Name: Procedury cięcia, próby rozciągania i starzenia elastycznych jednokierunkowych laminatów kompozytowych (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-04-27T14:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 53 s
Description: Poznaj procedury cięcia i próby rozciągania elastycznych jednokierunkowych laminatów kompozytowych stosowanych w pancerzach balistycznych. Metoda umożliwia precyzyjne pomiary naprężenia zniszczenia bez konieczności prasowania na gorąco.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Autorzy chcieliby podziękować Stuartowi Leigh Phoenixowi za jego pomocne dyskusje, Mike'owi Rileyowi za pomoc w konfiguracji testów mechanicznych oraz Honeywellowi za przekazanie niektórych materiałów. Finansowanie dla Amy Engelbrecht-Wiggans zostało zapewnione w ramach grantu 70NANB17H337. Finansowanie dla Ajaya Krishnamurthy'ego zostało zapewnione w ramach grantu 70NANB15H272. Finansowanie dla Amandy L. Forster zostało zapewnione przez Departament Obrony na mocy umowy międzyagencyjnej R17-643-0013.

<ol><li>Forster, A. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrolytic+stability+of+polybenzobisoxazole+and+polyterephthalamide+body+armor%5BTitle%5D)+AND+%22Polymer+Degradation+and+Stability%22%5BJournal%5D)">Hydrolytic stability of polybenzobisoxazole and polyterephthalamide body armor.</a> Polymer Degradation and Stability. 96 (2), 247-254 (2011).</li>
<li>Forster, A. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Development+of+Soft+Armor+Conditioning+Protocols+for+%7BNIJ--0101.06%7D%3A+Analytical+Results%5BTitle%5D)+AND+%22NISTIR+7627%22%5BJournal%5D)">Development of Soft Armor Conditioning Protocols for {NIJ--0101.06}: Analytical Results.</a> NISTIR 7627. , (2009).</li>
<li><a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22NIJ+Standard+0101.06-+Ballistic+Resistance+of+Personal+Body+Armor%22">NIJ Standard 0101.06- Ballistic Resistance of Personal Body Armor</a>. , (2008).</li>
<li>Forster, A. L., Chin, J., Peng, J. -S., Kang, K. -L., Rice, K., Al-Sheikhly, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Long+term+stability+of+UHMWPE+fibers%5BTitle%5D)+AND+%22Conference+Proceedings+of+the+Society+for+Experimental+Mechanics+Series%22%5BJournal%5D)">Long term stability of UHMWPE fibers.</a> Conference Proceedings of the Society for Experimental Mechanics Series. 7, (2016).</li>
<li>Pilato, L. A. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aPilato%2C+LA+%22Ballistic+Resistant+Laminate%22">Ballistic Resistant Laminate</a>. , (1993).</li>
<li>Park, A. D. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aPark%2C+AD+%22Ballistic+Laminate+Structure+in+Sheet+Form%22">Ballistic Laminate Structure in Sheet Form</a>. , (1999).</li>
<li>Jacobs, M. J. N., Beugels, J. H. M., Blaauw, M. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aJacobs%2C+MJN+%22Process+for+the+manufacture+of+a+ballistic-resistant+moulded+article%22">Process for the manufacture of a ballistic-resistant moulded article</a>. , (2006).</li>
<li><a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22ASTM+E3110-18+Standard+Test+Method+for+Collection+of+Ballistic+Limit+Data+for+Ballistic-resistant+Torso+Body+Armor+and+Shoot+Packs%22">ASTM E3110-18 Standard Test Method for Collection of Ballistic Limit Data for Ballistic-resistant Torso Body Armor and Shoot Packs</a>. , (2018).</li>
<li>Russell, B. P., Karthikeyan, K., Deshpande, V. S., Fleck, N. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+high+strain+rate+response+of+Ultra+High+Molecular-weight+Polyethylene%3A+From+fibre+to+laminate%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Impact+Engineering%22%5BJournal%5D)">The high strain rate response of Ultra High Molecular-weight Polyethylene: From fibre to laminate.</a> International Journal of Impact Engineering. 60, 1-9 (2013).</li>
<li>Czechowski, L., Jankowski, J., Kubiak, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+tests+of+a+property+of+composite+material+assigned+for+ballistic+products%5BTitle%5D)+AND+%22Fibres+and+Textiles+in+Eastern+Europe%22%5BJournal%5D)">Experimental tests of a property of composite material assigned for ballistic products.</a> Fibres and Textiles in Eastern Europe. 92 (3), 61-66 (2012).</li>
<li>Levi-Sasson, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+determination+of+linear+and+nonlinear+mechanical+properties+of+laminated+soft+composite+material+system%5BTitle%5D)+AND+%22Composites+Part+B%3A+Engineering%22%5BJournal%5D)">Experimental determination of linear and nonlinear mechanical properties of laminated soft composite material system.</a> Composites Part B: Engineering. 57, 96-104 (2014).</li>
<li><a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22ASTM+D3039%2FD3039M-17+Standard+Test+Method+for+Tensile+Properties+of+Polymer+Matrix+Composite+Materials%22">ASTM D3039/D3039M-17 Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials</a>. , (2017).</li>
<li>Hazzard, M. K., Hallett, S., Curtis, P. T., Iannucci, L., Trask, R. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+fibre+orientation+on+the+low+velocity+impact+response+of+thin+Dyneema%C2%AEcomposite+laminates%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Impact+Engineering%22%5BJournal%5D)">Effect of fibre orientation on the low velocity impact response of thin Dyneema®composite laminates.</a> International Journal of Impact Engineering. 100, 35-45 (2017).</li>
<li>ASTM D5034-09. Standard Test Method for Breaking Strength and Elongation of Textile Fabrics. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Annual+Book+of+ASTM+Standards%22">Annual Book of ASTM Standards</a>. , Reapproved 1-8 (2017).</li>
<li>ASTM D5035-11. Standard Test Method for Breaking Force and Elongation of Textile Fabrics (Strip Method). <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Annual+Book+of+ASTM+Standards%22">Annual Book of ASTM Standards</a>. , Reapproved 1-8 (2015).</li>
<li>ASTM D6775-13 . Standard Test Method for Breaking Strength and Elongation of Textile Webbing, Tape and Braided Material. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Tape+and+Braided+Material.%E2%80%9D+Annual+Book+of+ASTM+Standards.+%28Reapproved%29%22">Tape and Braided Material.” Annual Book of ASTM Standards. (Reapproved)</a>. , Reapproved 1-8 (2017).</li>
<li>ASTM D3950. Standard Specification for Strapping, Nonmetallic (and Joining Methods). <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Annual+Book+of+ASTM+Standards%22">Annual Book of ASTM Standards</a>. , (Reapproved) 1-7 (2017).</li>
<li>Weibull, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+Statistical+Distribution+Function+of+Wide+applicability%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+applied+mechanics%22%5BJournal%5D)">A Statistical Distribution Function of Wide applicability.</a> Journal of applied mechanics. 18 (4), 293-297 (1951).</li>
<li>Coleman, B. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Statistics+and+time+dependence+of+mechanical+breakdown+in+fibers%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Applied+Physics%22%5BJournal%5D)">Statistics and time dependence of mechanical breakdown in fibers.</a> Journal of Applied Physics. 29 (6), 968-983 (1958).</li>
<li>Coleman, B. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Time+dependence+of+mechanical+breakdown+phenomena%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Applied+Physics%22%5BJournal%5D)">Time dependence of mechanical breakdown phenomena.</a> Journal of Applied Physics. 27 (8), 862-866 (1956).</li>
<li>Coleman, B. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Time+Dependence+of+Mechanical+Breakdown+in+Bundles+of+Fibers.+III.+The+Power+Law+Breakdown+Rule%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Rheology%22%5BJournal%5D)">Time Dependence of Mechanical Breakdown in Bundles of Fibers. III. The Power Law Breakdown Rule.</a> Journal of Rheology. 2 (1), 195(1958).</li>
<li>Coleman, B. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Application+of+the+theory+of+absolute+reaction+rates+to+the+creep+failure+of+polymeric+filaments%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Polymer+Sciences%22%5BJournal%5D)">Application of the theory of absolute reaction rates to the creep failure of polymeric filaments.</a> Journal of Polymer Sciences. 20, 447-455 (1956).</li>
<li>Coleman, B. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+stochastic+process+model+for+mechanical+breakdown%5BTitle%5D)+AND+%22Transaction+of+the+Society+of+Rheology%22%5BJournal%5D)">A stochastic process model for mechanical breakdown.</a> Transaction of the Society of Rheology. 1 (1957), 153-168 (1957).</li>
<li>Phoenix, S. L., Beyerlein, I. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Statistical+Strength+Theory+for+Fibrous+Composite+Materials%5BTitle%5D)+AND+%22Comprehensive+Composite+Materials%22%5BJournal%5D)">Statistical Strength Theory for Fibrous Composite Materials.</a> Comprehensive Composite Materials. , 559-639 (2000).</li>
<li>Newman, W. I., Phoenix, S. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Time-dependent+fiber+bundles+with+local+load+sharing%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+E+-+Statistical+Physics%2C+Plasmas%2C+Fluids%2C+and+Related+Interdisciplinary+Topics%22%5BJournal%5D)">Time-dependent fiber bundles with local load sharing.</a> Physical Review E - Statistical Physics, Plasmas, Fluids, and Related Interdisciplinary Topics. 63 (2), 20(2001).</li>
<li>Phoenix, S. L., Newman, W. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Time-dependent+fiber+bundles+with+local+load+sharing.+II.+General+Weibull+fibers%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+E+-+Statistical%2C+Nonlinear%2C+and+Soft+Matter+Physics%22%5BJournal%5D)">Time-dependent fiber bundles with local load sharing. II. General Weibull fibers.</a> Physical Review E - Statistical, Nonlinear, and Soft Matter Physics. 80 (6), 1-14 (2009).</li>
</ol>

Pełny opis procedur zastosowanych w niniejszym opracowaniu wymaga identyfikacji niektórych produktów handlowych i ich dostawców. Zamieszczenie takich informacji nie powinno być w żaden sposób interpretowane jako wskazanie, że takie produkty lub dostawcy są popierani przez NIST lub są rekomendowani przez NIST lub że są to koniecznie najlepsze materiały, instrumenty, oprogramowanie lub dostawcy do opisanych celów.

Właściwe określenie kierunku włókien ma kluczowe znaczenie. Zaletą metody opisanej w krokach 1.4–1.6 protokołu jest to, że istnieje pełna kontrola nad tym, ile włókien jest używanych do rozpoczęcia procesu separacji. Nie oznacza to jednak, że istnieje pełna kontrola nad szerokością końcowego oddzielonego obszaru, ponieważ włókna nie są w pełni równoległe i mogą się krzyżować. W procesie oddzielania jednej partii włókien często włókna sąsiadujące z tymi, które są oddzielane, również zostaną oddzielone z powodu tego skrzyż...

Narodowy Instytut Standardów i Technologii (NIST) pomaga organom ścigania i sądownictwu kryminalnemu zapewnić, że zakupiony przez nich sprzęt i technologie, których używają, są bezpieczne, niezawodne i wysoce skuteczne, poprzez program badawczy zajmujący się długoterminową stabilnością wysokowytrzymałych włókien stosowanych w kamizelkach kuloodpornych. Wcześniejsze prace1,2skupiały się na niepowodzeniu w terenie kamizelki kuloodpornej wykonanej z materiału poli(p-fenylen-2,6-benzobisoksazol) lub PBO, co doprowadziło do poważnej zmiany standardu kamizelek kuloodpornych Narodowego Instytutu Sprawiedliwości (NIJ)3. Od czasu wydania tej poprawionej normy w NIST kontynuowane są prace mające na celu zbadanie mechanizmów starzenia się innych powszechnie stosowanych włókien, takich jak polietylen o ultrawysokiej masie molowej (UHMMPE) <klasa sup = "xref">4 i poli(p-fenylenotereftalamid) lub PPTA, powszechnie znany jako aramid. Jednak wszystkie te prace koncentrowały się na starzeniu przędzy i pojedynczych włókien, co jest najbardziej istotne w przypadku tkanin. Jednak wiele projektów kamizelek kuloodpornych zawiera laminaty UD. Laminaty UD są zbudowane z cienkich warstw włókien (<0,05 mm), gdzie włókna w każdej warstwie są równoległe do siebie5,6,7, a pancerz jest konstruowany przez układanie cienkich arkuszy w naprzemiennych orientacjach, jak pokazano na rysunku uzupełniającym 1a. Ta konstrukcja opiera się w dużej mierze na żywicy wiążącej, która utrzymuje włókna w każdej warstwie na ogół równolegle, jak widać na rysunku uzupełniającym 1b, i utrzymuje nominalną orientację 0°/90° ułożonych tkanin. Podobnie jak tkaniny, laminaty UD są zwykle zbudowane z dwóch głównych odmian włókien: aramidu lub UHMMPE. Laminaty UD zapewniają kilka zalet projektantom kamizelek kuloodpornych: pozwalają na niższy system zbroi w porównaniu z tymi wykorzystującymi tkaniny (z powodu utraty wytrzymałości podczas tkania), eliminują potrzebę tkanej konstrukcji i wykorzystują włókna o mniejszej średnicy, aby zapewnić podobną wydajność do tkanin, ale przy niższej wadze. Wcześniej wykazano, że PPTA jest odporny na degradację spowodowaną temperaturą i wilgotnością1,2, ale spoiwo może odgrywać znaczącą rolę w wydajności laminatu UD. W związku z tym ogólny wpływ środowiska użytkowania na pancerz oparty na PPTA jest nieznany8.
Do tej pory przeprowadzono tylko bardzo wstępne prace mające na celu scharakteryzowanie starzenia się żywic wiążących stosowanych w tych laminatach UD oraz wpływu starzenia się spoiwa na wydajność balistyczną laminatu UD. Na przykład, podczas opracowywania protokołu kondycjonowania stosowanego w NIJ Standard-0101.06, laminaty UD wykazywały wizualne oznaki rozwarstwienia i zmniejszenia V50 po starzeniu1,2,8. Wyniki te wskazują na potrzebę dokładnego zrozumienia właściwości materiału wraz ze starzeniem się, aby ocenić jego długoterminową wydajność strukturalną. To z kolei wymaga opracowania znormalizowanych metod badania właściwości niszczących tych materiałów. Głównym celem tej pracy jest zbadanie metod i najlepszych praktyk w zakresie dokładnego testowania właściwości mechanicznych materiałów laminowanych UD oraz zaproponowanie nowej metodologii badań dla tych materiałów. W niniejszej pracy opisano również najlepsze praktyki w zakresie starzenia materiałów laminowanych UD.
Literatura zawiera kilka przykładów testowania właściwości mechanicznych laminatów UD po sprasowaniu na gorąco wielu warstw w twardą próbkę9,10,11. W przypadku sztywnych laminatów kompozytowych można zastosować ASTM D303912; Jednak w tym badaniu materiał ma grubość około 0,1 mm i nie jest sztywny. Niektóre materiały laminowane UD są używane jako prekursory do produkcji sztywnych balistycznych artykułów ochronnych, takich jak hełmy lub płyty balistyczne. Jednak cienki, elastyczny laminat UD może być również używany do produkcji kamizelek kuloodpornych9,13.
Celem tej pracy jest opracowanie metod badania wydajności materiałów w miękkich pancerzach, więc metody polegające na prasowaniu na gorąco nie były badane, ponieważ nie są reprezentatywne dla sposobu, w jaki materiał jest używany w miękkich pancerzach. ASTM International ma kilka norm metod testowych związanych z testowaniem pasków tkaniny, w tym ASTM D5034-0914 Standardowa metoda badania wytrzymałości na zerwanie i wydłużenie tkanin tekstylnych (test chwytania), ASTM D5035-1115 Standardowa metoda badania siły zrywającej i wydłużenia tkanin tekstylnych (metoda paskowa), ASTM D6775-1316 Standardowa metoda badania wytrzymałości na zerwanie i wydłużenia taśm tekstylnych, taśm i plecionek oraz ASTM D395017 Standardowa specyfikacja dla taśmy, niemetalowej (i metod łączenia). Normy te mają kilka kluczowych różnic pod względem stosowanych uchwytów testowych i wielkości próbki, jak wspomniano poniżej.
Metody opisane w ASTM D5034-0914 i ASTM D5035-1115 są bardzo podobne i koncentrują się na testowaniu standardowych tkanin, a nie kompozytów o wysokiej wytrzymałości. W przypadku testów w tych dwóch normach powierzchnie szczęk uchwytów są gładkie i płaskie, chociaż modyfikacje są dozwolone dla próbek z naprężeniem niszczącym większym niż 100 N/cm, aby zminimalizować rolę uszkodzenia opartego na drganiu ciernym. Sugerowane modyfikacje zapobiegające ślizganiu się to wyściełanie szczęk, pokrycie materiału pod szczękami i modyfikacja powierzchni szczęki. W przypadku tego badania naprężenie niszczące próbkę wynosi około 1,000 N/cm, a zatem ten styl uchwytów powoduje nadmierny poślizg próbki. ASTM D6775-1316 i ASTM D395017 są przeznaczone do znacznie mocniejszych materiałów i oba opierają się na uchwytach kabestanowych. W związku z tym badanie to skupiło się na zastosowaniu uchwytów kabestanowych.
Ponadto, rozmiar próbki różni się znacznie między tymi czterema standardami ASTM. Normy dotyczące taśm i taśm, ASTM D6775-1316 i ASTM D395017, określają testowanie pełnej szerokości materiału. ASTM D677516 określa maksymalną szerokość 90 mm. Natomiast standardy tkanin14,15 oczekują, że próbka zostanie przycięta na szerokość i określą szerokość 25 mm lub 50 mm. Całkowita długość próbki waha się od 40 cm do 305 cm, a długość miernika waha się od 75 mm do 250 mm w tych normach ASTM. Ponieważ normy ASTM różnią się znacznie pod względem wielkości próbki, w tym badaniu uwzględniono trzy różne szerokości i trzy różne długości.
Terminologia odnosząca się do przygotowania próbki w protokole jest następująca: śruba > materiał prekursora > materiał > próbce, gdzie termin śruba odnosi się do rolki laminatu UD, materiał prekursorowy odnosi się do nierozwiniętej ilości materiału UD nadal przymocowanego do, materiał odnosi się do oddzielonego kawałka laminatu UD, a próbka odnosi się do pojedynczego kawałka do testowania.

<table><tbody><tr><td>Capstan Grips</td><td>Uniwersalny uchwyt firmy</td><td>20kN wrap grips</td><td>Uchwyty kabestanowe używane w testach</td></tr><tr><td>Nóż ceramiczny</td><td>Slice</td><td>10558</td><td></td></tr><tr><td>Ceramiczne ostrze precyzyjne</td><td>Slice</td><td>00116</td><td></td></tr><tr><td>Zacisk</td><td>Irwin</td><td>quick grip mini bar clamp</td><td></td></tr><tr><td>Mikroskop</td><td></td><td></td><td></td>konfokalny</tr><tr><td>Mata do cięcia</td><td>Rotatrim&nbsp;</td><td></td><td>Metryczna samonaprawiająca się mata do cięcia A0</td></tr><tr><td>Denton Desktop sputter coater&nbsp;</td><td></td><td></td><td>Powlekarka napylająca</td></tr><tr><td>FEI Helios 660 Podwójna wiązka FIB/SEM</td><td>FEI Helios</td><td></td><td>Skaningowy mikroskop elektronowy</td></tr><tr><td>Zmotoryzowany nóż rotacyjny</td><td>Chickadee</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Rotary Cutter</td><td>Fiskars</td><td>49255A84</td><td></td></tr><tr><td>Mikroskop stereoskopowy</td><td>National</td><td>DC4-456H</td><td></td></tr><tr><td>Prosta krawędź</td><td>McMaster Carr</td><td>1935A74</td><td></td></tr><tr><td>Chirurgiczne ostrze skalpela</td><td>Sklar Instruments</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Chirurgiczny uchwyt skalpela</td><td>Swann Morton</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Uniwersalna maszyna testowa</td><td>Instron</td><td>4482</td><td>Uniwersalna maszyna testowa</td></tr><tr><td>Nóż uniwersalny</td><td>Stanley</td><td>99E</td><td></td></tr></tbody></table>

procedury cięcia, próby rozciągania i starzenia elastycznych jednokierunkowych laminatów kompozytowych

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

Wiele projektów kamizelek kuloodpornych zawiera laminaty jednokierunkowe (UD). Laminaty UD są zbudowane z cienkich (<0,05 mm) warstw wysokowydajnych przędz, w których przędze w każdej warstwie są zorientowane równolegle do siebie i utrzymywane na miejscu za pomocą żywic wiążących i cienkich folii polimerowych. Pancerz jest zbudowany poprzez ułożenie jednokierunkowych warstw w różnych orientacjach. Do tej pory przeprowadzono jedynie bardzo wstępne prace mające na celu scharakteryzowanie starzenia żywic wiążących stosowanych w laminatach jednokierunkowych i wpływu na ich wydajność. Na przykład, podczas opracowywania protokołu kondycjonowania stosowanego w normie National Institute of Justice Standard-0101.06, laminaty UD wykazywały wizualne oznaki rozwarstwienia i zmniejszenia V50, czyli prędkości, przy której połowa pocisków ma przebić pancerz po starzeniu. Lepsze zrozumienie zmian właściwości materiałowych w laminatach UD jest konieczne, aby zrozumieć długoterminową wydajność pancerzy zbudowanych z tych materiałów. Nie ma obecnie norm zalecanych do mechanicznego badania jednokierunkowych materiałów laminowanych (UD). W niniejszym badaniu przeanalizowano metody i najlepsze praktyki w zakresie dokładnego testowania właściwości mechanicznych tych materiałów i zaproponowano nową metodologię testowania tych materiałów. Opisano również najlepsze praktyki w zakresie postarzania tych materiałów.

Przeprowadzono wiele iteracji cięcia i testowania w celu zbadania kilku różnych zmiennych. Do badanych zmiennych należą między innymi technika cięcia i narzędzie do cięcia, szybkość testowania, wymiary próbek oraz uchwyty. Jednym z kluczowych ustaleń była istotność odpowiedniego ustawienia próbek zgodnie z kierunkiem włókien. Poniżej omówiono procedury analizy danych (analizę spójności, techniki Weibulla, wykrywanie wartości odstających itp.), jak również kwestie związane z procesem starz...

Celem badania było opracowanie protokołów do przygotowania spójnych próbek do dokładnych testów mechanicznych elastycznych jednokierunkowych laminatów kompozytowych na bazie aramidu o wysokiej wytrzymałości lub polietylenu o ultra wysokiej masie molowej oraz opisanie protokołów przeprowadzania sztucznego starzenia na tych materiałach.

Procedury cięcia, próby rozciągania i starzenia elastycznych jednokierunkowych laminatów kompozytowych

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

Protokół ten może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie rozwoju kamizelek kuloodpornych poprzez zdefiniowanie powtarzalnej procedury testowania właściwości mechanicznych elastycznych jednokierunkowych tkanin kompozytowych. Proste, czyste cięcie, dobrze zorientowane w kierunku włókien, ma kluczowe znaczenie dla dokładnego pomiaru naprężeń powodujących uszkodzenie, zapobiegając dodatkowym źródłom błędów. Technika ta wypełnia lukę w obecnych testach, umożliwiając badanie właściwości materiału bez prasowania na gorąco, co jest bardziej reprezentatywne dla jego zastosowania w miękkich kamizelkach kuloodpornych.Rozwiń z materiału jednokierunkowego, który ma być przetestowany, do powierzchni roboczej. Odwinięta część jest materiałem prekursorowym. Sprawdź wzrokowo, czy główny kierunek włókna jest równoległy do szerokości.Następnie zdobądź skalpel, aby wyizolować materiał prekursorowy. Utwórz zakładkę, wykonując cięcie równoległe do kierunku włókna. Następnie wykonaj kolejne równoległe cięcie w odległości około trzech milimetrów.Ręcznie chwyć zakładkę i oderwij ją, aby odsłonić włókna na warstwie pod spodem. Ciągnąć, aż dwie warstwy zostaną rozdzielone na całej długości materiału prekursorowego. Usuń wszelkie luźne włókna z krawędzi zakładki, które sąsiadują z odsłoniętymi włóknami poprzecznymi.Mogą one znajdować się w odległości od jednego do dwóch milimetrów od ścieżki tabulatora. Kontynuuj, oddzielając kawałek materiału prekursorowego od. Odwróć materiał tak, aby nowy kierunek włókna był kierunkiem osnowy.Teraz zaznacz linie uchwytu na materiale wyrównane w kierunku wątku. Linie te są ustawioną odległością i równolegle do krawędzi cięcia materiału. Ponownie wytnij zakładkę w materiale, a następnie pociągnij zakładkę, aby określić główny kierunek włókien dla próbki, która ma być wycięta z materiału.Kierunek włókna powinien być prostopadły do linii uchwytu. Zanieś materiał na odpowiednią samonaprawiającą się matę do cięcia z siatką. Ostrożnie wyrównaj kierunek włókien z liniami siatki na macie.Upewnij się, że kierunek włókien w materiale jest wyrównany z liniami siatki. Unikaj uszkodzenia materiału i przymocuj go do maty do cięcia, zaklejając jej rogi. Użyj ostrza medycznego i prostej krawędzi, aby wyciąć próbki z materiału.Umieść prostą krawędź na żądanej szerokości próbki i wyrównaj ją z siatką na macie do cięcia. Clamp końce prostej krawędzi na miejscu i sprawdź, czy jest nadal prawidłowo ustawiona. Przeciąć próbkę wzdłuż prostej krawędzi ze stałą prędkością i naciskiem.Odkręć prostą krawędź, uważając, aby nie przesunąć materiału. Następnie usuń próbkę. Są to wszystkie próbki uzyskane po powtórzeniu etapów cięcia w celu maksymalizacji produkcji próbek.Przygotuj się do oznaczania punktów do śledzenia na próbce do użycia z ekstensometrem wideo. Aby uzyskać spójność, użyj szablonu umieszczonego nad próbką. Oznacz punkty miernika trwałym markerem.Upewnij się, że ślady są widoczne na próbce, aby umożliwić pomiar odkształcenia. Następnie zabierz próbkę do uniwersalnej maszyny wytrzymałościowej. Tam włóż koniec próbki przez szczelinę w kabestanie i przyłóż go do linii uchwytu, tworząc pętlę.Wyśrodkuj próbkę na uchwytach kabestanu. Trzymając próbkę wyśrodkowaną, przekręć kabestan do żądanej pozycji. Użyj urządzenia napinającego, aby przytrzymać próbkę na miejscu przed zablokowaniem kabestanu na miejscu.Zakończ montaż próbki, powtarzając te same kroki z drugim końcem. Po zakończeniu zastosuj małe obciążenie wstępne wynoszące dwa niutony i zapisz rzeczywistą długość miernika. Teraz ustaw przyrząd tak, aby wykonywał próbę rozciągania ze stałą prędkością 10 milimetrów na minutę i rozpocznij test.Na potrzeby badania maszyna wytrzymałościowa przykłada stałą szybkość rozciągania do próbki, podczas gdy rejestrowane jest obciążenie i przemieszczenie. Test jest kontynuowany do momentu wystąpienia przerwy w próbce. Ten wykres jest typową krzywą obciążenia w funkcji przemieszczenia dla tych eksperymentów.Podczas monitorowania wyświetlacza obserwowane zmniejszenie obciążenia o 90% wskazuje na przerwę w próbce. Zapisz maksymalne naprężenie i odpowiednie odkształcenie przy zniszczeniu. Po sporządzeniu planu badania należy wyciąć materiał potrzebny do zbadania każdego schorzenia.Paski powinny być wystarczająco szerokie, aby uzyskać wymagane próbki i mieć dodatkowe 10 milimetrów lub więcej. Umieść paski do ekspozycji środowiskowej na tacy. W komorze środowiskowej ustaw jej program na suche warunki temperatury pokojowej i pozwól jej się ustabilizować.Po ustabilizowaniu się komory umieść tackę na próbkę w środku, z dala od ścianek lub jakichkolwiek punktów kondensacji. Następnie zaprogramuj komorę, aby osiągnęła temperaturę docelową dla badania środowiskowego. Gdy temperatura jest stabilna, zaprogramuj komorę tak, aby osiągnęła docelową wilgotność.Kiedy nadejdzie czas ekstrakcji starego materiału, zaprogramuj komorę tak, aby obniżała wilgotność względną do mniej więcej wilgotności laboratoryjnej. Po ustabilizowaniu się wilgotności zaprogramuj temperaturę tak, aby spadła do temperatury pokojowej, czyli około 25 stopni Celsjusza. Aby pobrać materiał, należy przygotować odpowiednio oznakowany pojemnik.Przy stabilnej wilgotności i temperaturze otwórz komorę, usuń wymagany materiał i umieść go w oznaczonym pojemniku. Zwróć pozostały materiał do komory środowiskowej i przywróć wybrane warunki. Następnie weź postarzony materiał, aby stworzyć postarzane okazy.Ten postarzany materiał jest wyrównany na samonaprawiającej się powierzchni cięcia. Jego linie chwytu zostały oznaczone tak jak poprzednio. Ustaw prostą krawędź, aby usunąć pięć milimetrów z jednej strony próbki.Przytnij tę ilość, aby usunąć wszelkie uszkodzenia spowodowane obsługą podczas procesu starzenia. Kontynuuj tworzenie próbek w taki sam sposób, jak w przypadku niestarzejącego się materiału. Po zakończeniu próbki są gotowe do użycia w eksperymentach z próbami rozciągania.W przypadku testów obciążeniowych wykonywanych ze stałym kabestanem, wykresy obciążenia w funkcji wydłużenia kilku próbek pokazują, że próbki uległy poślizgowi. Odzwierciedla to trudność w zabezpieczeniu materiału. Natomiast w przypadku kabestanu obrotowego krzywe są gładkie i spójne.Materiał jest jednokierunkowym laminatem polietylenowym o ultrawysokiej masie cząsteczkowej. Ten rozkład naprężeń niszczących jest wykreślany przy użyciu skalowania Weibulla. Dane dotyczą jednokierunkowych próbek laminatu PPTA, które o długości 300 milimetrów i szerokości 30 milimetrów tną wzdłuż kierunku osnowy z obciążeniem 10 milimetrów na minutę.Istnieje wartość odstająca o niskiej sile, którą należy zbadać. Dla porównania wykreślane są te same dane, z wyjątkiem wykluczonych wartości odstających. Zwróć uwagę na zmianę osi poziomej.Zgodnie z tą procedurą, spektroskopia molekularna może być wykorzystana do udzielenia odpowiedzi na pytania dotyczące zmian chemicznych w materiale spowodowanych wystawieniem na działanie ciepła i wilgoci. Należy pamiętać, że skalpel medyczny jest niezwykle ostry i należy zachować odpowiednią ostrożność, aby uniknąć obrażeń.

cutting-procedures-tensile-testing-ageing-flexible-unidirectional

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Trwałość polimerów i kompozytów polimerowych wzmocnionych włóknami w eksploatacji jest krytycznym aspektem dla ich projektowania i konserwacji w oparciu o stan. Przedstawiamy nowatorską, niskokosztową platformę do badań laboratoryjnych do badania wpływu jednoczesnych obciążeń mechanicznych i środowiskowych, która może pomóc w projektowaniu bardziej wydajnych, a jednocześnie bezpieczniejszych struktur kompozytowych.

Platforma testowa do badań trwałości polimerów i kompozytów polimerowych wzmacnianych włóknami w warunkach jednoczesnych bodźców higrotermomechanicznych

Opisana jest prosta procedura ultradźwiękowego zgrzewania próbek z kompozytu termoplastycznego do podstawowych testów mechanicznych. Kluczowymi cechami tego procesu spawania ultradźwiękowego są zastosowanie płaskich rozdzielaczy energii w celu uproszczenia przygotowania procesu oraz wykorzystanie danych procesowych do szybkiego zdefiniowania optymalnych warunków obróbki.

Zgrzewanie ultradźwiękowe termoplastycznych kompozytów kompozytowych do mechanicznej charakterystyki połączeń spawanych poprzez badanie ścinaniem na pojedyncze zakładki

Przedstawiono protokół odsłaniania gołych włókien na powierzchni kompozytu poprzez eliminację obszaru bogatego w żywicę. Włókna są odsłaniane podczas wytwarzania kompozytów, a nie przez obróbkę powierzchni. Odsłonięte kompozyty węglowe charakteryzują się wysoką przewodnością elektryczną w kierunku przekroju i grubością oraz wysokimi właściwościami mechanicznymi.

Eksperymentalne wdrożenie nowej metody wytwarzania kompozytów: naświetlanie gołych włókien na powierzchni kompozytu metodą miękkiej warstwy

Opisana jest nowa technika wywierania nacisku konsolidacyjnego na układ worka próżniowego w celu wytworzenia laminatów kompozytowych. Celem tego protokołu jest opracowanie prostej, opłacalnej techniki poprawy jakości laminatów wytwarzanych metodą worków próżniowych do układania na mokro.

Produkcja kompozytów wspomagana magnesami: nowa, elastyczna technika osiągania wysokiego ciśnienia konsolidacji w procesach próżniowego workowania/układania

Głównym celem badania jest opracowanie protokołu do przygotowania spójnych próbek do dokładnych testów mechanicznych kopolimerowych włókien aramidowych o wysokiej wytrzymałości, poprzez usunięcie powłoki i rozplątanie poszczególnych pasm włókien bez wprowadzania znaczącej degradacji chemicznej lub fizycznej.

Rozplątywanie włókien aramidowych kopolimeru o wysokiej wytrzymałości w celu umożliwienia określenia ich właściwości mechanicznych

W tej pracy szczegółowo omówiono kilka aspektów związanych z procesem projektowania konstrukcji pojazdu solarnego z tworzywa sztucznego wzmocnionego włóknem węglowym, skupiając się na podwoziu typu monocoque, resorach piórowych i pojeździe jako całości podczas testu zderzeniowego.

Projekt konstrukcyjny i produkcja pojazdu solarnego klasy cruiser

Tutaj symulujemy przyspieszone starzenie termiczne tkaniny technicznej i sprawdzamy, jak ten proces starzenia wpływa na właściwości mechaniczne tkaniny.

Sztuczne starzenie termiczne tkaniny technicznej wzmocnionej poliestrem i powlekanej polipochlorkiem winylu

Ten artykuł opisuje proces produkcji laminatów kompozytowych z matrycą polimerową wzmocnioną włóknami, uzyskanych metodą mokrego ręcznego układania/worka próżniowego.

Pomiar właściwości mechanicznych polimerowych laminatów kompozytowych wzmocnionych włóknem szklanym otrzymanych w różnych procesach produkcyjnych

Parametryczne wzbudzenia optomechaniczne zostały ostatnio eksperymentalnie zademonstrowane w mikroprzepływowych rezonatorach optomechanicznych za pomocą ciśnienia promieniowania optycznego i stymulowanego rozpraszania Brillouina. W artykule opisano wytwarzanie tych rezonatorów mikroprzepływowych wraz z metodologiami generowania i weryfikacji oscylacji optomechanicznych.

Produkcja i testowanie mikroprzepływowych oscylatorów optomechanicznych

Uwalnianie nanocząstek jest testowane przy użyciu systemu komor, który zawiera licznik cząstek kondensacji, optyczny licznik cząstek i porty do pobierania próbek filtrów do analizy mikroskopowej. Proponowany system komór może być skutecznie wykorzystywany do testowania uwalniania nanomateriałów z powtarzalnym i spójnym zakresem danych.

Badanie uwalniania nanocząstek z kompozytu zawierającego nanomateriał za pomocą systemu komorowego

Poznaj procedury cięcia i próby rozciągania elastycznych jednokierunkowych laminatów kompozytowych stosowanych w pancerzach balistycznych. Metoda umożliwia precyzyjne pomiary naprężenia zniszczenia bez konieczności prasowania na gorąco.

Procedury cięcia, próby rozciągania i starzenia elastycznych jednokierunkowych laminatów kompozytowych

Przeglądaj więcej filmów