Summary
Ziel der Studie war es, Protokolle zur Vorbereitung konsistenter Proben für genaue mechanische Tests von hochfestem Aramid oder ultrahochmolaren Polyethylen-basierten flexiblen unidirektionalen Verbundlaminatmaterialien zu entwickeln und Protokolle für die künstliche Alterung dieser Materialien.
Abstract
Viele Karosseriepanzerungsdesigns enthalten unidirektionale (UD) Laminate. UD-Laminate bestehen aus dünnen (<0,05 mm) Schichten von Hochleistungsgarnen, bei denen die Garne in jeder Schicht parallel zueinander ausgerichtet und mit Bindemittelharzen und dünnen Polymerfolien an Ort und Stelle gehalten werden. Die Rüstung wird durch Stapeln der unidirektionalen Schichten in verschiedenen Ausrichtungen konstruiert. Bisher wurden nur sehr vorarbeiten, um die Alterung der Bindemittelharze, die in unidirektionalen Laminaten verwendet werden, und die Auswirkungen auf ihre Leistung zu charakterisieren. Zum Beispiel zeigten UD-Laminate während der Entwicklung des Konditionierungsprotokolls, das im National Institute of Justice Standard-0101.06 verwendet wurde, visuelle Anzeichen von Delamination und Reduktion ender V50, d. h. der Geschwindigkeit, mit der die Hälfte der Projektile werden erwartet, dass die Rüstung nach dem Altern perforiert wird. Ein besseres Verständnis der Materialeigenschaftenänderungen in UD-Laminaten ist notwendig, um die langfristige Leistung von Rüstungen zu verstehen, die aus diesen Materialien konstruiert sind. Es sind keine aktuellen Normen für die mechanische Abrufung unidirektionaler (UD) Laminatmaterialien empfohlen. Diese Studie untersucht Methoden und Best Practices für die genaue Prüfung der mechanischen Eigenschaften dieser Materialien und schlägt eine neue Testmethodik für diese Materialien vor. Bewährte Verfahren für die Alterung dieser Materialien werden ebenfalls beschrieben.
Introduction
Das National Institute of Standards and Technology (NIST) hilft Strafverfolgungsbehörden und Strafjustizbehörden, durch ein Forschungsprogramm sicherzustellen, dass die von ihnen gekauften Geräte und die von ihnen eingesetzten Technologien sicher, zuverlässig und hochwirksam sind. die Langzeitstabilität hochfester Fasern, die in der Körperpanzerung verwendet werden. Vorherige Arbeit1,2konzentrierte sich auf das Feldversagen einer Körperpanzerung aus dem Material Poly (p-Phenylen-2,6-benzobisoxazol) oder PBO, was zu einer umfassenden Überarbeitung des Body-Armor-Standards des National Institute of Justice (NIJ) führte. 3. Seit der Veröffentlichung dieser überarbeiteten Norm wurden am NIST die Arbeiten zur Untersuchung von Alterungsmechanismen in anderen häufig verwendeten Fasern wie Ultrahochmol-Massenpolyethylen (UHMMPE)4 und Poly (p-Phenylenterephthalamid) oder PPTA fortgesetzt. allgemein bekannt als Aramid. All diese Arbeiten konzentrierten sich jedoch auf die Alterung von Garnen und Einzelfasern, was für Gewebe am relevantesten ist. Viele Karosseriepanzerungsdesigns enthalten jedoch UD-Laminate. UD-Laminate bestehen aus dünnen Faserschichten (<0,05 mm), wobei die Fasernin jeder Schicht parallel zueinander 5,6,7 und die Rüstung durch Stapeln der dünnen Bleche in wechselnden Ausrichtungen aufgebaut wird, wie in der Ergänzenden Abbildung 1a dargestellt. Dieses Design stützt sich stark auf ein Bindemittelharz, um die Fasern in jeder Schicht im Allgemeinen parallel zu halten, wie in Der Ergänzenden Abbildung 1bzu sehen ist, und die nominell 0°/90° Ausrichtung der gestapelten Gewebe beizubehalten. Wie Gewebe werden UD-Laminate in der Regel aus zwei großen Faservarianten hergestellt: Aramid oder UHMMPE. UD-Laminate bieten Body-Armor-Designern mehrere Vorteile: Sie ermöglichen ein Panzerungssystem mit geringerem Gewicht im Vergleich zu solchen, die Gewebe verwenden (aufgrund von Festigkeitsverlusten beim Weben), eliminieren die Notwendigkeit einer gewebten Konstruktion und verwenden Fasern mit kleinerem Durchmesser. eine ähnliche Leistung wie Gewebe zu bieten, aber mit einem geringeren Gewicht. PPTA hat sich zuvor als resistent gegen Verschlechterungen durch Temperatur und Feuchtigkeit1,2, aber das Bindemittel kann eine wichtige Rolle bei der Leistung des UD-Laminats spielen. Somit sind die Gesamtauswirkungen der Verwendungsumgebung auf PPTA-basierte Rüstungen unbekannt8.
Bis heute wurden nur sehr vorarbeiten, um die Alterung der in diesen UD-Laminaten verwendeten Bindemittelharze und die Auswirkungen der Bindemittelalterung auf die ballistische Leistung des UD-Laminats zu charakterisieren. Zum Beispiel zeigten UD-Laminate während der Entwicklung des in NIJ Standard-0101.06 verwendeten Konditionierungsprotokolls visuelle Anzeichen von Delamination und Reduktionen von V50 nach Alterung1,2,8. Diese Ergebnisse zeigen die Notwendigkeit eines gründlichen Verständnisses der Materialeigenschaften bei Alterung, um die langfristige strukturelle Leistungsfähigkeit des Materials zu bewerten. Dies wiederum erfordert die Entwicklung standardisierter Methoden zur Abhörung der Fehlereigenschaften dieser Materialien. Die Hauptziele dieser Arbeit sind die Untersuchung von Methoden und Best Practices für die genaue Prüfung der mechanischen Eigenschaften von UD-Laminatmaterialien und die Vorgeschlagene einer neuen Testmethodik für diese Materialien. Bewährte Verfahren für die Alterung von UD-Laminatmaterialien werden in dieser Arbeit ebenfalls beschrieben.
Die Literatur enthält mehrere Beispiele für das Testen der mechanischen Eigenschaften von UD-Laminaten nach dem Heißpressen mehrerer Schichten in eine harte Probe9,10,11. Für starre Verbundlaminate kann ASTM D303912 verwendet werden; In dieser Studie ist das Material jedoch etwa 0,1 mm dick und nicht starr. Einige UD-Laminatmaterialien werden als Vorläufer verwendet, um starre ballistische Schutzartikel wie Helme oder ballistische Platten herzustellen. Das dünne, flexible UD-Laminat kann jedoch auch zur Herstellung von Körperpanzerung9,13verwendet werden.
Das Ziel dieser Arbeit ist es, Methoden zur Erforschung der Leistung der Materialien in weichen Körperpanzerung zu entwickeln, so dass Methoden mit heißem Pressen nicht erforscht wurden, weil sie nicht repräsentativ für die Art und Weise sind, wie das Material in weichen Körperpanzerung verwendet wird. ASTM International hat mehrere Testmethodenstandards für Prüfstreifen aus Geweben, einschließlich ASTM D5034-0914 Standard Test Method for Breaking Strength and Llongation of Textile Fabrics (Grab Test), ASTM D5035-1115 Standard Test Verfahren zur Bruchkraft und Dehnung von Textilgeweben (Strip-Methode), ASTM D6775-1316 Standard-Testmethode für Bruchfestigkeit und Dehnung von Textilband, Band und geflochtenem Material und ASTM D395017 Standardspezifikation für Umreifung, Nichtmetallisch (und Fügemethoden). Diese Normen weisen mehrere wesentliche Unterschiede in Bezug auf die verwendeten Prüfgriffe und die Probengröße auf, wie unten erwähnt.
Die in ASTM D5034-0914 und ASTM D5035-1115 beschriebenen Methoden sind sehr ähnlich und konzentrieren sich auf das Testen von Standardgeweben anstelle von hochfesten Verbundwerkstoffen. Bei den Tests in diesen beiden Normen sind die Kieferflächen der Griffe glatt und flach, obwohl Modifikationen für Proben mit einer Ausfallspannung von mehr als 100 N/cm zulässig sind, um die Rolle eines Stick-Slip-basierten Ausfalls zu minimieren. Vorgeschlagene Modifikationen, um ein Verrutschen zu verhindern, sind, die Backen zu befüllen, den Stoff unter den Kiefern zu beschichten und das Kiefergesicht zu modifizieren. Im Falle dieser Studie beträgt die Probenversagensspannung ca. 1.000 N/cm, so dass diese Griffart zu einem übermäßigen Probenschlupf führt. ASTM D6775-1316 und ASTM D395017 sind für wesentlich stärkere Materialien bestimmt und verlassen sich beide auf Capstan-Griffe. So konzentrierte sich diese Studie auf die Verwendung von Capstan-Griffen.
Darüber hinaus variiert die Probengröße zwischen diesen vier ASTM-Standards erheblich. Die Gurt- und Umreifungsstandards ASTM D6775-1316 und ASTM D395017legen fest, dass die gesamte Breite des Materials getestet werden soll. ASTM D677516 gibt eine maximale Breite von 90 mm an. Im Gegensatz dazu erwarten die Gewebenormen14,15, dass die Probe in der Breite geschnitten wird und entweder eine Breite von 25 mm oder 50 mm vorgibt. Die Gesamtlänge der Probe variiert zwischen 40 cm und 305 cm, und die Spurweite variiert zwischen 75 mm und 250 mm über diese ASTM-Normen. Da die ASTM-Normen hinsichtlich der Probengröße erheblich variieren, wurden für diese Studie drei unterschiedliche Breiten und drei unterschiedliche Längen berücksichtigt.
Die Terminologie, die sich auf die Probenvorbereitung im Protokoll bezieht, ist wie folgt: Schraube > Vorläufermaterial > Material > Probe, bei der sich der Begriff Schraube auf eine Rolle UD-Laminat bezieht, bezieht sich Vorläufermaterial auf eine ungewickelte Menge an UD-Gewebe, die noch befestigt ist. zur Schraube bezieht sich das Material auf ein abgetrenntes Stück UD-Laminat, und die Probe bezieht sich auf ein einzelnes zu prüfendes Stück.
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Protocol
1. Schneidverfahren für Kettrichtungsproben, die senkrecht zur Achse der Rolle geschnitten werden
- Identifizieren Sie eine Schraube aus unidirektionazielem Material, das getestet werden soll.
ANMERKUNG: Es gibt keine Kettung (verwendet, um die Richtung senkrecht zur Achse der Rolle zu beschreiben) und Schuss (verwendet, um die Richtung parallel zur Achse der Rolle zu beschreiben) im traditionellen textilen Sinne, da das hier verwendete Material nicht gewebt ist, aber diese Begriffe sind entlehnt fo r Klarheit. - Entrollen Sie die Schraube manuell, um das Vorläufermaterial freizulegen (d. h. das identifizierte Material wird von der Schraube abgewickelt, aber immer noch mit der Schraube verbunden).
ANMERKUNG: Die Breite dieser Schraube wird zur Gesamtlänge des Materials (siehe Ergänzungsabbildung 1b), also für eine Spurweite von 300 mm (entsprechend einer Gesamtprobenlänge von 600 mm), mit dem unten angegebenen Verfahren und Prüfgriffe, dem Stück Material, das von der Schraube geschnitten wird, sollte 600 mm breit sein. Die Länge dieses Materials wird die der Breite der Schraube sein, auf der das Material gewalzt wird (in diesem Fall ca. 1.600 mm). Dies ist in der Ergänzenden Abbildung 1bdargestellt. - Überprüfen Sie visuell, ob die Hauptfaserrichtung parallel zur Breite der Schraube verläuft, wie in der ergänzenden Abbildung 1bdargestellt. Die Faserrichtung der obersten Schicht des Materials (d.h. die, die ein Betrachter beim Blick auf die Probe sieht) wird als Hauptfaserrichtung bezeichnet.
- Schneiden Sie eine kleine Lasche im Vorläufermaterial mit einem Skalpell, ca. 3 mm breit, wobei die Laschelänge nominell parallel zur Hauptfaserrichtung des Vorläufermaterials ausgerichtet ist, wie in der ergänzenden Abbildung 1c dargestellt.
- Greifen Sie die Lasche manuell und ziehen Sie sie nach oben, um die Lasche wegzureißen und die Fasern auf der darunter liegenden Schicht freizulegen, die senkrecht zur Lasche verläuft. Ziehen Sie weiter auf der Lasche, bis die beiden Schichten über die gesamte Länge des Vorläufermaterials getrennt wurden ( Ergänzende Abbildung 1d).
HINWEIS: Dieser Schritt erzeugt einen Bereich, in dem nur Querfasern sichtbar sind, wie in der ergänzenden Abbildung 1ddargestellt. - Entfernen Sie alle losen Fasern, die die freiliegenden Kreuzfasern, die übrig bleiben, vom Rand der Registerkarte entfernen.
HINWEIS: Im aktuellen UD-Laminatsystem wurde beobachtet, dass die Fasern nicht perfekt parallel sind (wie in Abbildung 1dargestellt) und dass sie benachbarte Fasern überqueren können. So werden Fasern, die die getrennten benachbart sind, in diesem Prozess häufig getrennt. Die benachbarten Fasern, die sich lösen, können bis zu 1–2 mm vom erwarteten Pfad der für die Trennung verwendeten Lasche entfernt sein. - Mit einem medizinischen Skalpell entlang der freiliegenden Kreuzfasern schneiden, wodurch das Stück Vorläufermaterial von der Schraube getrennt wird.
- Bestimmen Sie den Abstandsschnitt, der die Klinge stumpf macht, wodurch ein weniger sauberer Schnitt verursacht wird (d. h. nach 400 cm Schneiden dieses Materials könnte ein Skalpell stumpf und zerkratzt werden, wie in Der ergänzenden Abbildung 2 und der ergänzenden Abbildung 3dargestellt). Ersetzen Sie die Klinge, bevor sie stumpf wird, oder wenn sie beschädigt ist. Untersuchen Sie mehrere Schneidinstrumente, wenn Sie eine andere Materialart testen, um das beste zu bestimmen.
VORSICHT: Es ist mit allen scharfen Klingen oder Schneidwerkzeugen vorsichtig zu sein, um Verletzungen zu vermeiden. In diesem Schritt können schnittfeste Handschuhe getragen werden, um das Verletzungsrisiko zu verringern.
- Bestimmen Sie den Abstandsschnitt, der die Klinge stumpf macht, wodurch ein weniger sauberer Schnitt verursacht wird (d. h. nach 400 cm Schneiden dieses Materials könnte ein Skalpell stumpf und zerkratzt werden, wie in Der ergänzenden Abbildung 2 und der ergänzenden Abbildung 3dargestellt). Ersetzen Sie die Klinge, bevor sie stumpf wird, oder wenn sie beschädigt ist. Untersuchen Sie mehrere Schneidinstrumente, wenn Sie eine andere Materialart testen, um das beste zu bestimmen.
- Drehen Sie das Material um, so dass nun die Hauptfaserrichtung in Warp-Richtung liegt.
ANMERKUNG: Da sich die Hauptfaserrichtung auf die Zulage bezieht, die betrachtet wird (die oberste Schicht), ändert das Umdrehen des Materials die Hauptfaserrichtung von Schuss zu Verkettung (siehe Ergänzende Abbildung 1b). - Markieren Sie die Grifflinien auf dem Material, das in Schussrichtung ausgerichtet ist.
HINWEIS: Diese Linien verlaufen von der fertigen Kante bis zur fertigen Kante, parallel zu den Schnittkanten und 115 mm von diesen Schnittkanten. Diese werden in Schritt 4.4.1 näher erläutert, aber die Grifflinien sind Linien, die beim Laden von Proben (die später geschnitten werden) in die Zugprüfgriffe verwendet werden. - Bestimmen Sie mit Schritt 1.3 die Hauptfaserrichtung für die Probe, die aus dem Material geschnitten werden soll.
HINWEIS: Beachten Sie, dass die Faserausrichtung möglicherweise nicht genau senkrecht zur hergestellten Kante ist; folgen Sie in diesem Fall der genauen Faserlinie. Vermeiden Sie den Bereich in der Nähe der hergestellten Kante, da er möglicherweise nicht genau die Eigenschaften von Schüttgütern widerspiegelt. - Richten Sie das Material auf einer geeigneten selbstheilbaren Gitterschneidematte aus, die groß genug ist, um die Breite des Materials (zwischen den Schnittkanten) und eine Länge (Schussrichtung) von mindestens 300 mm zu passen, wie in Schritt 1.16 erwähnt.
- Richten Sie die Faserrichtung vorsichtig an den Gitternetzlinien auf der Schneidmatte aus. Verwenden Sie die Schnittkante des Materials als Führung bei der Auskleidung des Materials; Die Ausrichtung der Faserrichtung der Probe ist jedoch am wichtigsten.
- Kleben Sie das Material auf die Schneidmatte.
HINWEIS: Band sollte niemals irgendwo in der Nähe der Mitte der Probe platziert werden; stattdessen sollte es an den Enden der Proben verwendet werden, die aus dem Material geschnitten werden sollen. Die Enden werden in den Griffen sein, wenn eine Probe getestet wird; Daher werden Schäden am Material durch das Band minimiert. Das Kleben nur der Ecken des Materials, die weit vom Schnitt entfernt sind, stellt sicher, dass sich das Material nicht bewegt und dass beim Schneiden einer Probe die Klinge nicht auch Klebeband schneidet. Low-Tack-Klebeband (z. B. Malerband) funktioniert gut, weil es gut genug haftet, um das Gewebe an Ort und Stelle zu halten, ohne das Material zu beschädigen, wenn es entfernt wird.
- Schneiden Sie die Proben aus dem Material mit der Klinge und einer geraden Kante. Die gebildeten Streifen sind die Proben. Lassen Sie das Material in diesem Prozess nicht bewegen; andernfalls die Faserrichtung neu bestimmen und das Material entsprechend neu ausrichten.
- Platzieren Sie die gerade Kante an der gewünschten Stelle entsprechend der entsprechenden Probenbreite (d. h. 30 mm). Beachten Sie, dass das medizinische Skalpell dünn genug ist, dass kein Offset in der Platzierung der geraden Kante notwendig ist, um die Schneidposition zu berücksichtigen. Richten Sie die gerade Kante am Raster auf der Schneidmatte oder einer anderen vom Benutzer festgelegten Referenzlinie auf der Schneidmatte aus.
- Klemmen Sie die gerade Kante an Ort und Stelle, indem Sie an beiden Enden der geraden Kante klemmen. Überprüfen Sie die Positionierung der geraden Kante nach dem Spannen, da sie sich während des Spannvorgangs bewegt haben kann.
- Schneiden Sie die Probe weg vom Material entlang der geraden Kante, mit dem medizinischen Skalpell. Sorgen Sie für einen einzigen, sauberen, glatten Schnitt mit konstanter Geschwindigkeit und Druck.
HINWEIS: Ein gewisser Druck kann von der Klinge gegen die gerade Kante ausgeübt werden, um die Klinge genau an der Kante der geraden Kante zu halten.
VORSICHT: Es ist darauf zu achten, dass Verletzungen vermieden werden, daher ist es ratsam, schnittfeste Handschuhe beim Umgang mit dem medizinischen Skalpell zu tragen. Da der glatteste Schnitt beim Schneiden zum Körper erhalten werden kann, wird das Tragen einer schnittfesten Schürze oder eines Labormantels empfohlen. - Untersuchen Sie die Schnittkante des Streifens unter dem Mikroskop. Ändern Sie die Klinge, wenn die Schnittkante deutlich mehr hervorstehende Fasern oder andere Defekte im Vergleich zu einem Schnitt mit einer neuen, scharfen Klinge aufweist.
- Entfernen Sie die gerade Kante, wobei darauf zu achten ist, dass sich das Material dabei nicht bewegt. Wenn sich das Material bewegt hat, bestimmen Sie die Faserrichtung neu und richten Sie das Material entsprechend neu aus.
- Wiederholen Sie die Schritte 1.12–1.15, bis die maximale Anzahl von Proben, die aus 300 mm Material geschnitten werden können, erreicht wurde.
HINWEIS: Bei Proben mit einer Breite von 30 mm entspricht 300 mm Material 10 Proben, während dies bei Proben mit einer Breite von 70 mm 4 Proben entspricht. Diese 300 mm Grenze wurde für das hier untersuchte unidirektionale Laminat gut entwickelt, kann aber für andere Laminate variieren. - Wiederholen Sie die Schritte 1.10–1.11 nach Bedarf (d. h. die Hauptfaserrichtung neu bestimmen und das Material neu ausrichten, bevor Sie weitere Proben schneiden).
HINWEIS: Das Protokoll kann hier angehalten werden. Wenn Proben nicht sofort verwendet werden sollen, lagern Sie sie an einem dunklen, umgebungsen Ort.
2. Schneidverfahren für Schussrichtungsproben, die entlang der Achse der Rolle geschnitten werden
HINWEIS: Es gibt keine Kett- und Schussform im traditionellen textilen Sinne, da das hier verwendete Material nicht gewebt ist, aber diese Begriffe sind aus Gründen der Klarheit entlehnt.
- Bestimmen Sie die Breite und Länge des gewünschten Materials entsprechend der Anzahl und Größe der zu schneidenden Proben.
HINWEIS: Für dieses unidirektionale Laminat und für Proben mit einer Spurlänge von ca. 300 mm können zwei Vonasten, die von Ende zu Ende platziert sind, entlang der Breite der Schraube geschnitten werden. So kann ein Satz von 40 Proben in zwei Spalten zu je 20 Proben ausgeschnitten werden, wie in der ergänzenden Abbildung 4dargestellt, bevor das Material von der Rolle abtrennt wird. Wenn die Breite der Proben 30 mm beträgt, sollte das Material mit einem zusätzlichen Platz (d. h. 610 mm) auf das 20-fache der Probenbreite (da es 20 Proben pro Spalte gibt) geschnitten werden.- Bestimmen Sie die Faserrichtung entlang des Schusses für die Breite des Interesses, indem Sie den Anweisungen aus den Schritten 1.4–1.6 folgen.
- Schneiden Sie die freiliegenden Querfasern (d. h. über die Kettfasern) mit einer Klinge, wodurch das Vorläufermaterial von der Schraube getrennt wird.
VORSICHT: Es ist mit allen scharfen Klingen oder Schneidwerkzeugen vorsichtig zu sein, um Verletzungen zu vermeiden. In diesem Schritt können schnittfeste Handschuhe getragen werden, um das Verletzungsrisiko zu verringern.
- Bereiten Sie sich darauf vor, Längen abzuschneiden, die der gewünschten Probenlänge entsprechen (d. h. in Kettrichtung bei der Probenlänge von Interesse geschnitten werden). Um eine Spurweite von 300 mm (entsprechend einer Gesamtprobenlänge von 600 mm) zu erhalten, sollten Sie nach dem unten angegebenen Verfahren und prüfgriffen beachten, dass das Material nun 600 mm x 610 mm betragen sollte.
- Befolgen Sie die Schritte 1.9–1.17, um die gewünschten Exemplare auszuschneiden.
HINWEIS: Das Protokoll kann hier angehalten werden. Sollen die Proben nicht sofort verwendet werden, lagern Sie sie an einem dunklen, umgebungsen Ort auf.
3. Analyse von Schneidverfahren durch Rasterelektronenmikroskopie
- Bereiten Sie die Proben für eine Analyse durch Rasterelektronenmikroskopie (SEM) vor, indem Sie Quadrate von etwa 5 mm Länge und Breite schneiden und dabei mindestens zwei Kanten des Quadrats von der von Interesse aus stehenden Schneidtechnik erhalten. Diese erhaltenen Kanten sollten identifiziert werden und sind die Kanten, die unter dem Mikroskop ausgewertet werden.
- Montieren Sie die Proben auf dem SEM-Probenhalter, indem Sie sie mit einer Pinzette auf geeignetem doppelseitigem Carbonband anbringen.
- Beschichten Sie die Proben mit einer dünnen (5 nm) Schicht leitfähigen Materials, wie Z. B. Goldpalladium (Au/Pd), um Oberflächenladeeffekte unter dem Rasterelektronenmikroskop zu mildern.
- Laden Sie die Proben in ein Rasterelektronenmikroskop und stellen Sie sie mit etwa 2 kV Beschleunigungsspannung und mit einem Elektronenstrom von 50–100 pA ab. Wenden Sie Die Ladungsneutralisierungseinstellungen an, um Bei Bedarf Ladeeffekten entgegenzuwirken.
4. Zugprüfung von UD-Laminatproben
- Messen Sie die Griffe, um die Differenz zwischen dem Anfangspositionswert des Kreuzkopfs und dem Abstand zwischen dem Kontakt der Probe mit den oberen und unteren Griffen unter minimaler Spannung zu bestimmen. Lesen Sie den Kreuzkopfstandort aus der Testsoftware. Berechnen Sie daraus eine effektive Messlänge, indem Sie die effektive Spurweite an dieser Querkopfposition messen. Fügen Sie den Offset (Verschiebungsmenge) zur Kreuzkopfposition hinzu, um die effektive Messlänge (die gemessene effektive Messlänge abzüglich der Kreuzkopfposition) zu bestimmen.
- Nummerieren Sie die nach den Abschnitten 1 und 2 hergestellten Proben mit einem weichgekippten permanenten Marker, so dass die Reihenfolge, in der sie vorbereitet wurden, klar ist. Markieren Sie auch andere Informationen, wie z. B. das Datum der Vorbereitung und Orientierung.
HINWEIS: Die hier verwendeten Proben haben Abmessungen von 30 mm x 400 mm – die Probenabmessungen können jedoch für andere Materialien variieren – und wurden entweder nach Abschnitt 1 oder Abschnitt 2 gewonnen. Sollen die Proben nicht sofort verwendet werden, lagern Sie sie an einem dunklen, umgebungsen Ort auf. - Wenn die Dehnung mit einem Video-Extensometer gemessen wird, markieren Sie die Messpunkte manuell mit einem permanenten Marker, wobei Sie eine Vorlage für Konsistenz verwenden, wie in der ergänzenden Abbildung 5adargestellt, um Punkte für das Video-Extensometer zu geben, um zu verfolgen und damit zu messen. anstrengen. Wenn die Spannung aus der Querkopfverschiebung berechnet wird, überspringen Sie diesen Schritt.
- Laden Sie die Probe in die Mitte der Capstan-Griffe.
- Setzen Sie das Ende der Probe durch den Spalt im Capstan ein und positionieren Sie das Ende der Probe an der in Schritt 1.9 gezogenen Grifflinie, wie in der ergänzenden Abbildung 5bdargestellt. Achten Sie darauf, die Probe auf den Capstan-Griffen zu zentrieren, indem Sie die Mitte der Probe innerhalb von etwa 1 mm von der Mitte der Capstan-Griffe ausrichten.
- Drehen Sie das Capstan in die gewünschte Position, stellen Sie sicher, dass die Probe zentriert bleibt. Verwenden Sie eine Spannvorrichtung ( z. B. einen Magneten, der auf die Probe gelegt wird, wenn die Griffe magnetisch sind –, um die Probe vorsichtig an Ort und Stelle zu halten und das Capstan mit den Verriegelungsstiften zu verriegeln.
- Wiederholen Sie die Schritte 4.4.1 und 4.4.2 für das andere Ende der Probe.
- Tragen Sie eine Vorspannung von 2 N oder eine andere entsprechend kleine Last auf.
- Zeichnen Sie die Kreuzkopfverschiebung/tatsächliche Messlänge auf.
- Programmieren Sie das Gerät, um den Zugversuch mit einer konstanten Verlängerungsrate von 10 mm/min durchzuführen, indem Sie das Videoextensometer oder die Kreuzkopfverschiebung verwenden, um die Dehnung aufzuzeichnen, und drücken Sie den Start, um den Test zu beginnen.
- Überwachen Sie die Anzeige und beenden Sie den Test, wenn die Probe defekt ist, wie ein Verlust von 90 % der beobachteten Last auf dem Display zeigt. Zeichnen Sie die maximale Spannung auf, die der Ausfallspannung aufgrund der Beschaffenheit des Materials und der entsprechenden Ausfallbelastung entspricht. Wiederholen Sie die Schritte 4.3–4.8 für die übrigen Proben.
- Speichern Sie die gebrochenen Proben für die weitere Analyse.
- Prüfen Sie die Belastung bei Ausfall in Abhängigkeit von der Probennummer und der originalen Probenplatzierung im Material sowie andere Hinweise auf problematische Daten, z. B. Datenpunkte, die extrem von der Weibull 18-Verteilung abweichen, und mögliche Ursachen, wie proben, die während der Vorbereitung oder Handhabung beschädigt wurden, zu untersuchen, bevor Sie fortfahren.
5. Vorbereitung von Proben für Alterungsexperimente
-
Beginn eines Alterungsexperiments
- Berechnen Sie die Gesamtmenge des Für die Untersuchung benötigten Materials pro Umweltzustand und auf der Grundlage eines Probenextraktionsplans von jedem Monat für 12 Monate.
HINWEIS: Für diese Studie wurden 40 Proben pro Extraktion und insgesamt 12 Extraktionen zu Planungszwecken verwendet. - Reduzieren Sie die Gesamtmenge des Materials, das für jede Bedingung benötigt wird. Schneiden Sie jeden Streifen breit genug, um die erforderliche Anzahl von Proben plus mindestens 10 mm aufzunehmen.
HINWEIS: Vor der Zugprüfung werden von jeder Seite der Probe zusätzliche 5 mm Material gestutzt. Das zusätzliche Material wird verwendet, da die Kanten der Proben durch die Handhabung während des Alterungsprotokolls beschädigt werden können. - Legen Sie die geschnittenen Alterungsstreifen in Schalen, die in der Umweltkammer platziert werden sollen, wie in der ergänzenden Abbildung 5cdargestellt. Die in dieser Studie verwendeten Schalen könnten jeweils etwa 120 Streifen aufnehmen.
- Wählen Sie die Expositionsbedingungen für die Umweltstudie basierend auf der erwarteten Verwendung und Lagerumgebung des Materials2.
HINWEIS: In dieser Studie wurden nominell 70 °C bei 76 % relativer Luftfeuchtigkeit (RH) verwendet. - Programmieren Sie eine Umweltkammer für trockene Raumtemperaturbedingungen (z.B. ca. 25 °C bei 25% RH). Lassen Sie die Kammer unter diesen Bedingungen stabilisieren und legen Sie dann die Probenschale auf ein Rack in der Kammer, weg von den Wänden und allen Stellen in der Kammer, die Kondensation anzuziehen scheinen.
- Programmieren Sie die Umgebungskammer auf die gewünschte Temperatur, wie in Schritt 5.1.4 bestimmt, so dass die Luftfeuchtigkeit etwa 25% RH.
- Sobald sich die Kammer bei der Zieltemperatur ab Schritt 5.1.4 stabilisiert hat, programmieren Sie die Kammer, um die Luftfeuchtigkeit auf das gewünschte Niveau zu erhöhen, wie in Schritt 5.1.4 bestimmt.
- Überprüfen Sie die Kammern täglich, um sicherzustellen, dass die Wasserversorgung und -filtration ausreichend sind, und beachten Sie, wenn Bedingungen aerther aden toleranzswert eingehalten werden. Das Aufzeichnen von Abweichungen und Unterbrechungen in einem Protokoll auf der Vorderseite jeder Kammer oder in einem Notizbuch in der Nähe ist eine gute Übung.
- Wiederholen Sie die Schritte 5.1.5–5.1.8 für alle anderen Voninteressesproben.
- Berechnen Sie die Gesamtmenge des Für die Untersuchung benötigten Materials pro Umweltzustand und auf der Grundlage eines Probenextraktionsplans von jedem Monat für 12 Monate.
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Extraktion alter Materialstreifen zur Analyse
- Wenn Sie bereit sind, die gealterten Materialstreifen aus einer Umweltkammer für die Analyse zu extrahieren, programmieren Sie zuerst die Kammer, um die relative Luftfeuchtigkeit auf ca. 25% RH zu verringern.
- Nachdem sich die Umweltkammer bei niedriger Luftfeuchtigkeit stabilisiert hat, programmieren Sie die Temperatur auf etwa Raumtemperatur oder 25 °C fallen. Dieser Schritt verhindert Kondensation beim Öffnen der Kammertür.
- Sobald sich die Umweltkammer unter den Bedingungen von Schritt 5.1.5 stabilisiert hat, öffnen Sie die Kammer, entfernen Sie die Schale mit den gealterten Materialstreifen, nehmen Sie die gewünschten Streifen heraus und legen Sie sie in einen gekennzeichneten Behälter.
- Geben Sie das Tablett in die Umweltkammer zurück.
- Nach dem verfahren in den Schritten 5.1.6 und 5.1.7, kehren Sie die Kammer zu den Bedingungen des Interesses, wenn die Alterungsstudie fortgesetzt. Ist dies nicht der Fall, kann es im nominell endenden Umgebungszustand bleiben.
- Zeichnen Sie die Extraktion auf dem Kammerprotokoll auf, wenn eine verwendet wird.
- Schneiden Sie die gealterten Proben aus den gealterten Materialstreifen, nach den Schritten 1.7–1.17.
- Prüfen Sie die Proben wie in Abschnitt 4 beschrieben.
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Representative Results
Viele Iterationen des Schneidens und Testens wurden durchgeführt, um mehrere verschiedene Variablen zu untersuchen. Zu den untersuchten Variablen gehören die Schneidtechnik und das Schneidinstrument, die Prüfrate, die Probenabmessung und die Griffe. Ein kritischer Befund war die Bedeutung der Ausrichtung der Proben auf die Faserrichtung. Im Folgenden werden Datenanalyseverfahren (Konsistenzanalyse, Weibull-Techniken, Ausreißerbestimmung usw.) sowie Überlegungen zum Altern erörtert.
C utting Technik/Instrument
Das Schneideinstrument kann die gemessene Ausfallspannung aufgrund der unterschiedlichen Genauigkeitsstufen beeinflussen, die mit jedem Schneidinstrumenttyp verbunden sind. Die in Abbildung 2, Abbildung 3und Abbildung 4 genannten Proben wurden alle mit einem elektrisch angetriebenen Stoffschneider geschnitten. Im Gegensatz dazu wurden alle anderen Proben nach dem oben in Abschnitt 1 des Protokolls beschriebenen Verfahren geschnitten, und die Ergebnisse für diese Proben sind in Abbildung 8 und Abbildung 10 dargestellt. Die mit dem angetriebenen Stoffschneider geschnittenen Proben hatten eine durchschnittliche Ausfallspannung von 872 MPa (Standardabweichung von 46 MPa, 102 Proben), während ähnlich große Proben, die mit einem medizinischen Skalpell geschnitten wurden, eine durchschnittliche Ausfallspannung von 909 MPa hatten (Standardabweichung von 40 MPa, 40 Proben). Diese Ergebnisse sind nicht überraschend, da eine genauere Untersuchung der Ränder der Proben zeigt, dass die angetriebene Stoffschneidersäge eine viel gezacktere Kante erzeugt als das Skalpell, wie in Abbildung 5zu sehen, wodurch die Breite der Probe effektiv verengt wird.
Der Unterschied in der mechanischen Leistung zwischen den proben, die mit diesen beiden Schneidwerkzeugen geschnitten wurden, führte zu einer strukturierten Untersuchung verschiedener Schneidwerkzeuge. Die Proben wurden mit jedem Werkzeug geschnitten und dann abgebildet. Abbildung 6, Abbildung 7und Ergänzende Abbildung 7 zeigen die resultierenden Kanten bei hoher Vergrößerung und Ergänzende Abbildung 8 bei niedrigerer Vergrößerung, für a) einen elektrisch angetriebenen Stoffschneider, b) ein Keramikmesser, c) a Präzisionskeramikschneider, d) eine Drehklinge, e) ein Gebrauchsmesser und f) ein medizinisches Skalpell.
Es scheint sowohl lokalisierte Schadensbereiche als auch größere Schadensbereiche in diesen Bildern zu geben. Die am meisten lokalisierten Schäden werden beobachtet, wenn Fasern aus den ausgefransten Faserkanten herausragen oder die Kante der Faser von der Klinge gebogen und abgeflacht wird, wie in Abbildung 6a. Die breiteren Schadensbereiche werden als Scheren und mögliche Debonding beobachtet, die in den Querfasern auftreten.
Abbildung 6 und Abbildung 7 zeigen, dass die Verwendung des Skalpells den saubersten Schnitt mit den meisten lokalisierten Schäden bietet, da Abbildung 6f und Abbildung 7f sauberere Schnitte darstellen, als in den anderen Bereichen von Abbildung 6 und Abbildung 7. Die Querfasern zeigen keine Hinweise auf die Faserscherung aufgrund des Schnitts, und der Schaden am Ende der Kreuzfasern ist auf etwa die Hälfte des Faserdurchmessers beschränkt. Das Gebrauchsmesser erzeugt eine etwas größere beschädigte Zone; Die resultierenden Faserquerschnitte sind jedoch sauberer als die, die andere Schneidmethoden als das Skalpell verwenden. Alle anderen Schneidverfahren verursachen lokalisierte Schäden in einem Ausmaß von mehr als einem Faserdurchmesser. Sowohl das Skalpell als auch das Gebrauchsmesser sind scharf genug, um eine Faser entlang ihrer Länge zu spalten und können zu einer leicht zerrissenen Kante führen, wie in Abbildung 5f,gzu sehen ist. Dies steht im Gegensatz zu Supplemental Figure 7d, wo der Präzisionskeramikschneider die Kantenfasern beschädigt, indem er sie abflacht, anstatt sie durchzuschneiden. Das Schneiden durch die Kantenfaser führt nicht zu einer großen beschädigten Zone in der Masse der Probe, die entstehen würde, wenn eine Kantenfaser herausgezogen würde.
Abbildung 5, Abbildung 6aund Zusatzabbildung 7b zeigen typische Schäden durch den elektrisch angetriebenen Stoffschneider. Es erzeugt eine extrem ausgefranste Kante in einer Vielzahl von Längenskalen. Das keramische Gebrauchsmesser schneidet in kleine Abschnitte, was zu einer großflächigen Delamination und Scherung in Fasergruppen führt, wie abbildung 6b und Abbildung 7czu sehen sind. Dies ist weniger verbreitet mit dem Präzisionskeramik-Cutter, obwohl diese Ergebnisse sind nicht ohne ungleichmäßige Schnitte und ausgefranste Fasern, wie in Der ergänzenden Abbildung 8egesehen. Schnitte mit der Drehklinge sind nicht so gerade wie die anderen Schneidverfahren (wie in Supplemental Figure 7e, Supplemental Figure 8f,gund Figure 7a,b) zu sehen sind und können großflächige Faserauszüge haben (Supplemental Abbildung 7e). Die Bilder von Schnitten, die durch das Gebrauchsmesser und medizinisches Skalpell gemacht werden, zeigen wenig Hinweise auf großflächige Scherung, Delamination oder Faserauszug, wie in Abbildung 6e, f, Abbildung 7e, fund Ergänzende Figur 7g,hzu sehen . Vergleiche der Zusatzfigur 8h mit der Zusatzfigur 8iführt das medizinische Skalpell zu einer besseren Kante als das Gebrauchsmesser, wobei weniger ausgefranste Fasern herausragen, obwohl bei beiden Methoden solche Fasern nur beobachtet werden gelegentlich.
Beim Schneiden von Präzisionsproben für eine Untersuchung durch SEM liefert das Skalpell die beste Leistung. Das keramische Gebrauchsmesser zieht an den Fasern am Anfang und Ende der Schnitte, ebenso wie der Präzisionskeramikschneider. Das Metall-Versorgungsmesser führt maximale Faserzüge zu Beginn eines Schnittes ein. Das Schneiden kleinerer Probenstücke mit dem angetriebenen Stoffschneider oder den Drehklingen kann eine Herausforderung sein und ist unpraktisch.
Das medizinische Skalpell ist das präziseste beim Schneiden am nächsten an der geraden Kante. Der Präzisionskeramikschneider hat dagegen einen großen Abstand von der geraden Kante, was zu mehr Fehlern beim Schneiden einer präzisen Probenbreite führt. Der Drehstoffschneider schneidet das Material nicht immer, sondern faltet es an der Spitze der Klinge. Der elektrische Stoffschneider kann nicht gegen eine gerade Kante verwendet werden, so dass es schwierig ist, mit diesem Werkzeug einen perfekt geraden Schnitt zu machen. So neigt das medizinische Skalpell dazu, den geradesten Schnitt zu geben, der der geraden Kante am nächsten ist. Es wird auch empfohlen, dass die Schneidklinge ersetzt wird, wenn sie genickt oder beschädigt wird, oder wenn die Schnittkanten an den Proben nicht mehr glatt erscheinen, wenn sie unter dem Mikroskop mit den mit einer frischen Klinge geschnittenen Kanten verglichen werden.
Bedeutung der Ausrichtung der Proben auf die Faserrichtung
Ein früher Versuchbestand bestand aus 40 Proben, die mit dem elektrischen Stoffschneider geschnitten wurden und eine Breite von 25 mm und eine Spurweite von 150 mm hatten. Diese Proben wurden mit einer Verdrängungsbelastungsrate von 40 mm/min unter Verwendung der nicht optimierten anfangsgriffigen Konstruktion getestet. Die Tests zeigten, dass die Proben 1 bis 20 gut an der Faserrichtung ausgerichtet waren, während die Proben 21 bis 40 versehentlich um weniger als 2° falsch ausgerichtet waren (d.h. die Faserrichtung war nicht parallel zur Hauptlängenrichtung der Probe). Wenn eine Probe falsch ausgerichtet ist, wird während des Tests ein charakteristisches Verhalten beobachtet. Eine Seite der Probe schert nach oben, während die gegenüberliegende Seite nach unten schert, so dass eine Linie, die vor der Prüfung gerade über die Probe gezogen wurde, nicht mehr gerade ist. Dies ist in der ergänzenden Abbildung 6 dargestellt und ist aufgrund der Kantenfasern nicht in beiden Capstans.
Aufgrund der Fehlausrichtung der Proben 21 bis 40 besteht ein deutlicher Unterschied zwischen der maximalen Spannung (bei Ausfall) der Proben 1 bis 20 im Vergleich zu den Proben 21 bis 40, wie abbildung 2zu sehen ist. Abbildung 2a zeigt die maximale Spannung (bei Ausfall) in Abhängigkeit von der Probenzahl für die falsch ausgerichteten Proben. Eine homogene Population mit maximaler Belastung würde gleichmäßig auf das gesamte Gebiet verteilt, wie in Abbildung 2bzu entsteht. In Abbildung 2agibt es jedoch keine Daten im ersten und dritten Quadranten, mit einem Anderen als einem Ausreißer in Quadrant 3, der als Exemplarnummer 13 gekennzeichnet ist. Abbildung 2c ist ein Weibull-Diagramm der beiden Gruppen und enthält die 99%-Vertrauensgrenzen für die zugehörigen Weibull-Verteilungen. Die Verteilungen der ersten 20 Proben, Gruppe 1, und der zweiten 20 Proben, Gruppe 2, sind wiederum unterschiedlich, wobei die Proben 1 bis 20 eine höhere Belastung-versagenals die Proben 21 bis 40 aufweisen. Diese Beobachtung wird in Abbildung 2dweiter präzisiert, wo die Ausreißerprobe, Nummer 13, entfernt wurde. In Abbildung 2düberschneidet sich nur ein Datenpunkt kaum mit den 99 %-Vertrauensgrenzen der anderen Gruppe; Andernfalls gibt es keine Überschneidungen in den Daten.
Eine Fehlausrichtung der Probe mit der Faserrichtung des Materials hat gezeigt, dass sie täuschend schwächere Ergebnisse liefert, da die Fehlausrichtung die Probenbreite effektiv verengt. Dies kann vermieden werden, indem häufig die Faserrichtung beim Schneiden bestimmt wird, darauf geachtet wird, dass sich das Material nicht verschiebt, und dass das Material beim Schneiden der Proben von einem festen Punkt auf der Schneidmatte (im Vergleich zur Probenkante) gemessen wird. Eine Fehlausrichtung kann während der Prüfung durch sein charakteristisches Verzerrungsmuster experimentell beobachtet werden, wie in der ergänzenden Abbildung 6dargestellt. Wenn die Proben alle gleich falsch ausgerichtet sind, wird der Effekt meist in den Weibull-Skalaparametern liegen. Im Gegensatz dazu werden sowohl die Weibull-Form- als auch die Skalierungsparameter beeinflusst, wenn die Proben zufällig falsch ausgerichtet sind.
theorie
Bei der Prüfung in Spannung entlang der Faserrichtung kann angenommen werden, dass sich UD-Laminate ähnlich wie ein Faserschleppf verhalten, der aus parallelen Fasern in einer Matrix besteht. Wenn eine Faser bricht, verteilt sie ihre Last über benachbarte Fasern über eine breite und lange Länge, und ein nützliches Modell könnte um das Konzept einer Kette von kleinen Filamentbündeln herum gebaut werden, wo die überlebenden Filamente die Last gleichmäßig teilen. So unweigerlich, Faserfestigkeitseigenschaften und Streifeneigenschaften sind verwandt, wie von Coleman19–23beschrieben. Eine detaillierte Diskussion der anwendbaren Theorie kann auch in Phoenix und Beyerlein24gefunden werden, und die zeitabhängigen Eigenschaften von Fasern wurden von Phoenix und Newman25, 26angesprochen. Diese Theorie entwickelt eine Weibull-Fehlerverteilung ausgehend von der Annahme, dass das Auftreten natürlicher, inhärenter Fehler entlang einer Faser durch ein Poisson-Weibull-Modell gut beschrieben wird. Daraus fällt natürlich ein Größeneffekt aus. Einfach ausgedrückt: Je größer das Materialvolumen, desto geringer ist die Ausfallspannung. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass bei einem größeren Materialvolumen eine höhere Wahrscheinlichkeit besteht, dass die natürlichen, inhärenten Fehler in den Fasern zusammenklappen, eine Schwachstelle erzeugen und somit die Ausfallspannung senken.
T Esting-Rate
Tabelle 1 zeigt einen Vergleich der Ergebnisse anhand von drei unterschiedlichen Laderaten. Mit steigender Laderate steigt auch die Ausfallspannung. Es scheint keinen Einfluss auf die Ausfallbelastung zu geben, so dass der Modul auch mit einer steigenden Belastungsrate zu zunehmen scheint.
Der Vorteil von Tests mit unterschiedlichen Laderaten besteht darin, dass die Tests verschiedene Aspekte des Verbundwerkstoffs befragen. Langsame Tests sind stärker auf die Matrixeigenschaften angewiesen, insbesondere auf Matrixscherkriechen, während schnelle Tests in erster Linie Faserfehlerspannung25, 26untersuchen. Es ist wichtig, eine Laderate auszuwählen, die das Verhalten von Interesse erfasst.
S pecimen Breite
Tabelle 2 zeigt den Effekt einer Erhöhung der Probenbreite. Durch die Erhöhung der Probenbreite sollten die Kanteneffekte des Schneidens weniger wichtig werden, da sie weniger von der Probenbreite einnehmen. Auch ungenauigkeiten bei der Messung der Breite der Proben werden weniger wichtig. Die erhöhte Konsistenz mit erhöhter Probenbreite wird bei der Abnahme der Standardabweichung der Ausfallspannung beobachtet. Bei einer Breite von 10 mm ist die mittlere Ausfallspannung geringer, und die Standardabweichung ist höher als die von breiteren Proben, was darauf hindeutet, dass schmale Proben unter signifikanten Kanteneffekten leiden können. Die Ausfallbelastung nimmt mit zunehmender Breite ab, vielleicht auch aufgrund der geringeren Auswirkungen von Kanteneffekten.
Je breiter die Probenbreite, desto geringer der Einfluss wird durch Kanteneffekte und damit durch die erhöhte Konsistenz der Proben sein. So liefern breitere Proben bessere Ergebnisse. Es gibt jedoch einen Kompromiss in Bezug auf materialaufwand und die Kosten für Griffe, um breitere und damit stärkere Proben zu testen.
Wie oben beschrieben, sagt die Theorie einen Rückgang der Ausfallspannung mit zunehmender Breite24voraus. Dies wird beim Vergleich der 30 mm großen Proben mit den 70 mm breiten Proben festgestellt. Die starke Abnahme der Ausfallspannung der 10 mm breiten Proben ist wahrscheinlich auf die erhöhte Bedeutung von Kanteneffekten bei so engen Breiten zurückzuführen.
S pecimen Länge
Wie bereits erwähnt, sagt die Theorie einen Rückgang der Ausfallspannung mit zunehmender Länge24voraus. Die in Tabelle 3 dargestellten Ergebnisse zeigen dies, sind aber auch dadurch verwirrt, dass die Laderate bei 10 mm/min konstant ist, anstatt die Dehnungsrate konstant zu halten. Die Reduzierung der Dehnungsrate (wie bei einer festen Laderate von 10 mm/min und einer zunehmenden Spurlänge) führt ebenfalls zu einer Abnahme der Ausfallspannung. Die Standardabweichung für die Ausfallspannung steigt stärker, als sich einfach durch die unterschiedlichen Dehnungsraten erklären lässt. Dieses Phänomen könnte daran liegen, dass längere Proben schwieriger zu schneiden sind und Kantenfasern immer irgendwo entlang der Kantenlänge geschnitten werden, wodurch die Breite der Probe auf zufällige Weise reduziert wird. Proben, die länger als die Länge des Fräserarms sind, sind besonders schwierig, da es nicht mehr möglich wird, sie mit einem einzigen glatten Schnitt mit konstanter Geschwindigkeit zu schneiden. Die Abnahme der Ausfallbelastung bei steigender Länge deutet darauf hin, dass nicht die gesamte Abnahme der Ausfallspannung auf die langsamere Dehnungsrate für längere Proben zurückzuführen ist.
Proben, die mit einer Spurlänge von 100 mm auf Fehler getestet wurden, zeigen typischerweise eine Delamination über die gesamte Spurlänge der Probe. Proben, die mit einer Spurweite von 900 mm auf Fehler getestet wurden, stellen eine Delamination dar, die nur in einem Bereich (typischerweise in der Nähe der Mitte) des Messgeräts auftritt, wodurch ein beträchtlicher Teil der Probe intakt bleibt, wie von einem Kettenmodell zu erwarten war.
Griffe
Die Griffe sollten im Capstan-Stil sein. Rotierende Kappen sorgen für mehr einfache Beladung, und nur vier Verriegelungspositionen für das Capstan sorgen für Konsistenz. Capstan-Griffe, die das Material schließen und klemmen, können auf extrem hochfesten rutschigen Materialien verwendet werden. Die in dieser Studie verwendeten festen Öffnungskappen arbeiten jedoch sowohl für UHMMPE als auch für Aramide.
Eine Studie wurde durchgeführt, um zwei verschiedene Arten von Capstan-Griffen mit einem anderen Material zu vergleichen. Für den ersten Satz wurde das Capstan fixiert, und die Probe wurde nicht an der Wägezelle ausgerichtet, sondern um die Hälfte der Breite des Capstans versetzt. Der zweite Satz bestand aus rotierenden Kappen mit Stiften, um sie während des Tests an Ort und Stelle zu verriegeln. Darüber hinaus wurden diese Capstans versetzt, um die Probe an der Wägezelle auszurichten und so einen Moment auf der Wägezelle während des Ladens zu verhindern. Die Fehlerlastverteilungen waren für diese Griffe sehr ähnlich, wie in Abbildung 8dargestellt. Die rotierenden Griffe können eine geringfügig schwächere Verteilung als die festen Griffe ergeben, wahrscheinlich aufgrund ihres breiteren Radiuskappen und damit einer längeren Lastübertragungslänge. Darüber hinaus können die festen Griffe eine geringfügig größere Varianz als die rotierenden Griffe haben, da eine höhere Wahrscheinlichkeit besteht, die Probe während der Belastung zu beschädigen, wenn die Kappen aufgrund der Schwierigkeiten beim Umwickeln der Probe um die Kappen fixiert werden. Der Unterschied zwischen diesen Griffen ist beim Vergleich von Last- und Erweiterungsdiagrammen offensichtlich. Die Ergebnisse von zehn repräsentativen Proben sind in Abbildung 9 für die festen und rotierenden Griffe dargestellt. Die Kurven für die rotierenden Griffe sind glatt und gleichmäßig, während die festen Griffkurven häufig zeigen, dass die Proben verrutschen. Wenn die Kappen an Ort und Stelle befestigt sind, wird es schwierig, das Material festzuziehen, da mehrere Wraps erforderlich sind, um zu verhindern, dass die Probe vollständig durch die Griffe rutscht.
Datenanalyse
Es gibt eine gewisse Variabilität, die in UD-Laminat-Materialien inhärent ist. Ziel des hier vorgestellten Schneid-/Prüfverfahrens ist es, die zusätzliche Variabilität bei der Probenvorbereitung und -prüfung zu minimieren. Randdatenpunkte könnten entweder der inhärenten Verteilung der UD-Laminate zugeschrieben werden oder ein Schneid-/Testartefakt sein. In den folgenden Absätzen werden einige Techniken zum Trennen der Artefakte von den Verteilungen erläutert.
Ausfallspannung als Funktion der Probenzahl
Eine Darstellung der Ausfallspannung als Funktion der Probenzahl kann allgemeine Trends in einer Gruppe von Proben zeigen. Sofern das Material auf der Makroskala nicht variabel ist, sollte die inhärente Variabilität des Materials auf einem solchen Plot nicht beachtet werden. Abbildung 2b zeigt ein Beispiel für eine Gruppe von selbstkonsistenten Proben im Gegensatz zu Abbildung 2a.
Dieser Mangel an Konsistenz zwischen den Proben kann in anderen Analysen nicht deutlich werden. Zurück zum Beispiel der falsch ausgerichteten Proben ist der Unterschied in der Ausfallspannung aus Abbildung 2klar. Aus der Betrachtung der Daten für die Proben 1 bis 40 ist jedoch nicht ersichtlich. Dies ist in Abbildung 3dargestellt, einem Weibull-Diagramm mit 99% Konfidenzgrenzen für die Proben 1 bis 40. Abbildung 3 gibt keinen offensichtlichen Hinweis darauf, dass der Schnitt inkonsistent war. Darüber hinaus zeigen die Fehlerstämme für dieselben Proben, die in Abbildung 4 als Funktion der Probenzahl dargestellt sind, auch keine Hinweise auf die Fehlausrichtung/mangelnde Konsistenz, während die Ausfallspannungen dies tun, wie in Abbildung 2adargestellt.
Weibull-Vertrieb und Ausreißer
Angesichts der Art dieses UD-Laminatmaterials wird erwartet, dass es eine Weibull-Fehlerspannungsverteilungvon 19–26hat. Es wird erwartet, dass diese Verteilung einen Shape-Parameter hat, der aufgrund der Lastverteilung zwischen den Fasern24–26erheblich höher als der zugehörige Shape-Parameter für eine einzelne Faser ist. Statistische Standardtests können durchgeführt werden, um festzustellen, ob die Ausfallspannung einer Charge von Proben durch eine Weibull-Verteilung gut beschrieben ist.
Mit der Weibull-Verteilung wird eine bestimmte Anzahl von niedrigfesten Proben erwartet. Dies erschwert die Bestimmung von Ausreißern, als wenn die Daten aus einer Normalverteilung stammen. In Abbildung 9cerscheint z. B. die Probe, die ein Datum im unteren linken Quadranten gibt, als Ausreißer. Abbildung 9b zeigt die gleichen Daten, nur ohne den in Abbildung 9agenannten potenziellen Ausreißer. Verdächtige Datenpunkte sollten untersucht werden, insbesondere solche, die außerhalb des 95%-Konfidenzintervalls mit maximaler Wahrscheinlichkeit liegen.
alternd
Tabelle 4 zeigt die Alterungsergebnisse für Proben mit einer Breite von 30 mm, die mit einer Belastungsrate von 10 mm/min getestet wurden. Diese Ergebnisse zeigen keine Auswirkungen des Alterns. PPTA hat sich bisher als resistent gegen Verschlechterungen durch Temperatur und Feuchtigkeit1, 2erwiesen. So ist es nicht besonders verwunderlich, dass Zugversuche bei dieser Dehnungsrate, bei denen die Matrix keine große Rolle spielt, im Laufe der Zeit keine signifikante Verschlechterung aufweisen, während des Zeitraums, der für dieses Alterungsexperiment zulässig ist.
Zusammenfassend kann die Schneidtechnik eine große Rolle in der effektiven Breite der Probe spielen, daher ist es wichtig, eine zu wählen, die konsistente Ergebnisse mit einem Minimum an Probenschäden liefert. Ein medizinisches Skalpell wurde gefunden, um am besten in dieser Studie zu arbeiten. Die Art der Griffe kann zu irreführenden Merkmalen in den Spannungs-Dehnungskurven führen; Daher werden auf der Grundlage dieser Studie rotierende Capstans empfohlen. Die Belastungsgeschwindigkeit, die Probenbreite und die Probenlänge wirken sich alle auf den endgültigen Festigkeitswert aus und müssen sorgfältig gewählt werden. Insbesondere muss die Probenbreite so breit sein, dass eventuelle Schnittschwankungen keinen ungebührlichen Einfluss auf die Ergebnisse haben, und die Probenlänge muss lang genug sein, dass die Probe zwischen den Griffen versagt, aber nicht so lange, dass sie schwer zu schneiden ist. Indem sie alle oben genannten Konstanten halten, können Wissenschaftler die Auswirkungen des Alterns identifizieren.
Abbildung 1: SEM-Bild von UD-Material, mit roten und blauen Linien nach einzelnen Oberflächenfasern, um nicht parallele Fasernhervorzuheben. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 2: Plots der Fehlerspannung für ausgerichtete und falsch ausgerichtete Proben. (a und b) Diagramme der Ausfallspannung jeder Probe in Abhängigkeit von ihrer Probenzahl. Panel a besteht aus 40 Proben, von denen Gruppe 1, Proben 1–20 und rot eingekreist, gut ausgerichtet sind und Gruppe 2, Proben 21–40 und blau eingekreist, mit der Faserrichtung falsch ausgerichtet sind. Panel b besteht aus 40 gut ausgerichteten Proben. (c und d) Plots der Weibull-Verteilungen der beiden Gruppen mit 99% Konfidenzgrenzen, die eine minimale Überlappung der Datenpunkte aus Gruppe 2 mit den Grenzen der Gruppe 1 zeigen. Panel c zeigt einen Ausreißer. Panel d zeigt nicht Das Exemplar 13, das ein Ausreißer ist, da es weit von der Maximalen Wahrscheinlichkeitsschätzung für die Verteilung entfernt ist. Die Proben waren ca. 25 mm breit, wurden nominell 40 mm/min getestet und mit einem elektrischen Stoffschneider geschnitten. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 3: Ein Weibull-Diagramm der Gruppen 1 und 2 (wie in Abbildung 2 beschrieben) zusammen, das 99 % Konfidenzgrenzen aufzeigt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 4: Darstellung des Ausfallstamms jeder Probe in Abhängigkeit von ihrer Probenzahl für denselben Satz von Proben, wie in Abbildung 2 und Abbildung 3 dargestellt. Die Proben waren ca. 25 mm breit, wurden mit einer Zugwegbelastungsrate von ca. 40 mm/min getestet und mit einem elektrischen Stoffschneider geschnitten. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 5: Eine gezackte Kante, typisch für einen Schnitt, der mit dem elektrisch angetriebenen Stoffschneider hergestellt wird. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 6: SEM-Bilder der Ränder der Kreuzfasern mit Eindrungen von Stereomikroskopbildern. Der Schnitt wurde mit (a) einem elektrisch angetriebenen Stoffschneider, (b) einem Keramikmesser, (c) einem Präzisionskeramikschneider, (d) einer Drehklinge, (e) einem Gebrauchsmesser und (f) einem medizinischen Skalpell hergestellt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 7: Übersicht über den Schnitt, der von SEM-Bildern der Ecken erzeugt wird. SEM-Bilder der Ecken, die einen Überblick über den Schnitt geben, der von (a) einem elektrisch angetriebenen Stoffschneider, (b) einem Keramikmesser, (c) einem Präzisionskeramikschneider, (d) einer Drehklinge, (e) einem Gebrauchsmesser und ( f) einem Gebrauchsmesser hergestellt wird. ) ein medizinisches Skalpell. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 8: Weibull-Diagramm, das die Fehlerlast für zwei verschiedene Sätze von Capstan-Griffen vergleicht. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 9: Last-gegen-Erweiterungs-Plots von 10 repräsentativen Proben. Tests mit (a) festen und (b) rotierenden Capstangriffen Durchgeführt Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 10: Fehlerspannungsverteilungen. Fehlerspannungsverteilungen, die mit Weibull-Skalierung dargestellt werden, für Proben mit einer Spurlänge von 300 mm, einer Breite von 30 mm, die bei 10 mm/min belastet und entlang der "Warp"-Richtung geschnitten werden, (a) einschließlich eines Ausreißers und (b) ohne Ausreißer. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
| Laderate (mm/min) | Ausfallspannung (MPa) | Ausfallbelastung (%) | Young es Modulus (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) |
Tabelle 1: Mittelwerte mit Standardabweichungen in Klammern, die die Auswirkungen einer Unterschiedlichen der Laderate auf Proben mit einer Spurlänge von 300 mm, 30 mm Breite und Schnitt entlang der "Warp"-Richtung zeigen, wobei jede Charge mindestens 35 Proben beträgt.
| Breite (mm) | Ausfallspannung (MPa) | Ausfallbelastung (%) | Young es Modulus (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) |
Tabelle 2: Mittelwerte mit Standardabweichungen in Klammern, die die Auswirkungen unterschiedlicher Breite auf Proben mit einer Spurweite von 300 mm, einer Belastbarkeit von 10 mm/min zeigen und in der "Warp"-Richtung geschnitten werden, wobei jede Charge mindestens 35 Exemplare beträgt.
| Länge (mm) | Ausfallspannung (MPa) | Ausfallbelastung (%) | Young es Modulus (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) |
Tabelle 3: Mittelwerte mit Standardabweichungen in Klammern, die die Auswirkungen der Unterschiedlichen der Länge auf Proben mit einer Breite von 30 mm, einer Belastungsrate von 10 mm/min zeigen und entlang der "Warp"-Richtung schneiden, wobei jede Charge mindestens 35 Exemplarebeträgt.
| Alterungszeit (Tage) | Ausfallspannung (MPa) | Ausfallbelastung (%) | Young es Modulus (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) |
Tabelle 4: Mittelwerte mit Standardabweichungen in Klammern, die die Auswirkungen der Alterung bei 70 °C mit 76 % RH auf Proben mit einer Spurweite von 300 mm, einer Breite von 30 mm, einer Belastungsrate von 10 mm/min anzeigen und in der Warp-Richtung schneiden , wobei jede Charge mindestens 35 Exemplare beträgt.
Ergänzende Abbildung 1: Schematische von UD-Laminaten. (a) Faserausrichtung (Zylinder) in zwei unidirektionalen (UD) Schichten, eine mit einer 0°-Ausrichtung und die andere mit einer 90°-Ausrichtung. (b) Schematisch zum Schneiden eines Stücks UD-Material aus seiner Schraube. Die Breite der Schraube wird entlang der roten gepunkteten Linie gemessen. Für das abgeschnittene Materialstück wird die Länge entlang der roten gepunkteten Linie gemessen, und die Breite wird senkrecht zur Länge gemessen. Die "Warp"-Richtung wird durch den blauen Pfeil und die "Schuss"-Richtung durch den roten Pfeil angezeigt. Die Hauptfaserrichtung ist definiert als die Richtung der obersten Schicht (d. h. entlang der roten Pfeil-/Schussrichtung). Da sich die Hauptfaserrichtung auf die betrachtete Schicht bezieht (die oberste Schicht), ändert das Umdrehen des Materials die Hauptfaserrichtung von Schuss zu Kett. Beachten Sie, dass es keine Kett- und Schussform im traditionellen textilen Sinne gibt, da das hier verwendete Material nicht gewebt ist. (c) Schematisch mit einer kleinen Stofflasche, geschnitten zur Vorbereitung auf die Trennung. (d) UD-Laminat nach dem Trennen der obersten Schicht vom unidirektionalen Material. Die grün gestrichelte Linie zeigt an, wo das Vorläufermaterial von der Rolle getrennt werden soll. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzende Abbildung 2: SEM-Vergleich. Der SEM-Vergleich wurde zwischen (a) einer Seitenansicht einer neuen, scharfen Skalpellklinge mit einer unkantigen Kante, (b) einer Randansicht eines neuen Skalpellblatts durchgeführt, die zeigt, wie die Klinge zu einem feinen Punkt kommt, (c) eine Seitenansicht einer gebrauchten Skalpellklinge mit einem Defekt in der Kante und Kratzer entlang der Kante, und (d) eine Rand-auf-Ansicht eines gebrauchten Skalpellblattes zeigt, dass die Klinge nicht mehr so fein eine Kante hat und ist jetzt stumpf. Pfeile markieren die Kante der Klinge. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzende Abbildung 3: Eine verwendete Skalpellklinge, wobei der Pfeil auf Kratzer entlang der Länge der Klinge zeigt. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzende Abbildung 4: Schneiden Layout. Die Proben werden entlang der Schussrichtung geschnitten, wobei der rote Pfeil sowohl die Hauptfaserrichtung als auch die Schussrichtung anzeigt, während der blaue Pfeil die Kettrichtung anzeigt. Die Begriffe Schuss und Kett werden verwendet, um Standard-Textilrichtungen zu referenzieren, obwohl sie nicht streng anwendbar sind, da das UD-Material nicht gewebt ist. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzende Abbildung 5: Fotografien des Exemplars in verschiedenen Stadien der Vorbereitung. (a) Markieren von Video-Extensometer-Punkten mithilfe einer Vorlage. (b) Beladung der Probe, speziell Positionierung des Endes der Probe an der Grifflinie. Achten Sie darauf, die Probe auf den Capstan-Griffen zu zentrieren, indem Sie die Mitte der Probe innerhalb von etwa 1 mm von der Mitte der Capstan-Griffe ausrichten. (c) Exemplare in der Umweltkammer. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzende Abbildung 6: Schematisches Charakteristisches Verhalten beim Beladen einer falsch ausgerichteten Probe. Eine horizontale Linie wird darüber gezeichnet. (a) Schemader der entladenen Probe. In (b) wird die Probe geladen. (c) Tatsächliche falsch ausgerichtete Probe. Die roten Pfeile zeigen die Richtung der angewendeten Spannung an. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzende Abbildung 7: SEM-Bilder, die sich auf typische Schnittschäden am Materialschnitt konzentrieren. Die Schnitte wurden mit (a) einem stumpfen Gebrauchsmesser gemacht; (b) ein elektrisch angetriebener Stoffschneider, der große Schadensmengen parallel zu den geschnittenen Fasern anzeigt; (c) ein Keramikmesser, das zeigt, wie das Messer in Abschnitte schneidet, sowie den großen Scherbereich, der sich gut in das Material erstreckt; (d) ein Präzisionskeramikschneider, der zeigt, wie die Keramikklinge die Fasern nicht selbst durchschneidet; (e) eine Drehklinge, die Faserauszug sowie eine wellige Schneidkante zeigt; (f) ein Gebrauchsmesser, das zeigt, wie ein Gebrauchsmesser durch die Fasern schneidet und eine haarige Kante haben kann; (g) ein medizinisches Skalpell, das zeigt, wie das Skalpell sauber durch Fasern schneiden kann; (h) ein medizinisches Skalpell, das zeigt, dass der Schaden durch den Schnitt lokalisiert ist, ohne größere Schere, Delamination oder Faserabzug. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzende Abbildung 8: Stereomikroskop-Bilder von typischen Kantendefekten. Der Schnitt wurde mit (a) einem elektrisch angetriebenen Stoffschneider gemacht, der großflächige ausgefranste Kanten zeigt; (b) ein elektrisch angetriebener Stoffschneider mit kleinräumigen ausgefransten Kanten; (c) ein Keramikmesser, das ungleichmäßiges Schneiden zeigt; (d) ein Keramikmesser, das häufig ausgefranste Fasern zeigt; (e) ein Präzisionskeramikschneider, der ungleichmäßige Schneid- und Ausfransfasern zeigt; (f) eine Drehklinge, die einen Reiniger und doch weniger gerade Kante zeigt; (g) eine Drehklinge, die einen ziemlich häufigen Defekt aufweist; (h) ein Gebrauchsmesser, (i) ein medizinisches Skalpell. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
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Discussion
Die richtige Bestimmung der Faserrichtung ist entscheidend. Der Vorteil der in den Schritten 1.4–1.6 des Protokolls beschriebenen Methode besteht darin, dass die vollständige Kontrolle darüber besteht, wie viele Fasern zum Starten des Trennprozesses verwendet werden. Dies bedeutet jedoch nicht, dass es eine vollständige Kontrolle über die Breite des endgültigen getrennten Bereichs gibt, da die Fasern nicht vollständig parallel sind und sich übereinander kreuzen können. Beim Trennen einer Charge von Fasern, häufig, Fasern benachbarte diejenigen, die getrennt werden, werden auch getrennt werden, aufgrund dieser Crossover. Um also eine echte Messwerte in der Faserrichtung zu erhalten, müssen auch lose benachbarte Fasern entfernt werden, bis es eine saubere Kante ohne hervorstehende Fasern gibt.
Die Konsistenz zwischen den Proben ist ebenfalls entscheidend. In Schritt 1.9 des Protokolls werden die Grifflinien vor dem Schneiden der Proben so gezogen, dass die Proben eine gemeinsame Länge zwischen den Grifflinien haben, wodurch eine gleichmäßige Spurweite über die Proben hinweg gewährleistet wird. Der ideale Abstand vom Rand der Probe zur Grifflinie ist eine Funktion sowohl des Reibungskoeffizienten des Materials selbst als auch des der Griffe sowie der physikalischen Abmessungen der Griffe. Dieser Abstand ist eine Menge, die am besten experimentell bestimmt wird, indem verschiedene Entfernungen getestet werden, um eine ausreichend kurze Strecke zu bestimmen, ohne dass während eines Zugtests ein Verrutschen auftritt. In Schritt 1.12.1 des Protokolls ist es wichtig, die Schneidmatte als Referenzfürführungslinie für die Probenbreite zu verwenden, um sicherzustellen, dass die Proben im Durchschnitt die gewünschte Breite aufweisen. Die Messung vom Rand des Materials kann zu Fehlern führen und garantiert nicht, dass diese Fehler so sind, dass die durchschnittliche Probenbreite die gewünschte Breite beträgt. Weitere Informationen zu diesem Punkt finden Sie unter Beziehen Sie sich auf die repräsentativen Ergebnisse.
Mögliche Änderungen des Verfahrens umfassen die Anpassung der Probenbreite, der effektiven Spurlänge, der Dehnungsrate, der Griffe, der Frequenz des Wechsels der Klinge, des Abstands vom Ende der Probe zur Grifflinie, der Häufigkeit der Neuausrichtung des Materials. faserrichtung beim Schneiden und den Vorlastwert beim Testen. Die Auswirkungen der Änderung der Probenbreite, der effektiven Spurlänge, der Dehnungsrate und der Griffe werden in den repräsentativen Ergebnissen erläutert. Wie oft das Material neu ausgerichtet werden soll, hängt von der Konsistenz der Faserrichtung im Material und von der Fähigkeit des Fräsers ab, das Material während des Schneidprozesses nicht zu bewegen und wird auch am besten experimentell bestimmt. Der Schnittabstand, nach dem eine Klinge stumpf wird, variiert je nach Material und Klingentyp. Dies sollte für jede unterschiedliche Kombination von Material und Klinge bestimmt werden, indem die Kante der Probe sowie die Kante der Klinge unter dem Mikroskop untersucht werden. Der Abstand vom Ende der Probe zur Grifflinie hängt davon ab, wie rutschig das Material ist. Ein rutschiges Material mit einem niedrigen Reibungskoeffizienten, wie UHMWPE, erfordert einen längeren Abstand zur Grifflinie. Dies wird experimentell durch Änderung dieses Abstands bestimmt, bis die Probe während der Prüfung nicht mehr in die Griffe rutscht. Der Vorlastwert beim Testen sollte so groß sein, dass er die Pufferzeit aufnimmt, aber nicht zu groß ist. In dieser Studie war die 2 N verwendet, am unteren Ende, nur kaum die Abslack zu entfernen.
Derzeit gibt es keine Standardprüfverfahren zur Messung der mechanischen Eigenschaften solcher dünnen (<0,25 mm), flexiblen UD-Laminate, und die verfügbare Literatur für die mechanische Prüfung dieser Materialien konzentriert sich auf UD-Laminate, die in einen festen Verbundblock11–14gepresst, der nicht immer repräsentativ für ihre Endverwendungsbedingung ist. Die in diesem Papier vorgestellte Methodik ermöglicht die Zugprüfung flexibler UD-Laminate, ohne dass zusätzliche Variabilitätsquellen hinzugefügt und ihre Materialeigenschaften durch Warmpressen vor der Prüfung geändert werden müssen.
Zukünftige Anwendungen dieser Methode sind für eine Langzeitalterungsstudie sowohl an Aramid- als auch an UHMWPE-basierten Laminaten. Diese Methode wird auch als ASTM-Standard zur Prüfung von WEichlaminatmaterialien von UD vorgeschlagen, der einen Mechanismus zur Überwachung der Ausfallspannung dieser Materialien sowohl nach der Herstellung als auch möglicherweise während der Verwendung in Körperpanzeranwendungen vorsieht.
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Disclosures
Die vollständige Beschreibung der in diesem Papier verwendeten Verfahren erfordert die Identifizierung bestimmter kommerzieller Erzeugnisse und ihrer Lieferanten. Die Aufnahme solcher Informationen sollte in keiner Weise so ausgelegt werden, dass diese Produkte oder Lieferanten von NIST unterstützt oder von NIST empfohlen werden oder dass sie notwendigerweise die besten Materialien, Instrumente, Software oder Lieferanten für die Zwecke sind. Beschrieben.
Acknowledgments
Die Autoren möchten Stuart Leigh Phoenix für seine hilfreichen Diskussionen, Mike Riley für seine Unterstützung beim mechanischen Testaufbau und Honeywell für die Bereitstellung einiger Materialien würdigen. Die Finanzierung von Amy Engelbrecht-Wiggans wurde im Rahmen des Zuschusses 70NANB17H337 bereitgestellt. Die Finanzierung von Ajay Krishnamurthy wurde im Rahmen des Zuschusses 70NANB15H272 bereitgestellt. Die Finanzierung von Amanda L. Forster wurde vom Verteidigungsministerium durch die interinstitutionelle Vereinbarung R17-643-0013 bereitgestellt.
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
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