직물을 코팅하고, 턱 면을 수정하는 것입니다. 이 연구의 경우, 시편 고장 응력은 약 1,000 N/cm이며, 따라서 이 그립 스타일은 과도한 시료 미끄러짐을 초래합니다. ASTM D6775-1316 및 ASTM D395017은 훨씬 더 강력한 소재를 위한 것이며 둘 다 캡스탄 그립에 의존합니다. 따라서, 이 연구는 capstan 그립의 사용에 초점을 맞추고.
또한, 시편 크기는 이 4개의 ASTM 표준 사이에서 상당히 변화합니다. 웨빙 및 스트래핑 표준, ASTM D6775-1316 및 ASTM D395017은재료의 전체 폭을 테스트하도록 지정합니다. ASTM D677516은 최대 너비 90mm를 지정합니다. 대조적으로, 직물 표준14,15는 시편이 폭으로 절단될 것으로 예상하고 25mm 또는 50mm 폭중 하나를 지정합니다. 시편의 전체 길이는 40cm에서 305cm 사이이며 게이지 길이는 이러한 ASTM 표준에서 75mm에서 250mm 사이로 다양합니다. ASTM 표준은 표본 크기에 관하여 상당히 다르기 때문에, 3개의 다른 폭 및 3개의 다른 길이는 이 연구 결과에서 고려되었습니다.
프로토콜에서 시편 제제를 지칭하는 용어는 다음과 같습니다: 볼트 > 전구체 재료 > 재료 > 시편, 여기서 용어 볼트는 UD 라미네이트의 롤을 의미하며, 전구체 재료는 여전히 부착된 UD 직물의 풀린 양을 말합니다. 볼트에, 재료는 UD 라미네이트의 분리 된 조각을 의미하고, 시편은 테스트 할 개별 조각을 의미한다.
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1. 롤축에 수직으로 절단되는 워프 방향 시편에 대한 절단 절차
2. 롤의 축을 따라 절단되는 위자 방향 시편에 대한 절단 절차
참고 : 여기에 사용되는 재료가 짠되지 않기 때문에 전통적인 섬유 감각에는 뒤틀릴짐과 실목이 없지만 이러한 용어는 명확성을 위해 차용됩니다.
3. 전자 현미경 검사법을 스캔하여 절단 방법의 분석
4. UD 라미네이트 표본의 인장 테스트
5. 노화 실험을위한 표본의 준비
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여러 가지 변수를 조사하기 위해 절단 및 테스트의 많은 반복이 수행되었습니다. 조사된 몇 가지 변수에는 절단 기술 및 절삭 계측기, 테스트 속도, 시편 치수 및 그립이 포함됩니다. 한 가지 중요한 발견은 시편을 섬유 방향과 정렬하는 것이 중요하다는 것입니다. 데이터 분석 절차(일관성 분석, Weibull 기술, 이상값 결정 등)는 노화에 대한 고려 사항과 마찬가지로 아래에서 설명합니다.
C (것)에 우팅 기술/계측기
절단 장비는 각 절단 장비 유형과 관련된 다양한 수준의 정밀도로 인해 측정된 고장 응력에 영향을 줄 수 있습니다. 그림2, 그림 3
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섬유 방향의 적절한 결정은 매우 중요합니다. 프로토콜의 단계 1.4-1.6에 설명된 방법의 장점은 분리 공정을 시작하는 데 사용되는 얼마나 많은 섬유를 완벽하게 제어할 수 있다는 것입니다. 그러나, 이것은 섬유가 완전히 평행하지 않고 서로 교차 할 수 있기 때문에 최종 분리 된 영역의 폭을 완벽하게 제어 할 수 있다는 것을 의미하지는 않습니다. 섬유의 한 배치를 분리하는 과정에서, 자주, 분리되는 것을 인접한 섬유는 또한 이 크로스오버로 인해 분리될 것이다. 따라서, 섬유 방향에 대한 진정한 판독을 얻으려면, 느슨한 이웃 섬유도 돌출 섬유가없는 깨끗한 가장자리가있을 때까지 제거해야합니다.
시편 간의 일관성도 중요합니다. 프로토콜의 1.9단계에서는 시편을 절단하기 전에 그립 선이 그려져 서시편이 그립 라인 사이에 공통 길이가 있으므로 시편 전체에서 일관된 게이지 길이를 보장할 수 있습니다. 시편 모서리에서 그립 선까지의 이상적인 거리는 재료 자체의 마찰 계수와 그립의 마찰 계수및 ...
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이 백서에 사용된 절차에 대한 전체 설명은 특정 상용 제품 및 공급업체의 식별이 필요합니다. 이러한 정보의 포함은 그러한 제품 이나 공급 업체가 NIST의 승인을 받고 있거나 NIST에서 권장하거나 반드시 목적을 위한 최고의 재료, 도구, 소프트웨어 또는 공급 업체임을 나타내는 것으로 해석되어서는 안됩니다. 설명.
저자는 스튜어트 리 피닉스가 도움이 되는 토론을 하고, 마이크 라일리가 기계 테스트 설정에 도움을 주었으며, 하니웰이 일부 자료를 기증한 것에 대해 인정하고 싶습니다. 에이미 엥겔브레히트-위간스에 대한 기금은 보조금 70NANB17H337에 따라 제공되었다. 아제이 크리슈나무르티에 대한 기금은 보조금 70NANB15H272에 따라 제공되었다. 아만다 L. 포스터에 대한 자금은 기관 간 계약 R17-643-0013을 통해 국방부에서 제공되었다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 캡스턴 그립 | 유니버셜 그립 회사 | 20kN 랩 그립 | 테스트에 사용되는 캡스턴 그립 |
| 세라믹 나이프 | 슬라이스 | 10558 | |
| 세라믹 정밀 블레이드 | 슬라이스 | 00116 | |
| 클램프 | 어윈 | 퀵 그립 미니 바 클램프 | |
| 컨포칼 현미경 | |||
| 절단 매트 | Rotatrim | A0 메트릭 자가 치유 커팅 매트 | |
| Denton 데스크탑 스퍼터 코터 | 스퍼터 코터 | ||
| FEI Helios 660 듀얼 빔 FIB/SEM | FEI Helios | 주사 전자 현미경 | |
| 전동 로터리 커터 | Chickadee | ||
| 로터리 커터 | Fiskars | 49255A84 | |
| 스테레오 현미경 | National | DC4-456H | |
| 스트레이트 에지 | McMaster Carr | 1935A74 | |
| 외과 용 메스 블레이드 | Sklar 악기 | ||
| 외과 용 메스 핸들 | Swann Morton | ||
| 범용 시험기 | Instron | 4482 | 범용 시험기 |
| 유틸리티 나이프 | Stanley | 99E |
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