Summary
本研究の目的は、高強度アラミドまたは超高モル質量ポリエチレンベースの柔軟な単方向複合ラミネート材料の正確な機械的試験のための一貫した標本を準備するためのプロトコルを開発し、記述することであったこれらの材料の人工老化を行うためのプロトコル。
Abstract
多くのボディアーマーデザインには、単方向(UD)ラミネートが組み込まれています。UDラミネートは、各層の糸が互いに平行に配向し、バインダー樹脂と薄いポリマーフィルムを使用して所定の位置に保持されている高性能糸の薄い(<0.05 mm)層で構成されています。鎧は、異なる方向に単方向層を積み重ねることによって構築されます。現在までに、単方向ラミネートで使用されるバインダー樹脂の老化と性能への影響を特徴付ける非常に予備的な作業のみが行われてきました。例えば、国立司法標準-0101.06で使用されるコンディショニングプロトコルの開発中に、UDラミネートは、発射物の半分の速度であるV50の減少と減少の視覚的徴候を示した老化後、鎧を穿穿くと予想されます。これらの材料から構築された鎧の長期的な性能を理解するためには、UDラミネートの材料特性の変化をより深く理解する必要があります。機械的に単方向(UD)積層材料を尋問するために推奨される現在の基準はありません。本研究では、これらの材料の機械的特性を正確にテストするための方法とベストプラクティスを探求し、これらの材料の新しい試験方法論を提案する。これらの材料を老化するためのベストプラクティスも記載されています。
Introduction
国立標準技術研究所(NIST)は、法執行機関や刑事司法機関が、購入した機器と使用する技術が、研究プログラムを通じて安全で信頼性が高く、非常に効果的であることを保証するのに役立ちます。ボディアーマーに使用される高強度繊維の長期的な安定性に対処します。前作1、2は、材料ポリ(p-フェニレン-2,6-ベンゾビソキサゾール)またはPBOから作られたボディアーマーのフィールド故障に焦点を当てており、これは国立司法研究所(NIJ)のボディアーマー規格に大きな改訂をもたらした。3.この改訂基準のリリース以来、NISTでは、超高モル質量ポリエチレン(UHMMPE)4およびポリ(p-フェニレンテレフタルアミド)、またはPPTAなどの他の一般的に使用される繊維の老化のメカニズムを調べる作業が続いています。一般的にアラミドとして知られています。しかし、この作業のすべては、織物に最も関連する糸と単繊維の老化に焦点を当てています。しかし、多くのボディアーマーデザインにはUDラミネートが組み込まれています。UDラミネートは、各層の繊維が互いに平行である薄い繊維層(<0.05 mm)で構成され、装甲は、交互の向きで薄いシートを積み重ねることによって構築され、補足図 1aに示すように。この設計は、補足図1bに見られるように、各層の繊維を一般的に平行に保持し、積み重ねられた生地の名目上0°/90°の向きを維持するためにバインダー樹脂に大きく依存しています。織物と同様に、UDラミネートは通常、アラミドまたはUHMMPEの2つの主要な繊維バリエーションから構成されています。UDラミネートは、ボディアーマーデザイナーにいくつかの利点を提供します:彼らは織物を使用するものに比べて低い重量の装甲システムを可能にします(織り中の強度損失による)、織物の構造の必要性を排除し、より小さな直径の繊維を利用します織物と同様の性能を提供するが、より低い重量で。PPTAは、以前に温度および湿度1、2によって引き起こされる劣化に対して耐性があることが示されているが、バインダーはUDラミネートの性能において重要な役割を果たしうる。したがって、PPTAベースの装甲に対する使用環境の全体的な影響は不明8.
現在までに、これらのUDラミネートに使用されるバインダー樹脂の老化と、UDラミネートの弾道性能に対するバインダー老化の影響を特徴付ける非常に予備的な作業のみが行われている。例えば、NIJ Standard-0101.06で使用されるコンディショニングプロトコルの開発中に、UDラミネートは1、2、8の老化後のV50におけるデラミネーションおよび減少の視覚的徴候を示した。 これらの結果は、材料の長期的な構造性能を評価するために、加齢に伴う材料特性を徹底的に理解する必要性を示しています。これは、順番に、これらの材料の故障特性を調知るための標準化された方法の開発を必要とする。この研究の主な目的は、UDラミネート材料の機械的特性を正確にテストするための方法とベストプラクティスを探求し、これらの材料の新しい試験方法論を提案することです。UDラミネート材料のエージングに関するベストプラクティスもこの研究で説明されています。
文献には、複数の層をハードサンプル9、10、11にホットプレスした後のUDラミネートの機械的特性をテストするいくつかの例が含まれています。堅い合成積層体のために、ASTM D303912は使用することができる;しかし、この研究では、材料は約0.1ミリメートルの厚さと剛性ではありません。一部のUDラミネート材料は、ヘルメットや弾道抵抗力のあるプレートなどの硬質弾道保護物品を作るための前駆体として使用されています。しかし、薄く、柔軟なUDラミネートは、ボディアーマー9、13を作るためにも使用することができます。
本研究の目的は、柔らかいボディアーマーで材料の性能を探索する方法を開発することにあるので、ホットプレスを含む方法は、柔らかいボディアーマーでの材料の使用方法を代表していないため、探索されませんでした。ASTMインターナショナルは、繊維織物の強度と伸びを破壊するためのASTM D5034-0914標準試験方法(グラブテスト)、ASTM D5035-1115標準試験など、ファブリックのテストストリップに関するいくつかの試験方法基準を有しています。繊維織物の破断力と伸びの方法(ストリップ法)、繊維ウェビング、テープおよび編組材の強度と伸びを破壊するためのASTM D6775-1316標準試験方法、およびASTM D395017標準仕様ストラップ、非金属(および接合方法)。これらの規格は、以下に述べたように、使用される試験グリップと試料サイズの点でいくつかの重要な違いがあります。
ASTM D5034-0914およびASTM D5035-1115に記載されている方法は非常によく似ており、高強度複合材料ではなく標準ファブリックのテストに焦点を当てています。これらの2つの標準のテストでは、グリップの顎の顔は滑らかで平坦ですが、スティックスリップベースの故障の役割を最小限に抑えるために100 N/cmを超える故障応力を持つ標本に対して修正が可能です。滑りを防ぐための推奨される変更は、顎をパッドし、顎の下に生地を塗り、顎の顔を修正することです。この研究の場合、試料故障応力は約1,000N/cmであるため、このグリップスタイルは過剰なサンプルスリッページをもたらします。ASTM D6775-1316およびASTM D395017ははるかに強い材料のために意図され、両方ともキャプスタングリップに依存している。したがって、本研究は、キャプスタングリップの使用に焦点を当てた。
また、試料サイズはこれら4つのASTM規格の中で大きく異なる。ウェビングおよびストラップ規格、ASTM D6775-1316およびASTM D395017は、材料の全幅をテストするように指定します。ASTM D677516は、90 mm の最大幅を指定します。対照的に、生地規格14、15は、試料が幅を広く切断され、25mmまたは50mm幅のいずれかを指定することを期待する。標本の全長は40 cmと305 cmの間で変わり、ゲージの長はこれらのASTMの標準間で75のmmから250のmmの間で変わる。ASTM規格は標本の大きさによって大きく異なるため、3つの異なる幅と3つの異なる長さが検討されました。
プロトコルにおける試料調製物を指す用語は以下の通りです:ボルト>前駆体材料>材料>標本は、ボルトという用語はUDラミネートのロールを指し、前駆体材料は、まだ取り付けられたUD生地の巻き戻し量を指します。ボルトに、材料はUDラミネートの分離片を指し、標本はテストされる個々の部分を指します。
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Protocol
1. ロール軸に対して垂直に切断される反り方向標本の切断手順
- テストする単方向材料のボルトを識別します。
注:ここで使用される材料が織られていないため、伝統的な織物の意味でワープ(ロールの軸に垂直な方向を記述するために使用される)と横糸(ロールの軸に平行な方向を記述するために使用されます)はありませんが、これらの用語は借用されています。r の明快さ。 - 手動でボルトを展開して前駆体材料を露出させる(つまり、特定された材料はボルトから巻き取られていないが、ボルトに接続されている)。
注:このボルトの幅は、材料の全長になります(補足図1bを参照)ので、300ミリメートルゲージの長さ(600ミリメートルの総試料の長さに対応)のために、以下に指定された手順とテストグリップを使用して、ボルトから切断された材料は600ミリメートル幅でなければなりません。この材料の長さは、材料が転がされるボルトの幅(この場合は約1,600ミリメートル)になります。これは補足図 1bに示されています。 - 補足図 1bに示すように、主ファイバの方向がボルトの幅と平行であることを視覚的に確認します。材料の最上層の繊維方向(すなわち、検体を見下ろすときに視聴者が見るもの)は、主繊維方向と呼び出される。
- 補足図 1cに示すように、前駆体材料の小さなタブをメスで約 3 mm 幅でカットし、タブの長さが前駆体材料の主繊維方向と公称的に平行に整列します。
- 手動でタブをつかみ、タブを引き離し、下の層の繊維を露出させ、タブに垂直に走ります。補足図1d)。
注: このステップでは、補足図 1dに示すように、クロス ファイバのみが表示される領域が生成されます。 - タブの端から残っている露出したクロスファイバに隣接する緩いファイバを取り除きます。
注:現在のUDラミネートシステムでは、繊維が完全に平行ではなく(図1に示すように)、隣接する繊維を横切る可能性があることが観察されました。したがって、分離されたものに隣接する繊維は、この過程でしばしば分離される。緩む隣接する繊維は、分離に使用されるタブの期待されるパスから 1 ~ 2 mm 離れている場合があります。 - 医療用メスを用いて、露出したクロスファイバーに沿って切断し、このように前駆体材料の断片をボルトから分離する。
- ブレードを鈍くする距離カットを決定し、よりクリーンなカットを引き起こします(つまり、この材料を切断した400cm後に、メスが鈍くなり、傷がつく可能性があります)。 ブレードが鈍くなる前、または破損した場合は交換してください。異なるタイプの材料をテストする際に、複数の切断器具を調べて、最適なものを決定します。
注意:怪我を避けるために、すべての鋭い刃や切削工具で注意が必要です。傷害の危険を減らすために、このステップで切り取られた抵抗力がある手袋を着用することができる。
- ブレードを鈍くする距離カットを決定し、よりクリーンなカットを引き起こします(つまり、この材料を切断した400cm後に、メスが鈍くなり、傷がつく可能性があります)。 ブレードが鈍くなる前、または破損した場合は交換してください。異なるタイプの材料をテストする際に、複数の切断器具を調べて、最適なものを決定します。
- 材料を裏返しにして、主なファイバ方向がワープ方向になります。
注: 主ファイバの方向は表示されている層(最上層)を指すので、マテリアルを上向きにすると、主繊維の方向が横糸からワープに変わります(補足図1bを参照)。 - 手形方向に位置合わせされたマテリアルのグリップラインをマークします。
注:これらのラインは、製造されたエッジから製造されたエッジに、カットエッジに平行で、これらのカットエッジから115 mmに実行されます。これらはステップ4.4.1でさらに説明しますが、グリップラインは試料を引張試験グリップに積み込む際に使用されるラインです。 - ステップ 1.3 を使用して、材料から切断する試料の主な繊維方向を決定します。
注: 繊維の向きは、製造されたエッジに対して正確に垂直ではない場合があることに注意してください。その場合は、正確なファイバ ラインに従ってください。バルク材料特性を正確に反映しない可能性があるため、製造エッジ付近の領域は避けてください。 - ステップ1.16で参照されているように、材料の幅(カットエッジ間)と少なくとも300 mmの長さ(幅方向)に収まるほど大きい適切な自己修復グリッド切断マットに材料を向けます。
- 繊維の方向を切断マットのグリッド線に慎重に合わせます。マテリアルを整列する場合のガイドとして、マテリアルのカット エッジを使用します。しかし、試料の繊維方向を整列させることが最も重要である。
- 材料を切断マットにテープで留める。
注:テープは、試料の中心の近くに配置しないでください。代わりに、材料から切断される標本の端になるもので使用する必要があります。標本がテストされるとき端部はグリップにある;したがって、テープによって材料に起因する損傷は最小限に抑えます。カットから遠い材料のコーナーのみをテーピングすると、材料が動かないようにし、試料を切断する際にブレードもテープを切断しません。低タック粘着テープ(例えば、画家のテープ)は、取り外されたときに材料を傷つけずに生地を所定の位置に保つのに十分に付着するので、うまく機能します。
- ブレードとストレートエッジを使用して材料から標本をカットします。形成されたストリップは標本である。このプロセスで材料を移動させないようにします。それ以外の場合は、ファイバ方向を新たに決定し、それに応じて材料の向きを直します。
- 適切な試料幅(すなわち、30mm)に対応する所望の位置に直線エッジを配置します。医学のメスは切断場所を説明するためにまっすぐな端の配置のオフセットが必要とならないほど薄いことに注意してください。切断マットまたは切断マット上の他のユーザーが確立した参照線のグリッドに直線エッジを合わせます。
- 直線エッジの両端をクランプして、直線エッジを固定します。クランププロセス中に移動した可能性があるため、クランプ後の直線エッジの位置を確認します。
- 医療用メスを使用して、直線エッジに沿って材料から標本を切り取ります。一定の速度と圧力で、単一のクリーンで滑らかなカットを確保します。
注:ブレードが直線エッジに対して一部の圧力を加えて、ブレードを直線エッジのエッジで正確に切断することができます。
注意:怪我を避けるために注意が必要ですので、医療用メスを取り扱う際には、切り傷に強い手袋を着用することをお勧めします。さらに、体に向かって切断しながら最も滑らかなカットが得られるので、カット耐性エプロンやラボコートを着用することをお勧めします。 - 顕微鏡下でストリップのカットエッジを調べます。新しい鋭利な刃で作られたカットと比較して、カットエッジが著しく突出した繊維や他の欠陥がある場合は、ブレードを変更します。
- 直線エッジのクランプを解除し、材料がプロセス内で動かないように注意してください。材料が移動した場合は、繊維の方向を再決定し、材料の方向を適切に再配置します。
- 300mmの材料から切断できる試料の最大数が得られるまで、手順1.12~1.15を繰り返します。
注:30mmの幅の標本の場合、300mmの材料は10の標本に相当し、幅70mmの標本の場合、これは4つの標本に相当する。この300mmの限界は、ここで研究された単方向ラミネートのためにうまく動作するように決定されていますが、他のラミネートのために異なる場合があります。 - 必要に応じて手順 1.10 ~1.11 を繰り返します(つまり、主繊維の方向を再決定し、より多くの標本を切断し続ける前に材料の向きを直します)。
注: プロトコルはここで一時停止できます。標本を直ちに使用しない場合は、暗い周囲の場所に保管してください。
2. ロールの軸に沿って切断される横方向標本の切断手順
注:ここで使用される材料は織られていないので、伝統的な織物の意味でワープやふわみはありませんが、これらの用語は明確にするために借用されています。
- 切断する標本の数とサイズに応じて、必要な材料の幅と長さを決定します。
注:この単方向積層体と約300ミリメートルのゲージ長の標本のために、端から端まで置かれた2つの標本はボルトの幅に沿って切断することができる。したがって、40個の標本のセットは、ロールから材料を切断する前に、補足図4に示すように、それぞれ20個の標本の2つの列に切り取ってもよい。標本の幅が30mmの場合、材料は、いくつかの余分なスペース(すなわち、610ミリメートル)で(カラムあたり20の標本があるので)標本の幅の20倍で切断する必要があります。- ステップ 1.4 ~ 1.6 の指示に従って、目的の幅の横向きのファイバ方向を決定します。
- 露出したクロスファイバ(すなわち、ワープ繊維を横切る)をブレードを使用して切断し、前駆体材料をボルトから分離します。
注意:怪我を避けるために、すべての鋭い刃や切削工具で注意する必要があります。傷害の危険を減らすために、このステップで切り取られた抵抗力がある手袋を着用することができる。
- 所望の標本の長さに一致する長さを切り取る準備をする(すなわち、目的の標本の長さでワープ方向に切断する)。300 mm ゲージの長さ (総試料の長さ 600 mm に相当) を取得するには、以下に指定した手順とテスト グリップを使用して、材料が 600 mm x 610 mm にする必要があります。
- 手順 1.9 ~ 1.17 に従って、目的の標本を切り取ります。
注: プロトコルはここで一時停止できます。標本を直ちに使用しない場合は、暗い周囲の場所に保管してください。
3. 電子顕微鏡スキャンによる切断方法の解析
- 長さと幅の約5mmの正方形を切断し、目的の切断技術から正方形の少なくとも2つのエッジを保持することにより、電子顕微鏡(SEM)をスキャンして分析のためのサンプルを準備します。これらの保存されたエッジを識別する必要があり、顕微鏡下で評価されるエッジです。
- 適切な両面カーボンテープにピンセットを付着して、SEMサンプルホルダーにサンプルを取り付けます。
- 試料を金パラジウム(Au/Pd)などの導電性材料の薄い(5nm)層でコーティングし、走査型電子顕微鏡下での表面充電効果を軽減します。
- サンプルを走査型電子顕微鏡にロードし、加速電圧の約2kVと50-100 pA電子電流で画像化します。必要に応じて、充電中和設定を適用して充電効果に対抗します。
4. UDラミネート試料の引張試験
- グリップを測定して、クロスヘッドの初期位置値と、標本が最小の張力で上下のグリップに接触する場所との差を決定します。テスト ソフトウェアからクロスヘッドの場所を読み取ります。このクロスヘッド位置で有効なゲージ長を測定して、これから有効なゲージ長を計算します。オフセット(変位量)をクロスヘッド位置に追加して、有効なゲージの長さ(測定された有効ゲージの長さからクロスヘッド位置を引いた値)を決定します。
- セクション1と2に従って調製した標本に、柔らかい先端のパーマネントマーカーを付けて、準備された順序が明確にするように番号を付けます。準備日や向きなど、その他の情報にもマークを付けます。
注:本明細書で使用される試料の寸法は30mm x 400 mmですが、サンプル寸法は他の材料では異なる場合があり、セクション1またはセクション2のいずれかに従って得られました。標本を直ちに使用しない場合は、暗い周囲の場所に保管してください。 - ひずみがビデオエクステンソーターを使用して測定される場合は、手動でゲージポイントをパーマネントマーカーでマークし、一貫性のためのテンプレートを使用して、補足図5aに示すように、ビデオエクステンソーターが追跡し、したがって測定するためのポイントを与えます。ひずみ。ひずみがクロスヘッド変位から計算される場合は、この手順をスキップします。
- 試料をキャプスタングリップの中心にロードします。
- 補足図5bに示すように、キャプスタンの隙間を通して試料の端部を挿入し、ステップ1.9に描かれたグリップラインに試料の端を配置します。試料の中心をキャップスタングリップの中心から約1mm以内に揃えることで、試料をキャップスタングリップの中央に配置するように注意してください。
- キャプスタンを目的の位置に回し、標本を中央に保つようにします。グリップが磁気の場合に試料に配置された磁石を使用して、試料を静かに保持し、ロックピンでキャプスタンを所定の位置にロックします。
- 試料のもう一方の端に対して、手順 4.4.1 と 4.4.2 を繰り返します。
- 2 N のプリロード、またはその他の適切に小さな負荷を適用します。
- クロスヘッド変位/実際のゲージの長さを記録します。
- 引張試験を実行する器具をプログラムし、10 mm/min の一定の延長速度で、ビデオエクステンソーメーターまたはクロスヘッド変位を使用して歪みを記録し、テストを開始するためにプレスを開始します。
- ディスプレイを監視し、サンプルが壊れたときにテストを停止します。材料の性質による故障応力と対応する故障ひずみと同じ最大応力を記録します。残りの検体については、手順 4.3 ~ 4.8 を繰り返します。
- さらなる分析のために壊れた標本を保存します。
- 材料内の標本数と元の標本配置の関数として故障時の応力をチェックし、問題のあるデータの他の徴候、例えば、ワイブル18分布から極端に逸脱したデータポイント、および続行する前に、準備中または取り扱い中に損傷したサンプルなど、考えられる原因を調査してください。
5. 老化実験用検体の調製
-
老化実験の開始
- 環境条件ごとの研究に必要な材料の総量を計算し、12ヶ月間毎月の標本抽出計画に基づいて計算します。
注:この研究では、抽出ごとに40個の標本と合計12個の抽出を計画目的で使用しました。 - 各条件に必要な材料の合計量をカットします。必要な数の標本に加えて少なくとも10 mmを収容するのに十分な幅の各ストリップをカットします。
注:引張試験を行う前に、試料の両側から余分5mmの材料がトリミングされます。余分な材料は、サンプルの端が老化プロトコルの間に取り扱いのために損傷を受ける可能性があるために使用されます。 - 補足図 5cに示すように、カットエージング ストリップを環境室に配置するトレイに切り取った老朽化ストリップを配置します。この研究で使用するトレイは、それぞれ約120のストリップを保持することができます。
- 材料2の予想される使用および貯蔵環境に基づいて環境調査のための露出条件を選択する。
注:この研究では、76%相対湿度(RH)で名目上70°Cを用いた。 - 乾燥した室温条件(例えば、25%RHで約25°C)のための環境室をプログラムします。チャンバーは、これらの条件で安定させ、その後、壁や結露を引き付けるために見えるチャンバー内の任意の場所から離れて、チャンバ内のラックにサンプルトレイを配置します。
- ステップ5.1.4で決定された所望の温度に環境室をプログラムし、湿度約25%RHを残します。
- チャンバがステップ5.1.4から目標温度で安定したら、ステップ5.1.4で決定された湿度を所望のレベルに上げるようにチャンバをプログラムします。
- 毎日チャンバーをチェックして、水の供給とろ過が適切であることを確認し、許容範囲外の状態が観察された場合は注意してください。各チャンバーの前面または近くのノートブックのログに偏差と中断を記録することをお示します。
- 目的の他のすべての標本について、手順 5.1.5 ~ 5.1.8 を繰り返します。
- 環境条件ごとの研究に必要な材料の総量を計算し、12ヶ月間毎月の標本抽出計画に基づいて計算します。
-
分析のための老化材料ストリップの抽出
- 分析のために環境室から老化した材料ストリップを抽出する準備ができたら、最初に約25%RHに相対湿度を減少させるためにチャンバーをプログラムします。
- 環境室が低湿度条件で安定した後、温度を、ほぼ室温または25°Cに落とすようにプログラムします。このステップは部屋のドアが開くとき結露を防ぐ。
- 環境室がステップ5.1.5の条件で安定したら、チャンバーを開き、目的の老化した材料ストリップを含むトレイを取り出し、所望のストリップを取り出し、ラベル付き容器に入れます。
- トレイを環境室に戻します。
- ステップ5.1.6および5.1.7で与えられた手順に従って、老化研究を続けるならば、関心のある条件に部屋を返す。そうでない場合は、名目上周囲状態のままできよい。
- チャンバーログに抽出を記録します(使用されている場合)。
- 1.7~1.17の手順に従って、熟成した材料ストリップから熟成した標本を切り取ります。
- セクション4に記載されているように試料を試験する。
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Representative Results
いくつかの異なる変数を調査するために、切断とテストの多くの反復が行われました。調べたいくつかの変数には、切断技術と切断器具、試験速度、試料寸法、グリップが含まれます。重要な発見の1つは、試料を繊維方向に合わせることの重要性でした。データ分析手順(一貫性解析、ワイブル技術、外れ値判定など)については、高齢化に関する考慮事項として以下に説明する。
Cウッティングテクニック/楽器
切断器具は、切断器具の各タイプに関連するさまざまなレベルの精度のために測定された故障応力に影響を与える可能性があります。図2、図3、および図4で参照される標本は、すべて電動ファブリックカッターで切断した。対照的に、プロトコルのセクション1で前述の手順を用いて他のすべての検体を切断し、これらの検体の結果を図8および図10に示す。動力を与えられた生地のカッターで切断された標本は872 MPaの平均故障応力(46 MPaの標準偏差、102の標本)を有し、同様に医用メスで切断された標本は909 MPaの平均故障応力を有した(標準偏差40MPa、40)標本)。これらの結果は、試料の縁を詳しく調べると、動力を与えられた生地カッターがメスよりもはるかにギザギザのエッジを作り出し、図5に見られるように、標本の幅を効果的に狭くすることを示しているので、驚くべきことではない。
これら2つの切削工具を用いて切断された試料間の機械的性能の違いから、様々な切削工具の構造化調査が行われた。各工具を用いて試料を切断し、画像化した。図6、図7、および補足図7は、高倍率で得られたエッジを示し、および補足図8は、低倍率で、a)電気駆動のファブリックカッター、b)セラミックナイフ、c)a精密セラミックカッター、d)ロータリーブレード、e)ユーティリティナイフ、およびf)医療用メス。
これらの画像には、局所的な損傷領域と広範な被害領域の両方が表示されます。最も局所的な損傷は、繊維がほつれた繊維の端または繊維の端から突き出ている場合に、図6aのようにブレードによって曲がり、平坦化される場合に観察される。損傷のより広い領域は、クロスファイバーで発生するせん断および潜在的な脱接結合として観察されます。
図6と図7は、図6fと図7fが図6の他のパネルに見られるよりもクリーンなカットを示すように、メスの使用が最も局所的な損傷を与える最もクリーンなカットを提供することを示しています。図 7.クロス繊維は切断による繊維せん断の証拠を示すはなく、クロス繊維の端部の損傷は繊維径の約半分に制限されています。ユーティリティナイフは、わずかに大きな損傷ゾーンを作成します。しかしながら、得られた繊維断面は、メス以外の切断方法を利用するものよりもクリーンである。他のすべての切断方法は、1つの繊維直径より大きい程度に局所的な損傷を作成します。メスとユーティリティナイフの両方は、その長さに沿って繊維を分割するのに十分な鋭さであり、図5f、gに見られるように、わずかに不規則なエッジをもたらすことができます。これは、精密セラミックカッターがそれらを切断するのではなく、それらを平らにすることによってエッジ繊維を損傷する補足図7dとは対照的です。エッジ ファイバをスライスしても、標本の大部分で大きな損傷ゾーンが発生する可能性はありません。
図5、図6a、および補足図7bは、電動ファブリックカッターによる典型的な損傷を示す。これは、さまざまな長さのスケールで非常にほつれたエッジを作成します。セラミックユーティリティナイフは、図6bおよび図7cに見られるように、繊維のグループで大規模なデラミネーションとせん断を引き起こし、小さなセクションに切断します。これは精密セラミックカッターではあまり普及していませんが、これらの結果は、補足図8eに見られるように、不均一な切り傷やほつれた繊維を欠いているわけではありません。ロータリーブレードで作られたカットは、他の切断方法ほどまっすぐではありません(補足図7e、補足図8f、g、および図7a、bに見られるように)、大規模な繊維引き出しを持つことができます(補足)図7e)。ユーティリティナイフと医療メスによって作られたカットの画像は、図6e、f、図7e、および補足図7g、および補足図7gに見られるように、大規模なせん断、剥出、または繊維引き出しの証拠をほとんど示していません。補足図8hと補足図8iを比較すると、医療用メスはユーティリティナイフよりも優れたエッジをもたらし、ほつれた繊維が少ないが、どちらの方法でもそのような繊維は観察されるだけである。時折。
SEMによる検査のための精密サンプルを切断するとき、メスは最高の性能を与える。セラミックユーティリティナイフは、精密セラミックカッターと同様に、カットの始まりと終端に繊維を引っ張ります。金属の実用ナイフは切口の始めに最高繊維の引きを導入する。動力を与えられた生地のカッターか回転刃によってより小さいサンプル部分を切ることは困難であり、実用的ではない。
医学のメスはまっすぐな端に最も近い切断の最も精密である。精密セラミックカッターは、対照的に、直線エッジからの大きなオフセットを有し、試料の正確な幅を切断する上でより多くの誤差につながります。ロータリーファブリックカッターは、常に材料を切断するのではなく、ブレードのポイントで折り畳みます。電気ファブリックカッターは直線エッジに対して使用できないため、この工具で完全にストレートカットを行うことは困難です。したがって、医療メスは、直線エッジに最も近いストレートカットを与える傾向があります。また、切断ブレードがニックまたは破損した場合、または顕微鏡下で新鮮なブレードで切断されたエッジに比べると、標本の切断エッジが滑らかに見えなくなった場合は、切断ブレードを交換することをお勧めします。
試料を繊維方向に整列させることの重要性
初期のテストセットは、電気ファブリックカッターを使用して切断された40の標本で構成され、幅25mm、ゲージ長150mmでした。これらの標本は非最適化された初期グリップ設計を使用して40 mm/minの変位のローディング率でテストされた。試験では、検体1~20が繊維方向とよく整列しているのに対し、標本21~40は誤って2°未満でずれていた(すなわち、繊維方向は試料の主長方向と平行ではなかった)。検体の位置がずれると、試験中に特徴的な挙動が観察されます。試料の片側は上向きに傾き、反対側は下向きに傾き、試験前に試料を横切ってまっすぐに描かれた線がまっすぐでなくなる。これは補足図 6に示され、エッジ ファイバが両方のキャプスタンに存在しないことが原因です。
検体21〜40のずれにより、図2に見られるように、検体1~20の最大応力(故障時に生じる)と検体21〜40との間に明らかな差がある。 図2aは、不整列検体の検体数の関数として最大応力(故障時に発生)を提示する。最大応力の均質な人口は、図 2bのように、エリア全体に均等に分布します。ただし、図 2aでは、1 番目と 3 番目の象限には、標本番号 13 としてマークされた象限 3 の 1 つの外れ値以外にデータがありません。図2cは、2つのグループのワイブルプロットであり、関連するワイブル分布の99%の信頼限界を含む。最初の20個の標本、グループ1、および第2の20個の標本、グループ2からの分布は再び異なり、標本1〜20は標本21〜40よりも高い応力から故障を示す。この観察は、外れ値標本番号13が除去された図2dでさらに明らかにされている。図 2dでは、1 つのデータ ポイントだけが、他のグループの 99% の信頼限界とほとんど重なっています。それ以外の場合、データに重複はありません。
材料の繊維方向と試料のずれは、誤った位置合わせが効果的に試料幅を狭めるので、一見弱い結果を与えることが示されている。これは、切断時に繊維方向を頻繁に決定し、材料がシフトするのを防ぐために注意し、試料を切断する際に(試料の端と比較して)切断マット上の固定点から測定することによって回避することができます。補足図 6に示すように、その特性歪みパターンを通じてテスト中に実験的に不整列を観察できます。標本がすべて等しくずれている場合、効果は主にワイブルスケールパラメータになります。対照的に、標本がランダムにずれている場合、ワイブル形状とスケールパラメータの両方が影響を受けます。
理論
繊維方向に沿って張力で試験した場合、UDラミネートは、マトリックス内の平行繊維で構成される繊維トウと同様に振る舞うと仮定できます。繊維が壊れると、隣接する繊維に負荷をある程度の幅と長さに分散させ、生き残ったフィラメントが均等に負荷を共有するフィラメントの小さな束のチェーンの概念を中心に有用なモデルを構築することができます。したがって、必然的に、繊維強度特性とストリップ特性は、コールマン19-23によって説明されているように、関連しています。適用可能な理論の詳細な議論は、フェニックスとベイアレイン24でも見つけることができ、繊維の時間依存性特性は、フェニックスとニューマン25、26によって対処されました。この理論は、繊維に沿った自然な固有の欠陥の発生がポアソン・ワイブルモデルによってよく記述されているという仮定から始まるワイブル故障分布を開発する。このことから、サイズ効果は自然に落ちる。簡単に言えば、材料の体積が大きいほど、故障応力は低くなります。これは、材料の量が多いほど、繊維に固有の自然な欠陥がコロートし、弱点を作り出し、故障応力が低下する可能性が高いからである。
T推定率
表 1は、3 つの異なる読み込みレートを使用した結果の比較を示しています。荷重速度が増加するにつれて、故障応力も増加します。故障歪みに影響を与えていないように見えるので、荷重率の上昇に伴って係数も増加しているように見えます。
異なる負荷率でのテストの利点は、テストが複合材料の異なる側面を調知することです。低速テストはマトリックス特性、特にマトリックスせん断クリープに依存し、高速テストは主に繊維故障応力25,26を探索する。対象の動作をキャプチャする読み込みレートを選択する場合は、読み込みレートを選択することが重要です。
Sペシメン幅
表2は、試料幅を大きくする効果を示す。試料幅を大きくすることで、切断によるエッジ効果は、試料幅を占めなくなるため、それほど重要にならないはずです。また、検体の幅を測定する上での不正確さは、それほど重要ではありません。試料幅の増加に伴う一貫性の向上は、故障応力の標準偏差の低下に観察される。幅10mmでは平均故障応力が低く、標準偏差は標本の幅よりも高く、狭い標本が著しいエッジ効果に苦しむ可能性があることを示唆しています。故障ひずみは、エッジ効果の影響が小さくなったため、幅が広がるにつれて減少します。
試料幅が広いほど、エッジ効果による影響が小さくなり、検体の一貫性が向上します。したがって、より広い標本はよりよい結果をもたらす。しかし、材料費とグリップのコストの面でトレードオフがあり、より広く、したがって、より強い標本をテストします。
上で説明したように、理論は幅24の増加に伴う故障応力の減少を予測する。これは、30mmの標本と70mm幅の標本を比較する際に注目される。10mm幅の試料の故障応力の大きな減少は、このような狭い幅でのエッジ効果の重要性が高まったことによるものと考考える。
Sペシメンの長さ
前に説明したように、理論は長さ24の増加と失敗応力の減少を予測します。表3に示す結果は、これを示すが、歪み速度を一定に保持するのではなく、10mm/minで一定の荷重率によっても混乱している。歪み速度を下げると(固定荷重率が 10 mm/min で、ゲージの長さが長くなります)、故障応力の低下も発生します。故障応力の標準偏差は、単に異なる歪み率によって説明できる以上に増加します。この現象は、長い標本の切断が難しく、エッジ繊維がエッジの長さに沿って必ずどこかに切断され、ランダムな方法で試料の幅を効果的に減少させるためです。カッターの腕の長さよりも長い標本は、一定の速度で単一の滑らかな切断でそれらを切断することがもはや不可能になるので、特に困難です。長さが増加するにつれて故障ひずみが減少することは、故障応力の減少が長い試料に対する歪み速度の遅さによるものではないことを示している。
100 mmのゲージ長で故障をテストした試料は、通常、試料のゲージ全体の長さ全体を通してデアミネーションを示します。ゲージの長さが900mmで故障をテストした検体は、ゲージの領域(通常は中央付近)でのみ起こり、鎖鎖モデルから期待される限り、標本のかなりの部分をそのまま残します。
グリップ
グリップはキャプスタンスタイルである必要があります。回転キャプスタンは負荷のより容易さを提供し、キャプスタンのための4つのロック位置だけが一貫性を保つのを助ける。材料に近く、クランプするキャプスタングリップは、非常に高強度の滑りやすい材料に使用することができます。しかし、この研究で使用される固定開口部キャプスタンは、UHMMPEおよびアラミドの両方に対して働く。
別の材料を使用して、2つの異なるタイプのキャプスタングリップを比較する研究が行われました。最初のセットでは、キャプスタンが固定され、標本はロードセルに位置合わせされず、代わりにキャプスタンの幅の半分ずつオフセットされました。第2セットは、テスト中に所定の位置にロックするピンを持つ回転キャプスタンで構成されていました。さらに、これらのキャプスタンは、試料をロードセルに合わせるためにオフセットし、したがって、積載時にロードセル上の瞬間を防ぎます。図 8に示すように、故障負荷分布は、これらのグリップに対して非常に似ています。回転グリップは固定グリップよりもわずかに弱い分布を与える可能性があり、その半径のキャプスタンが広く、したがって、より長い負荷移動長さが原因である可能性があります。さらに、固定グリップは、キャプスタンの周りに試料を包むのが困難なため、キャプスタンが固定されている場合に荷重中に試料を損傷する可能性が高いため、回転グリップよりもわずかに大きな分散を有する可能性があります。これらのグリップの違いは、荷重プロットと延長プロットを比較する際に明らかです。10個の代表的な標本の結果を図9に示し、固定グリップと回転グリップを示します。回転グリップのカーブは滑らかで一貫性がありますが、対照的に固定グリップ カーブは、試料が滑っていることを頻繁に示します。キャプスタンが所定の位置に固定されると、試料がグリップを完全にすり抜けないようにいくつかのラップが必要となるため、材料を締め付けるのが難しくなります。
データ分析
UDラミネート材料には一定量のばらつきがあります。本明細に提示される切断/試験手順の目的は、試料の調製および試験に追加される追加の変動性を最小限に抑えることである。データ ポイントの外側には、UD ラミネートの固有の分布に起因する場合も、切断/テストアーティファクトである可能性があります。次の段落では、成果物をディストリビューションから分離するいくつかの手法について説明します。
検体数の関数としての故障応力
検体数の関数としての故障応力のプロットは、標本群の一般的な傾向を示すことができる。材料がマクロスケールで可変でない限り、材料の固有の変動性はそのようなプロットで観察されるべきではありません。図2bは、図2aとは対照的に、自己一貫性のある標本群の例を示す。
この標本間の一貫性の欠如は、他の分析では明らかではないかもしれません。不整列標本の例に戻ると、故障応力の違いが図2から明らかである。しかし、検体1~40のデータを見ても明らかではない。これは図3、標本1~40の99%の信頼限界を持つワイブルプロットに示されています。図 3には、切断に矛盾が見られたという明確な兆候はありません。さらに、これらの同じ検体に対する故障株は、検体数の関数として図4にプロットされ、また、不測の数/一貫性の欠如の証拠も示さないが、故障応力は、図2aに示すように。
ワイブル分布と外れ値
このUDラミネート材料の性質を考えると、ワイブル故障ストレス分布19-26を有することが期待される。この分布は、繊維24~26間の負荷共有により、単一ファイバに関連するシェイプ パラメータよりもかなり高いシェイプ パラメータを持つことが期待されます。標準的な統計試験を実行して、検体のバッチの故障応力がワイブル分布によってよく記述されているかどうかを判断できます。
ワイブル分布では、一定数の低強度標本が期待されます。これにより、データが正規分布からのものであった場合よりも、外れ値の決定が困難になります。たとえば、図9cでは、左下の象限にデータムを与える標本は外れ値のように見えます。図 9bは、図9a で識別される潜在的な外れ値を除いてのみ、同じデータを表示します。疑わしいデータ ポイント、特に最大尤度信頼区間の 95% を外れるデータ ポイントを調査する必要があります。
老化
表4は、有効なゲージ長が300mmで幅30mmの標本の老化結果を示し、10mm/minの積載率で試験した。これらの結果は、老化の影響を示さない。PPTAは、以前に温度および湿度1、2によって引き起こされる劣化に対して耐性であることが示されている。したがって、マトリックスが主要な役割を果たさないこの歪み速度での引張試験が、この老化実験のために許容される期間のために、時間の経過とともに有意な劣化を示さないことは特に驚くべきことではない。
要約すると、切断技術は、試料の有効な幅に大きな役割を果たすことができるので、試料損傷を最小限に抑えて一貫した結果を与えるものを選択することが重要です。医療メスは、この研究で最もよく働くことがわかった.グリップのタイプは、応力ひずみ曲線で誤解を招く特徴を引き起こす可能性があります。したがって、この研究に基づいて、回転キャプスタンが推奨されます。荷重速度、試料幅、および標本の長さはすべて最終的な強度値に影響を与え、注意して選択する必要があります。特に、切断の変動が結果に過度の影響を与えないように、試料幅は十分に広くなければなりません。上記のすべてを一定に保つことによって、科学者は老化の影響を識別することができる。
図 1:UD材料のSEM画像は、非平行繊維を強調するために個々の表面繊維に続く赤と青の線を持つ。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図2:整列および不整列標本の故障応力のプロット。(aおよびb)その検体数の関数として各検体の故障応力のプロット。 パネルaは、40個の標本から構成され、その群1は、標本1~20と赤色で丸め、よく整列され、グループ2は、標本21-40および青色で丸く、繊維方向とずずれている。パネルbは40のよく整列された標本から成っている。(cおよびd)99% の信頼限界を持つ 2 つのグループのワイブル分布のプロットは、グループ 2 のデータ ポイントとグループ 1 の境界との最小の重複を示します。パネルcは外れ値を示す。パネルdは、分布の最大尤度推定値から遠く離れているため外れ値である標本13を示さない。試料は幅約25mmで、公称40mm/minで試験し、電気生地カッターで切断した。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図3:グループ1と2のワイブルプロット(図2に記載)を一緒に、99%の信頼限界を示す。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図4:各検体の故障歪みのプロットを、その検体数の関数として、図2および図3に示すのと同じ試料セットについて示す。試料は幅約25mmで、引張変位負荷率約40mm/分で試験し、電気生地カッターで切断した。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図5:ギザギザのエッジで、電動ファブリックカッターで作られたカットの典型的な。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図 6:立体顕微鏡画像のインセットを持つクロスカットファイバのエッジのSEM画像。カットは、(a)電気駆動のファブリックカッター、(b)セラミックナイフ、(c)精密セラミックカッター、(d)ロータリーブレード、(e)ユーティリティナイフ、および(f)医療用メスで行われた。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図7:コーナーのSEM画像によって生成されたカットの概要。コーナーのSEM画像は、(a)電気駆動のファブリックカッター、(b)セラミックナイフ、(c)精密セラミックカッター、(d)ロータリーブレード、(e)ユーティリティナイフ、および(f) によって生成されたカットの概要を与える)医療用メス。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図8:2つの異なるキャップスタングリップの故障荷重を比較するワイブルプロット。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図9:代表標本10個の荷重対延長プロット。(a)固定および (b) 回転キャプスタングリップを使用して行われるテストは、この図のより大きなバージョンを表示するにはここをクリックしてください。
図 10: 故障応力分布。ウェイブルスケーリングを使用してプロットされた故障応力分布は、ゲージの長さが300mm、幅30mm、10mm/分でロードされ、外れ値と(b)を含む「ワープ」方向に沿ってカットされた標本の場合に対して、外れ値を含まない。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
| 積載率(ミリメートル/分) | 故障応力(MPa) | 故障ひずみ (%) | ヤングモジュラス (GPa) |
| 1 | 872の | 2.72分 | 32.7歳 |
| (31) | (0.09) | (0.71) | |
| 10歳 | 909の | 2.79件 | 32.9歳 |
| (40) | (0.12) | (0.78) | |
| 100人 | 913の | 2.67から | 33.7歳 |
| (45) | (0.13) | (0.67) |
表1:平均値は、括弧内の標準偏差を持ち、ゲージ長が300mm、幅30mmの標本に対する荷重速度を変化させる効果を示し、各バッチが少なくとも35個の標本である「ワープ」方向に沿って切断する効果を示す。
| 幅 (mm) | 故障応力(MPa) | 故障ひずみ (%) | ヤングモジュラス (GPa) |
| 10歳 | 874の | 2.80件 | 32歳 |
| (53) | (0.13) | (1.30) | |
| 30歳 | 909の | 2.79件 | 32.9歳 |
| (40) | (0.12) | (0.80) | |
| 70歳 | 897の | 2.68件 | 33.6歳 |
| (32) | (0.09) | (0.50) |
表2:平均値は、括弧内の標準偏差を持ち、ゲージ長が300mm、積載速度が10mm/分の標本に対して幅を変化させる効果を示し、各バッチが少なくとも35個の標本である「ワープ」方向に沿って切断する。
| 長さ (mm) | 故障応力(MPa) | 故障ひずみ (%) | ヤングモジュラス (GPa) |
| 100人 | 920の | 2.86件 | 33.0歳 |
| (25) | (0.09) | (0.7) | |
| 300人 | 909の | 2.79件 | 32.9歳 |
| (40) | (0.12) | (0.8) | |
| 900の | 818の | 2.57 | 32.4歳 |
| (52) | (0.13) | (0.8) |
表3:平均値は、括弧内の標準偏差を有し、幅30mm、読み込み速度10mm/分の標本に対する長さの変化の効果を示し、各バッチが少なくとも35個の標本である「ワープ」方向に沿って切断する。
| 熟成時間(日数) | 故障応力(MPa) | 故障ひずみ (%) | ヤングモジュラス (GPa) |
| 0 | 909の | 2.79件 | 32.9歳 |
| (40) | (0.12) | (0.8) | |
| 30歳 | 899の | 2.76分 | 33.3歳 |
| (33) | (0.10) | (0.7) | |
| 58歳 | 898の | 2.76分 | 33.1歳 |
| (46) | (0.08) | (0.9) |
表4:平均値は、括弧内の標準偏差で、ゲージ長が300mm、幅30mm、読み込み速度10mm/分の標本に対して70°Cでの老化の影響を示し、「ワープ」方向に沿って切断します。、各バッチは、少なくとも35の標本である。
補足図 1:UD ラミネートの概略図。(a) 2 つの単方向 (UD) 層のファイバ (円柱) の向き(0° 方向を持つレイヤーと 90° の向きの他の層)。(b) UD 材料をボルトから切断するための回路図。ボルトの幅は赤い点線に沿って測定されます。カットされたマテリアルの場合、長さは赤い点線に沿って測定され、幅は長さに対して垂直に測定されます。「ワープ」方向は青い矢印で示され、「逆数」方向は赤い矢印で示されます。主ファイバ方向は、最上位の層の方向(つまり、赤い矢印/後方方向に沿った方向)として定義されます。主ファイバ方向は、表示されている層(最上層)を指すので、マテリアルを上向きにすると、主ファイバの方向が曲向きからワープに変わります。ここで使用される材料は織られていないため、伝統的な織物の意味でワープやふわみがないことに注意してください。(c) 材料の小さなタブを示す回路図は、分離の準備でカットします。(d) 一方向材料から最上層を分離した後のUD積層。緑色の破線は、前駆体材料をロールから分離する場所を示します。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足図 2: SEM 比較.SEM比較は、(a)ノッチのないエッジを持つ新しい鋭いメスブレードの側面図、(b)ブレードが細かい点に来る方法を示す新しいメスブレードのエッジオンビュー、(c)使用されたメスブレードの側面図との間で行われました。エッジの欠陥とエッジに沿って傷、および (d) ブレードがもはや細かいエッジを持っていないし、今鈍いことを示す使用されたメスブレードのエッジオンビュー。矢印はブレードのエッジをマークします。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足図3:使用されたメスブレードで、矢印がブレードの長さに沿って傷を指している。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足図4:カットレイアウト。標本は、赤い矢印が主繊維方向と後方方向の両方を示し、青い矢印はワープ方向を示す、後方方向に沿って切断されます。ワードフトとワープという用語は、標準的な織物の方向を参照するために使用されますが、UD 材料が織られていないため、厳密には適用されません。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足図5:調製の様々な段階における試料の写真。(a) テンプレートを使用してビデオの拡張子ポイントをマーキングします。(b)試料を積み込み、具体的には試料の端部をグリップラインに配置する。試料の中心をキャップスタングリップの中心から約1mm以内に揃えることで、試料をキャップスタングリップの中央に配置するように注意してください。(c) 環境室内の検体。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足図6:不整列標本の積み込み時の特性挙動の概略図。水平線が横に引かれます。(a) アンロードされた標本の概略図。(b)では、標本がロードされる。(c) 実際の不整列標本。赤い矢印は、適用された応力の方向を示します。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足図7:材料切断の典型的な切断損傷に焦点を当てたSEM画像。切り傷は鈍いユーティリティナイフで作られた。(b) 切断繊維と平行に大量の損傷を示す電動ファブリックカッター。(c) セラミックナイフで、ナイフが切り取り方を示すだけでなく、材料によく伸びる大きなせん断領域を示す。(d) セラミックブレードが繊維自体を切断しない方法を示す精密セラミックカッター。(e)ロータリーブレード、繊維の引き出しだけでなく、波状の刃を示しています。(f) ユーティリティナイフは、ユーティリティナイフが繊維を切断し、毛深いエッジを持つことができる方法を示しています。(g) 医療用メスで、メスが繊維を通してきれいにスライスする方法を示す。(h)医用メスは、カットからの損傷が、より大規模なせん断、剥離、または繊維引き出しなしで局在化することを示す。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足図8:典型的なエッジ欠陥の立体顕微鏡画像。カットは、大規模なほつれたエッジを示す(a)電気駆動のファブリックカッターで行われました。(b) 電気駆動のファブリックカッターで、小規模なほつれエッジを示す。(c) セラミックナイフで、不均一な切断を示す。(d) セラミックナイフで、頻繁にほつれた繊維を示す。(e) 不均一な切断とほつれた繊維を示す精密セラミックカッター;(f) ロータリーブレードで、よりクリーンでありながらまっすぐなエッジを示しています。(g)ロータリーブレードで、かなり一般的な欠陥を示す。(h) ユーティリティナイフ、(i)医療用メス。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
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Discussion
繊維方向の適切な決定が重要です。プロトコルの手順 1.4 ~ 1.6 で説明する方法の利点は、分離プロセスを開始するために使用されるファイバの数を完全に制御できることです。ただし、これは、ファイバが完全に平行ではなく、互いに交差する可能性があるので、最終的に分離された領域の幅を完全に制御できることを意味するものではありません。繊維の1つのバッチを分離する過程で、頻繁に、分離されたものに隣接する繊維も、このクロスオーバーのために分離される。したがって、繊維方向に真の読み取りを得るには、繊維が突出していないきれいなエッジがあるまで、隣接する繊維を緩めて除去する必要があります。
試料間の一貫性も重要です。プロトコルのステップ1.9では、試料を切断する前にグリップラインが描かれ、試料がグリップライン間で共通の長さを持つようになるため、試料全体で一貫したゲージ長を確保するのに役立ちます。試料の端からグリップラインまでの理想的な距離は、材料自体とグリップの摩擦係数の両方の関数と、グリップの物理的な寸法の両方の関数です。この距離は、実験的に決定されるのが最も適した量であり、異なる距離をテストして、引張試験中にスリップが起こらない状態で十分に短い距離を決定する。プロトコルのステップ1.12.1では、試料の幅のリファレンスガイドとして切断マットを使用して、標本が平均的に所望の幅であることを確認することが重要です。材料の端から測定すると誤差が生じ、これらの誤差が平均標本幅が所望の幅であることを保証するものではありません。この点の詳細については、代表的な結果を参照してください。
手順の潜在的な変更は、試料の幅、有効なゲージの長さ、ひずみ速度、グリップ、ブレードを変更する頻度、試料の端からグリップラインまでの距離、材料の向きを変える頻度を調整することを含みます。切断時にファイバ方向に、テスト時のプリロード値にします。試料幅、有効ゲージ長、ひずみ速度、およびグリップを変更した場合の影響について、代表的な結果で説明します。材料の向きを再配向する頻度は、材料の繊維方向の一貫性と切断プロセス中に材料を移動しないカッターの能力に依存し、また、実験的に決定するのが最適です。ブレードが鈍くなる後の切断距離は、材質やブレードの種類によって異なります。これは、顕微鏡下で、試料のエッジだけでなく、ブレードのエッジを調べることによって、材料とブレードの異なる組み合わせごとに決定する必要があります。試料の端からグリップラインまでの距離は、材料の滑りやすさの関数です。UHMWPE などの摩擦係数が低い滑りやすい材料では、グリップ ラインまでの距離を長くする必要があります。これは、試験中に試料がグリップ内で滑り落ちなくなるまで、この距離を変更することによって実験的に決定されます。テスト時のプリロード値は、余裕を取り込むのに十分な大きさにする必要がありますが、大きすぎない必要があります。この研究では、使用される2Nはローエンドで、たるみをかろうじて取り除くだけだった。
現在、このような薄い(<0.25 mm)、柔軟なUDラミネートの機械的特性を測定するための標準的な試験方法はなく、これらの材料の機械的試験のための利用可能な文献は、UDラミネートに焦点を当てています。固体複合ブロック11〜14にホットプレスされ、常に最終使用条件を表すとは限らない。このホワイト ペーパーで示す方法論では、柔軟な UD ラミネートの引張試験を可能にします。
この方法の将来の応用は、アラミドベースおよびUHMWPEベースのラミネートの両方に関する長期老化研究のためである。この方法はまた、UDソフトラミネート材料をテストするためのASTM規格として提案され、製造後および潜在的にボディアーマーアプリケーションでの使用中に、これらの材料の故障ストレスを監視するメカニズムを提供します。
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Disclosures
このホワイト ペーパーで使用される手順の完全な説明には、特定の商用製品とそのサプライヤーを識別する必要があります。このような情報を含めることは、そのような製品またはサプライヤーがNISTによって承認されているか、NISTによって推奨されている、または必ずしもその目的のために最高の材料、機器、ソフトウェアまたはサプライヤーであることを示すものとして解釈されるべきではありません。説明。
Acknowledgments
著者たちは、スチュアート・リー・フェニックスが彼の有益な議論、マイク・ライリーが機械試験のセットアップを支援したことを認め、ハネウェルが材料の一部を寄付したことを認めたいと思います。エイミー・エンゲルブレヒト・ウィガンズの助成金70NANB17H337の下で提供されました。アジャイ・クリシュナムルティの資金は、70NANB15H272の助成金の下で提供されました。アマンダL.フォスターのための資金は、省庁間協定R17-643-0013を通じて国防総省から提供されました。
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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