Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

وكان الهدف من الدراسة وضع بروتوكولات لإعداد عينات متسقة لاختبار ميكانيكي دقيق من الأراميد عالية القوة أو فائقة المولير كتلة البولي إثيلين مرنة أحادية الاتجاه المواد الخشبية المركبة بروتوكولات لأداء الشيخوخة الاصطناعية على هذه المواد.

Abstract

العديد من تصاميم درع الجسم تتضمن صفح أحادي الاتجاه (UD). يتم بناء رقائق UD من طبقات رقيقة (<0.05 مم) من خيوط عالية الأداء، حيث يتم توجيه خيوط في كل طبقة موازية لبعضها البعض وتعقد في مكان باستخدام الراتنجات الموثق وأفلام البوليمر رقيقة. يتم بناء الدرع عن طريق تكديس الطبقات أحادية الاتجاه في اتجاهات مختلفة. وحتى الآن، لم يُنجز سوى عمل أولي جداً لتوصيف شيخوخة راتنجات الموثق المستخدمة في الرقائق أحادية الاتجاه والآثار على أدائها. على سبيل المثال، أثناء تطوير بروتوكول تكييف المستخدمة في المعهد الوطني للعدالة القياسية-0101.06، وأظهرت شرائح UD علامات بصرية من delamination والتخفيضات في V50، وهي السرعة التي نصف القذائف ومن المتوقع أن ثقب الدرع ، بعد الشيخوخة. ومن الضروري فهم أفضل للتغييرات في الخصائص المادية في صفح UD لفهم الأداء على المدى الطويل من الدروع التي شيدت من هذه المواد. لا توجد معايير حالية موصى بها للإستجواب الميكانيكي للمواد الخشبية أحادية الاتجاه (UD). تستكشف هذه الدراسة الأساليب وأفضل الممارسات لاختبار الخصائص الميكانيكية لهذه المواد بدقة وتقترح منهجية اختبار جديدة لهذه المواد. ويرد أيضا وصف لأفضل الممارسات المتعلقة بالشيخوخة في هذه المواد.

Introduction

يساعد المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا وكالات إنفاذ القانون والعدالة الجنائية على ضمان أن تكون المعدات التي تشتريها والتكنولوجيات التي تستخدمها آمنة ويمكن الاعتماد عليها وفعالة للغاية، من خلال برنامج بحثي معالجة الاستقرار على المدى الطويل من الألياف عالية القوة المستخدمة في درع الجسم. وقد ركز العمل السابق1،2على فشل ميداني من درع الجسم مصنوعة من مادة بولي (ف-فينيلين-2، 6-benzobisoxazole)، أو PBO، مما أدى إلى مراجعة رئيسية للمعهد الوطني للعدالة (NIJ) هيئة درع القياسية 3. منذ صدور هذا المعيار المنقح، استمر العمل في NIST لدراسة آليات الشيخوخة في الألياف الأخرى شائعة الاستخدام مثل البولي ايثيلين فائقة المولية الشامل (UHMMPE)4 وبولي (ف-فينيلين تيريفثالاميد)، أو PPTA، المعروف باسم الأراميد. ومع ذلك، ركزت كل هذا العمل على شيخوخة خيوط وألياف واحدة، والتي هي الأكثر صلة للأقمشة المنسوجة. ومع ذلك، العديد من تصاميم درع الجسم تتضمن صفح UD. يتم بناء رقائق UD من طبقات الألياف رقيقة (<0.05 مم) حيثالألياف في كل طبقة موازية لبعضها البعض 5،6،7 ويتم بناء الدرع عن طريق التراص صفائح رقيقة في الاتجاهات بالتناوب، كما هو موضح في الشكل التكميلي 1a. يعتمد هذا التصميم بشكل كبير على الراتنج الموثق لعقد الألياف في كل طبقة موازية عموما، كما رأينا في الشكل التكميلي 1b،والحفاظ على اتجاه اسميا 0 درجة / 90 درجة من الأقمشة مكدسة. مثل الأقمشة المنسوجة، وعادة ما يتم بناء رقائق UD من اثنين من الاختلافات الألياف الرئيسية: الأراميد أو UHMMPE. توفر شرائح UD العديد من المزايا لمصممي الدروع الجسم: أنها تسمح لنظام درع أقل وزنا بالمقارنة مع تلك التي تستخدم الأقمشة المنسوجة (بسبب فقدان القوة أثناء النسيج)، والقضاء على الحاجة إلى البناء المنسوجة، واستخدام الألياف قطرها أصغر لتوفير أداء مماثل للأقمشة المنسوجة ولكن في وزن أقل. وقد ثبت سابقا PPTA أن تكون مقاومة للتدهور الناجم عن درجة الحرارة والرطوبة1،2، ولكن الموثق قد تلعب دورا هاما في أداء صفح UD. وهكذا، فإن الآثار الإجمالية للبيئة استخدام على الدروع المستندة إلى PPTA غير معروفة8.

وحتى الآن، لم يتم القيام إلا بعمل أولي جداً لتوصيف شيخوخة راتنجات الموثق المستخدمة في هذه الرقائق UD وآثار الشيخوخة الموثق على الأداء الباليستي لصفح UD. على سبيل المثال، أثناء تطوير بروتوكول تكييف المستخدمة في NIJ Standard-0101.06، أظهرت شرائح UD علامات بصرية للتلاف والتخفيضات في V50 بعد الشيخوخة1،2،8. وتبين هذه النتائج الحاجة إلى فهم شامل للخصائص المادية مع الشيخوخة، من أجل تقييم الأداء الهيكلي الطويل الأجل للمواد. وهذا بدوره يتطلب وضع أساليب موحدة لاستجواب خصائص فشل هذه المواد. وتتمثل الأهداف الرئيسية لهذا العمل في استكشاف الأساليب وأفضل الممارسات لاختبار الخصائص الميكانيكية للمواد الخشبية UD بدقة واقتراح منهجية اختبار جديدة لهذه المواد. ويرد في هذا العمل أيضا ً وصف لأفضل الممارسات المتعلقة بالمواد الخشبية UD الشيخوخة.

يحتوي الأدب على عدة أمثلة لاختبار الخصائص الميكانيكية لشرائح UD بعد الضغط الساخن على طبقات متعددة في عينة الثابت9،10،11. لرقائق مركب جامدة، ASTM D303912 يمكن استخدامها؛ ومع ذلك، في هذه الدراسة، والمواد هي ما يقرب من 0.1 ملم سميكة وغير جامدة. وتستخدم بعض المواد الخشبية UD كسلائف لصنع مواد واقية من المقذوفات جامدة مثل الخوذات أو لوحات مقاومة للقذائف التسيارية. ومع ذلك، يمكن أيضا أن تستخدم رقيقةومرنة صفح UD لجعل درع الجسم 9،13.

الهدف من هذا العمل هو تطوير أساليب لاستكشاف أداء المواد في درع الجسم لينة، لذلك لم يتم استكشاف الأساليب التي تنطوي على الضغط الساخن لأنها لا تمثل الطريقة التي تستخدم المواد في درع الجسم لينة. ASTM الدولية لديها العديد من معايير طريقة الاختبار المتعلقة شرائط الاختبار من النسيج، بما في ذلك ASTM D5034-0914 طريقة الاختبار القياسية لكسر القوة واستطالة الأقمشة النسيجية (اختبار انتزاع)، ASTM D5035-1115 اختبار قياسي طريقة لكسر القوة واستطالة الأقمشة النسيجية (طريقة قطاع)، ASTM D6775-1316 طريقة الاختبار القياسية لكسر القوة واستطالة النسيج حزام، الشريط والمواد مضفر، وASTM D395017 المواصفات القياسية للمواصفات القياسية ل الربط، غير المعدنية (وطرق الانضمام). هذه المعايير لديها العديد من الاختلافات الرئيسية من حيث قبضة الاختبار المستخدمة وحجم العينة، كما هو مذكور أدناه.

الطرق الموصوفة في ASTM D5034-0914 وASTM D5035-1115 متشابهة جدا وتركز على اختبار الأقمشة القياسية بدلا من المواد المركبة عالية القوة. بالنسبة للاختبارات في هذين المعيارين، تكون وجوه الفك من القبضات ناعمة ومسطحة، على الرغم من أنه يسمح بإجراء تعديلات على العينات التي يزيد فيها ضغط الفشل عن 100 N/cm لتقليل دور الفشل القائم على الانزلاق. التعديلات المقترحة لمنع الانزلاق هي لسادة الفكين، ومعطف النسيج تحت الفكين، وتعديل وجه الفك. في حالة هذه الدراسة، والإجهاد فشل العينة هو ما يقرب من 1000 N / سم، وبالتالي، فإن هذا النمط من القبضات يؤدي إلى انزلاق عينة مفرطة. ASTM D6775-1316 وASTM D395017 تهدف إلى مواد أقوى بكثير، وكلاهما يعتمد على قبضة كابستان. وهكذا، ركزت هذه الدراسة على استخدام قبضة كابستان.

وعلاوة على ذلك، فإن حجم العينة يختلف اختلافا كبيرا بين هذه المعايير الأربعة ASTM. معايير حزام والربط، ASTM D6775-1316 وASTM D395017،حدد لاختبار العرض الكامل للمواد. ASTM D677516 يحدد أقصى عرض من 90 ملم. وعلى النقيض من ذلك، فإن معايير النسيج14،15 تتوقع أن يتم قطع العينة widthwise وتحديد إما عرض 25 ملم أو 50 ملم. يتراوح الطول الإجمالي للعينة بين 40 سم و 305 سم، ويتراوح طول المقياس بين 75 مم و250 مم عبر معايير ASTM هذه. وبما أن معايير ASTM تختلف اختلافا ً كبيراً فيما يتعلق بحجم العينة، فقد تم النظر في ثلاثة عروض مختلفة وثلاثة أطوال مختلفة لهذه الدراسة.

المصطلحات التي تشير إلى إعداد العينة في البروتوكول هي كما يلي: الترباس > المواد السليفة > المواد > عينة، حيث يشير مصطلح الترباس إلى لفة من صفح UD، المواد السلائف يشير إلى كمية غير مجروحة من النسيج UD لا تزال تعلق إلى الترباس، والمواد يشير إلى قطعة منفصلة من صفح UD، وعينة يشير إلى قطعة فردية لاختبارها.

Protocol

1. إجراء قطع للعينات الاعوجاج الاتجاه التي يتم قطع عمودي على محور لفة

  1. تحديد الترباس من المواد أحادية الاتجاه ليتم اختبارها.
    ملاحظة: لا يوجد تشوه (يستخدم لوصف الاتجاه عمودي على محور لفة) ولحمة (تستخدم لوصف الاتجاه موازية لمحور لفة) بالمعنى النسيجي التقليدي، كما المواد المستخدمة هنا ليست المنسوجة، ولكن هذه المصطلحات اقترضت fo ص الوضوح.
  2. فك البراغي يدويًا لفضح المواد السلائف (أي المواد المحددة غير المجروحة من الترباس ولكنها لا تزال متصلة بالترباس).
    ملاحظة: سيصبح عرض هذا الترباس الطول الإجمالي للمواد (راجع الشكل التكميلي 1b)،وذلك لطول مقياس 300 مم (المقابلة لطول العينة الإجمالي 600 مم)، وذلك باستخدام الإجراء والقبضات الاختبار المحددة أدناه، قطعة من يجب أن يكون قطع المواد من الترباس 600 مم واسعة. طول هذه القطعة من المواد سيكون ذلك من عرض الترباس الذي يتم توالت المواد (حوالي 1600 ملم، في هذه الحالة). هذا هو موضح في الشكل التكميلي 1b.
  3. بصريا التحقق من أن اتجاه الألياف الرئيسية موازية لعرض الترباس، كما هو مبين في الشكل التكميلي 1b. ويسمى اتجاه الألياف من الطبقة العليا من المواد (أي، أن المشاهد الذي يرى عند النظر إلى أسفل على العينة) اتجاه الألياف الرئيسية.
  4. قطع علامة تبويب صغيرة في المواد السلائف مع مشرط، ما يقرب من 3 ملم واسعة، مع طول علامة التبويب محاذاة اسميا موازية مع اتجاه الألياف الرئيسية من المواد السلائف، كما هو مبين في الشكل التكميلي 1c.
  5. فهم يدويا علامة التبويب وسحبها حتى المسيل للدموع علامة التبويب بعيدا وفضح الألياف على طبقة تحت، تشغيل عمودي على علامة التبويب. الشكل التكميلي 1د).
    ملاحظة: هذه الخطوة سوف تنتج منطقة حيث الألياف عبر فقط مرئية، كما هو موضح في الشكل التكميلي 1d.
  6. إزالة أي ألياف فضفاضة المجاورة للألياف عبر المكشوفة المتبقية من حافة علامة التبويب.
    ملاحظة: في نظام صفح UD الحالي، لوحظ أن الألياف ليست موازية تماما (كما هو مبين في الشكل1) وأنها قد تعبر فوق الألياف المجاورة. وهكذا، فإن الألياف المجاورة لأولئك الذين يتم فصلهم كثيرا ما تصبح منفصلة في هذه العملية. قد تكون الألياف المجاورة التي تصبح فضفاضة على بعد 1-2 مم من المسار المتوقع للعلامة التبويب المستخدمة للفصل.
  7. باستخدام مشرط الطبية، وقطع على طول الألياف الصليب المكشوفة، وبالتالي فصل قطعة من المواد السلائف من الترباس.
    1. تحديد قطع المسافة التي تُمل ّر النصل، مما يسبب قطعًا أقل نظافة (أي بعد 400 سم من قطع هذه المادة، يمكن أن يصبح المشرط مملًا ومخدوشًا، كما هو موضح في الشكل التكميلي 2 والشكل التكميلي 3). استبدل النصل قبل أن يصبح مملًا، أو إذا كان تالفًا. فحص عدة أدوات القطع عند اختبار نوع مختلف من المواد لتحديد أفضل واحد.
      تحذير: يجب توخي الحذر مع جميع شفرات حادة أو أدوات القطع لتجنب الإصابة. يمكن ارتداء قفازات مقاومة للقص في هذه الخطوة للحد من خطر الإصابة.
  8. تسليم المواد، بحيث الآن، اتجاه الألياف الرئيسية في اتجاه الاعوجاج.
    ملاحظة: بما أن اتجاه الألياف الرئيسي يشير إلى الطبقة التي يتم عرضها (الطبقة العليا)، فإن تحويل المادة إلى أكثر من تغيير اتجاه الألياف الرئيسية من لحمة إلى الاعوجاج (انظر الشكل التكميلي 1b).
  9. وضع علامة على خطوط قبضة على المواد محاذاة في اتجاه لحمة.
    ملاحظة: هذه الخطوط تعمل من الحافة المصنعة إلى الحافة المصنعة، موازية لحواف القطع و 115 مم من حواف القطع هذه. وسيتم شرح هذه أخرى في الخطوة 4.4.1، ولكن خطوط قبضة هي خطوط تستخدم عند تحميل العينات (التي يتم قطعها في وقت لاحق) في قبضة اختبار الشد.
  10. تحديد اتجاه الألياف الرئيسية للعينة ليتم قطعها من المواد، وذلك باستخدام الخطوة 1.3.
    ملاحظة: يجب أن تدرك أن اتجاه الألياف قد لا يكون عمودي ًا تمامًا على الحافة المصنعة; في هذه الحالة، اتبع خط الألياف الدقيق. تجنب المنطقة القريبة من الحافة المصنعة لأنها قد لا تعكس بدقة خصائص المواد السائبة.
  11. توجيه المواد على مناسبة الذاتي الشفاء مشبكة قطع حصيرة التي هي كبيرة بما يكفي لتناسب عرض المواد (بين حواف قطع) وطول (اتجاه لحمة) من 300 ملم على الأقل، كما هو مشار إليه في الخطوة 1.16.
    1. محاذاة بعناية اتجاه الألياف مع خطوط الشبكة على حصيرة القطع. استخدام حافة قطع من المواد كدليل في بطانة المواد. ومع ذلك، محاذاة اتجاه الألياف للعينة هو الأكثر أهمية.
    2. الشريط المواد إلى حصيرة القطع.
      ملاحظة: لا ينبغي أبدا وضع الشريط في أي مكان بالقرب من مركز العينة; بدلا من ذلك، ينبغي استخدامه في ما سيكون نهايات العينات التي سيتم قطعها من المواد. وسوف تكون الغايات في قبضة عندما يتم اختبار عينة; لذلك، يتم تقليل أي ضرر يسببها الشريط إلى الحد الأدنى. تسجيل فقط زوايا المواد التي هي بعيدة عن قطع سوف تضمن أن المواد لن تتحرك، وأنه عند قطع عينة، فإن شفرة لن يكون أيضا قطع الشريط. شريط لاصق منخفض التك (على سبيل المثال، شريط الرسام) يعمل بشكل جيد لأنه يلتزم بشكل جيد بما فيه الكفاية للحفاظ على النسيج في مكانه دون الإضرار بالمواد عند إزالتها.
  12. قطع العينات من المواد باستخدام شفرة وحافة مستقيمة. الشرائط التي شكلت هي العينات. لا تدع المواد تتحرك في هذه العملية. خلاف ذلك، تحديد اتجاه الألياف من جديد وإعادة توجيه المواد وفقا لذلك.
    1. ضع الحافة المستقيمة في الموقع المطلوب المقابل لعرض العينة المناسب (أي 30 مم). لاحظ أن المشرط الطبي رقيقة بما فيه الكفاية أن لا إزاحة في وضع الحافة المستقيمة ضروري لحساب موقع القطع. محاذاة الحافة المستقيمة إلى الشبكة على حصيرة القطع أو أي خط مرجعي آخر أنشأها المستخدم على حصيرة القطع.
    2. المشبك الحافة المستقيمة في مكان عن طريق لقط على أي من طرفي الحافة المستقيمة. تحقق من تحديد المواقع من الحافة المستقيمة بعد لقط، كما أنها قد انتقلت خلال عملية لقط.
  13. قطع العينة بعيدا عن المواد على طول الحافة المستقيمة، وذلك باستخدام مشرط الطبية. ضمان قطع واحد، نظيفة، على نحو سلس، مع سرعة ثابتة والضغط.
    ملاحظة: يمكن تطبيق بعض الضغط من قبل شفرة ضد الحافة المستقيمة للحفاظ على شفرة قطع على وجه التحديد على حافة الحافة المستقيمة.
    تحذير: يجب توخي الحذر لتجنب الإصابة، لذلك فمن المستحسن ارتداء قفازات مقاومة للقطع عند التعامل مع المشرط الطبي. وعلاوة على ذلك، منذ قطع أسلس يمكن الحصول عليها في حين قطع نحو الجسم، وارتداء مئزر مقاومة للقطع أو معطف المختبر ينصح.
  14. فحص حافة قطع من الشريط تحت المجهر. تغيير النصل إذا كان حافة القطع لديها ألياف جاحظ أكثر بكثير أو عيوب أخرى بالمقارنة مع قطع مصنوعة من شفرة حادة جديدة.
  15. فك المشبك الحافة المستقيمة، مع الحرص على أن المواد لا تتحرك في هذه العملية. إذا كانت المواد لم تتحرك، وإعادة تحديد اتجاه الألياف وإعادة توجيه المواد بشكل مناسب.
  16. كرر الخطوات 1.12-1.15 حتى يتم الحصول على الحد الأقصى لعدد العينات التي يمكن قطعها من 300 مم من المواد.
    ملاحظة: بالنسبة للعينات التي يبلغ عرضها 30 مم، 300 مم من المواد ما يعادل 10 عينات، في حين أن العينات التي يبلغ عرضها 70 مم، وهذا يعادل 4 عينات. وقد تم تحديد هذا الحد 300 ملم للعمل بشكل جيد لصفح أحادي الاتجاه درس هنا ولكن قد تختلف لرقائق أخرى.
  17. كرر الخطوات 1.10-1.11 حسب الحاجة (أي إعادة تحديد اتجاه الألياف الرئيسية وإعادة توجيه المواد قبل الاستمرار في قطع المزيد من العينات).
    ملاحظة: يمكن إيقاف البروتوكول مؤقتاً هنا. إذا لم يتم استخدام العينات على الفور، تخزينها في مكان مظلم، المحيطة.

2. إجراء قطع لعينات لحمة الاتجاه التي يتم قطع على طول محور لفة

ملاحظة: لا يوجد تشوه ولحمة بالمعنى التقليدي للنسيج، حيث أن المواد المستخدمة هنا ليست منسوجة، ولكن هذه المصطلحات مستعارة للوضوح.

  1. تحديد عرض وطول المواد المطلوبة وفقا لعدد وحجم العينات التي سيتم قطعها.
    ملاحظة: لهذا صفح أحادي الاتجاه وللعينات مع طول قياس ما يقرب من 300 ملم، يمكن قطع اثنين من العينات وضعت نهاية إلى نهاية على طول عرض الترباس. وهكذا، يمكن قطع مجموعة من 40 عينة في عمودين من 20 عينة لكل منهما، كما هو مبين في الشكل التكميلي4، قبل قطع المواد من لفة. إذا كان عرض العينات هو 30 ملم، ثم المواد يجب أن تقطع في 20X عرض العينة (كما أن هناك 20 عينة لكل عمود) مع بعض المساحة الإضافية (أي، 610 ملم).
    1. حدد اتجاه الألياف على طول لحمة لعرض الفائدة، باتباع الإرشادات من الخطوات 1.4-1.6.
    2. قطع الألياف عبر المكشوفة (أي عبر ألياف الاعوجاج) باستخدام شفرة، وبالتالي فصل المواد السلائف من الترباس.
      تحذير: يجب توخي الحذر مع جميع شفرات حادة أو أدوات القطع، لتجنب الإصابة. يمكن ارتداء قفازات مقاومة للقص في هذه الخطوة للحد من خطر الإصابة.
  2. الاستعداد لقطع أطوال التي تتطابق مع طول العينة المطلوبة (أي، قطع في اتجاه الاعوجاج في طول العينة من الفائدة). للحصول على طول مقياس 300 مم (المقابل لطول العينة الإجمالي 600 مم)، باستخدام الإجراء والقبضات الاختبارية المحددة أدناه، ضع في اعتبارك أن المادة يجب أن تكون الآن 600 مم × 610 مم.
  3. اتبع الخطوات 1.9-1.17 لقطع العينات المطلوبة.
    ملاحظة: يمكن إيقاف البروتوكول مؤقتاً هنا. إذا كانت العينات لا يمكن استخدامها على الفور، تخزينها في الظلام، موقع المحيطة.

3. تحليل طرق القطع عن طريق المسح المجهري الإلكتروني

  1. إعداد العينات لتحليلها عن طريق المسح المجهري الإلكتروني (SEM) عن طريق قطع مربعات من حوالي 5 ملم في الطول والعرض، والحفاظ على ما لا يقل عن اثنين من حواف مربع من تقنية القطع من الفائدة. وينبغي تحديد هذه الحواف المحفوظة وهي الحواف التي سيتم تقييمها تحت المجهر.
  2. جبل العينات على حامل عينة SEM عن طريق التمسك بها مع ملاقط على شريط الكربون مناسبة على الوجهين.
  3. قم بطلاء العينات بطبقة رقيقة (5 نانومتر) من المواد الموصلة، مثل البلاديوم الذهبي (Au/Pd)، للتخفيف من آثار شحن السطح تحت المجهر الإلكتروني المسح الضوئي.
  4. تحميل العينات في المجهر الإلكتروني المسح الضوئي وصورتها في حوالي 2 كيلو فولت من الجهد المتسارع ومع تيار الإلكترون 50-100 pA. تطبيق إعدادات تحييد الشحن لمواجهة تأثيرات الشحن عند الضرورة.

4. اختبار الشد من عينات صفح UD

  1. قياس القبضات لتحديد الفرق بين قيمة الموقع الأولي crosshead والمسافة بين حيث يتصل العينة قبضة أعلى وأسفل تحت الحد الأدنى من التوتر. اقرأ موقع التقاطع من برنامج الاختبار. حساب طول مقياس فعال من هذا عن طريق قياس طول المقياس الفعال في هذا الموقع المتصالب. أضف الإزاحة (مقدار الإزاحة) إلى موقع التقاطع لتحديد طول المقياس الفعال (طول المقياس الفعال المقيس ناقص موقع الرأس المتصالب).
  2. عدد العينات المعدة وفقا للقسمين 1 و 2 مع علامة دائمة لينة ذات الرؤوس بحيث يكون الترتيب الذي تم إعدادها واضحة. وضع علامة على معلومات أخرى أيضاً، مثل تاريخ الإعداد والتوجيه.
    ملاحظة: للعينات المستخدمة هنا أبعاد 30 مم × 400 مم - ولكن أبعاد العينة قد تختلف بالنسبة للمواد الأخرى - وتم الحصول عليها إما عن طريق اتباع القسم 1 أو القسم 2. إذا كانت العينات لا يمكن استخدامها على الفور، تخزينها في الظلام، موقع المحيطة.
  3. إذا تم قياس الضغط باستخدام مقياس شدة الفيديو، قم بوضع علامة يدوية على نقاط المقياس بعلامة دائمة، باستخدام قالب للاتساق، كما هو موضح في الشكل التكميلي 5a،لإعطاء نقاط لمقياس كثافة الفيديو لتتبع، وبالتالي، قياس سلاله. إذا كان سيتم حساب السلالة من إزاحة الرأس المتصالب، تخطي هذه الخطوة.
  4. تحميل العينة في وسط قبضة كابستان.
    1. إدراج نهاية العينة من خلال الفجوة في كابستان ووضع نهاية العينة في خط قبضة رسمها في الخطوة 1.9، كما هو مبين في الشكل التكميلي 5b. الحرص على مركز العينة على قبضة كابستان عن طريق محاذاة مركز العينة داخل ما يقرب من 1 ملم من مركز قبضة كابستان.
    2. تحويل كابستان إلى الموقف المطلوب، والتأكد من الحفاظ على العينة تتمحور. استخدم جهاز الشد — على سبيل المثال، مغناطيس ًا يوضع على العينة إذا كانت المقابض ممغنطة — للحفاظ على العينة في مكانها برفق، وقفل الكابستان في مكانه بدبابيس القفل.
    3. كرر الخطوتين 4.4.1 و 4.4.2 للنهاية الأخرى للعينة.
  5. تطبيق التحميل المسبق من 2 N، أو بعض الحمل الصغيرة الأخرى بشكل مناسب.
  6. تسجيل إزاحة الرأس المتصالب/طول المقياس الفعلي.
  7. برنامج أداة لإجراء اختبار الشد، بمعدل ثابت من تمديد 10 ملم / دقيقة، وذلك باستخدام مقياس شدة الفيديو أو الإزاحة عبر الرأس لتسجيل سلالة، واضغط على البدء في الاختبار.
  8. مراقبة العرض وإيقاف الاختبار عندما تكون العينة قد كسرت، كما يتضح من فقدان 90٪ في التحميل الملاحظ على الشاشة. تسجيل أقصى قدر من الإجهاد، وهو نفس الإجهاد الفشل بسبب طبيعة المواد، وسلالة الفشل المقابلة. كرر الخطوات 4.3-4.8 للعينات المتبقية.
  9. حفظ العينات المكسورة لمزيد من التحليل.
  10. التحقق من الإجهاد عند الفشل كدالة لعدد العينة ووضع العينة الأصلية في المواد، فضلا عن مؤشرات أخرى من البيانات إشكالية، على سبيل المثال، نقاط البيانات التي تحيد للغاية عن توزيع Weibull18، و التحقيق في الأسباب المحتملة، مثل العينات التالفة أثناء التحضير أو المناولة، قبل المتابعة.

5 - إعداد عينات لتجارب الشيخوخة

  1. بدء تجربة الشيخوخة
    1. حساب الكمية الإجمالية من المواد اللازمة للدراسة لكل حالة بيئية واستنادا إلى خطة استخراج عينة من كل شهر لمدة 12 شهرا.
      ملاحظة: لهذه الدراسة، تم استخدام 40 عينة لكل استخراج وما مجموعه 12 عملية استخراج لأغراض التخطيط.
    2. خفض المبلغ الإجمالي للمواد اللازمة لكل شرط. قطع كل قطاع واسعة بما فيه الكفاية لاستيعاب العدد المطلوب من العينات بالإضافة إلى ما لا يقل عن 10 ملم.
      ملاحظة: سيتم اقتطاع 5 مم إضافية من المواد من كل جانب من العينة قبل إجراء اختبار الشد. يتم استخدام المواد الإضافية لأن حواف العينات قد تكون معطوبة بسبب المناولة أثناء بروتوكول الشيخوخة.
    3. وضع قطع شرائط الشيخوخة في الصواني لوضعها في غرفة البيئة كما هو مبين في الشكل التكميلي 5c. الصواني المستخدمة في هذه الدراسة يمكن أن تعقد كل ما يقرب من 120 شرائط.
    4. حدد شروط التعرض للدراسة البيئية استناداً إلى الاستخدام المتوقع وبيئة التخزين للمواد2.
      ملاحظة: في هذه الدراسة، تم استخدام اسميا 70 درجة مئوية في الرطوبة النسبية 76٪ (RH).
    5. برنامج غرفة بيئية لظروف درجة حرارة الغرفة الجافة (على سبيل المثال، حوالي 25 درجة مئوية في 25٪ RH). السماح للغرفة لتحقيق الاستقرار في هذه الظروف، ومن ثم، وضع علبة عينة على رف في الغرفة، بعيدا عن الجدران وأي مواقع في الغرفة التي يبدو أن جذب التكثيف.
    6. برنامج الغرفة البيئية إلى درجة الحرارة المطلوبة كما هو محدد في الخطوة 5.1.4، وترك الرطوبة حوالي 25٪ RH.
    7. مرة واحدة وقد استقرت الغرفة في درجة الحرارة المستهدفة من الخطوة 5.1.4، برنامج الغرفة لزيادة الرطوبة إلى المستوى المطلوب كما هو محدد في الخطوة 5.1.4.
    8. تحقق من الغرف يوميا للتأكد من أن إمدادات المياه والترشيح كافية، ونلاحظ عندما يتم ملاحظة ظروف خارج التسامح. تسجيل الانحرافات والانقطاعات في سجل على الجزء الأمامي من كل غرفة أو في دفتر ملاحظات قريب هو ممارسة جيدة.
    9. كرر الخطوات 5.1.5-5.1.8 لجميع العينات الأخرى ذات الأهمية.
  2. استخراج شرائط المواد الذين تتراوح أعمارهم بين لتحليلها
    1. عندما تكون على استعداد لاستخراج شرائط المواد الذين تتراوح أعمارهم بين غرفة البيئية للتحليل، أول برنامج الغرفة لخفض الرطوبة النسبية إلى ما يقرب من 25٪ RH.
    2. بعد أن استقرت الغرفة البيئية في حالة الرطوبة المنخفضة، برنامج درجة الحرارة إلى انخفاض، تقريبا، درجة حرارة الغرفة أو 25 درجة مئوية. تمنع هذه الخطوة التكثيف عند فتح باب الغرفة.
    3. بمجرد استقرار الغرفة البيئية في ظروف الخطوة 5.1.5، فتح الغرفة، وإزالة علبة تحتوي على شرائط المواد القديمة من الفائدة، وإخراج الشرائط المطلوبة، ووضعها في حاوية المسمى.
    4. أعد الدرج إلى غرفة البيئة.
    5. وبعد الإجراء الوارد في الخطوتين 5-1-6 و5-1-7، نعيد الغرفة إلى شروط الاهتمام، إذا استمرت دراسة الشيخوخة. إذا لم يكن كذلك، ثم قد تبقى في الحالة المحيطة اسميا.
    6. تسجيل استخراج على سجل الغرفة، إذا كان يتم استخدام واحد.
    7. قطع العينات القديمة من شرائط المواد القديمة، بعد الخطوات 1.7-1.17.
    8. اختبار العينات كما هو موضح في القسم 4.

النتائج

تم إجراء العديد من التكرارات من القطع والاختبار للتحقيق في عدة متغيرات مختلفة. وتشمل بعض المتغيرات التي تم فحصها تقنية القطع وأداة القطع، ومعدل الاختبار، والبعد العينة، والقبضات. وكانت إحدى النتائج الحاسمة هي أهمية مواءمة العينات مع اتجاه الألياف. وترد أدناه مناقشة لإج...

Discussion

التحديد السليم لاتجاه الألياف أمر بالغ الأهمية. ميزة الأسلوب الموضح في الخطوات 1.4-1.6 من البروتوكول هو أن هناك سيطرة كاملة على عدد الألياف المستخدمة لبدء عملية الفصل. ومع ذلك، هذا لا يعني أن هناك سيطرة كاملة على عرض المنطقة المنفصلة النهائية، كما الألياف ليست موازية تماما ويمكن أن تعبر على ?...

Disclosures

يتطلب الوصف الكامل للإجراءات المستخدمة في هذه الورقة تحديد بعض المنتجات التجارية ومورديها. ولا ينبغي بأي حال من الأحوال تفسير إدراج هذه المعلومات على أنه يشير إلى أن هذه المنتجات أو الموردين تحظى بتأييد NIST أو توصي بها شركة NIST أو أنها بالضرورة أفضل المواد أو الأدوات أو البرامج أو الموردين للأغراض وصف.

Acknowledgements

يود المؤلفون أن ينوه ستيوارت لي فينيكس لمناقشاته المفيدة، ومايك رايلي لمساعدته في إعداد الاختبار الميكانيكي، وهانيويل للتبرع ببعض المواد. وقُدم التمويل لإيمي إنغلبريشت - ويغانز في إطار المنحة 70NANB17H337. تم توفير التمويل لـ Ajay Krishnamurthy في إطار المنحة 70NANB15H272. تم توفير التمويل لأماندا ل. فورستر من وزارة الدفاع من خلال الاتفاق المشترك بين الوكالات R17-643-0013.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
Capstan GripsUniversal grip company20kN wrap gripsCapstan grips used in testing
Ceramic knifeSlice10558
Ceramic precision bladeSlice00116
ClampIrwinquick grip mini bar clamp
Confocal Microscope
Cutting MatRotatrim A0 metric self healing cutting mat
Denton Desktop sputter coater sputter coater
FEI Helios 660 Dual Beam FIB/SEMFEI HeliosScanning electron microscope
Motorized rotary cutterChickadee
Rotary CutterFiskars49255A84
Stereo MicroscopeNationalDC4-456H
Straight edgeMcMaster Carr1935A74
Surgical Scalpel BladeSklar Instruments
Surgical Scalpel HandleSwann Morton
Universal Test MachineInstron4482Universal test machine
Utility knifeStanley99E

References

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

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

146

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved