방법 논문

절단 절차, 인장 테스트 및 유연한 단방향 복합 라미네이트의 노화

DOI:

10.3791/58991

⸱

2019년 4월 27일

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1Material Measurement Laboratory, National Institute of Standards and Technology, 2Theiss Research, 3Chemical and Biomolecular Engineering Department, University of Maryland

이 논문에서

요약

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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.

초록

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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.

서론

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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 (&0.05

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프로토콜

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1. 롤축에 수직으로 절단되는 워프 방향 시편에 대한 절단 절차

  1. 테스트할 단방향 재료의 볼트를 식별합니다.
    참고 : 전통적인 섬유 의미에서 워프 (롤축에 수직 방향을 설명하는 데 사용)와 씨실 (롤의 축에 평행한 방향을 설명하는 데 사용)이 없습니다, 여기에 사용되는 재료는 짠되지 않습니다,하지만 이러한 용어는 차용fo r 선명도.
  2. 볼트를 수동으로 풀어 전구체 재질을 노출합니다(즉, 확인된 재료는 볼트에서 풀리지만 볼트에 여전히 연결되어 있음).
    참고 : 이 볼트의 폭은 재료의 총 길이 (보충 그림 1b참조)가되므로 300mm 게이지 길이 (총 표본 길이 600mm에 해당) 아래에 지정된 절차 및 테스트 그립을 사용하여 볼트에서 절단 재료는 600mm 폭이어야한다. 이 재료의 길이는 재료가 압연되는 볼트 폭의 길이입니다(이 경우 약 1,600mm). 이것은 보충 그림 1b에도시되어 있습니다.
  3. 보조 그림 1b와같이 주 섬유 방향이 볼트 너비와 평행한지 시각적으로 확인합니다. 재료의 최상위 레이어의 섬유 방향(즉, 시편을 내려다볼 때 뷰어가 보는 방향)을 주 섬유 방향이라고 합니다.
  4. 보조 그림 1c와

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결과

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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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토론

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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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공개 사항

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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.

감사의 글

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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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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
캡스턴 그립유니버셜 그립 회사20kN 랩 그립테스트에 사용되는 캡스턴 그립
세라믹 나이프슬라이스10558
세라믹 정밀 블레이드슬라이스00116
클램프어윈퀵 그립 미니 바 클램프
컨포칼 현미경
절단 매트Rotatrim A0 메트릭 자가 치유 커팅 매트
Denton 데스크탑 스퍼터 코터 스퍼터 코터
FEI Helios 660 듀얼 빔 FIB/SEMFEI Helios주사 전자 현미경
전동 로터리 커터Chickadee
로터리 커터Fiskars49255A84
스테레오 현미경NationalDC4-456H
스트레이트 에지McMaster Carr1935A74
외과 용 메스 블레이드Sklar 악기
외과 용 메스 핸들Swann Morton
범용 시험기Instron4482범용 시험기
유틸리티 나이프Stanley99E

참고문헌

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Forster, A. L., et al. Hydrolytic stability of polybenzobisoxazole and polyterephthalamide body armor. Polymer Degradation and Stability. 96 (2), 247-254 (2011).
  2. Forster, A. L., et al. Development of Soft Arm....

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재인쇄 및 허가

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