Schneidverfahren, Zugprüfung und Alterung flexibler unidirektionaler Verbundlaminate

Zusammenfassung

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.

Zusammenfassung

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.

Einleitung

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 Arbeit^1,2konzentrierte 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 Feuchtigkeit^1,2, 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 Alterung^1,2,8. 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 Probe^9,10,11. 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 Körperpanzerung^9,13verwendet 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 Gewebenormen^14,15, 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.

Protokoll

1. Schneidverfahren für Kettrichtungsproben, die senkrecht zur Achse der Rolle geschnitten werden

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. Mit einem medizinischen Skalpell entlang der freiliegenden Kreuzfasern schneiden, wodurch das Stück Vorläufermaterial von der Schraube getrennt wird.
   1. 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.
8. 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).
9. 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.
10. 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.
11. 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.
    1. 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.
    2. 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.
12. 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.
    1. 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.
    2. 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.
13. 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.
14. 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.
15. 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.
16. 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.
17. 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.

1. 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.
   1. Bestimmen Sie die Faserrichtung entlang des Schusses für die Breite des Interesses, indem Sie den Anweisungen aus den Schritten 1.4–1.6 folgen.
   2. 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.
2. 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.
3. 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

1. 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.
2. Montieren Sie die Proben auf dem SEM-Probenhalter, indem Sie sie mit einer Pinzette auf geeignetem doppelseitigem Carbonband anbringen.
3. 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.
4. 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

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. Laden Sie die Probe in die Mitte der Capstan-Griffe.
   1. 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.
   2. 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.
   3. Wiederholen Sie die Schritte 4.4.1 und 4.4.2 für das andere Ende der Probe.
5. Tragen Sie eine Vorspannung von 2 N oder eine andere entsprechend kleine Last auf.
6. Zeichnen Sie die Kreuzkopfverschiebung/tatsächliche Messlänge auf.
7. 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.
8. 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.
9. Speichern Sie die gebrochenen Proben für die weitere Analyse.
10. 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

1. Beginn eines Alterungsexperiments
   1. 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.
   2. 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.
   3. 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.
   4. 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.
   5. 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.
   6. Programmieren Sie die Umgebungskammer auf die gewünschte Temperatur, wie in Schritt 5.1.4 bestimmt, so dass die Luftfeuchtigkeit etwa 25% RH.
   7. 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.
   8. 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.
   9. Wiederholen Sie die Schritte 5.1.5–5.1.8 für alle anderen Voninteressesproben.
2. Extraktion alter Materialstreifen zur Analyse
   1. 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.
   2. 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.
   3. 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.
   4. Geben Sie das Tablett in die Umweltkammer zurück.
   5. 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.
   6. Zeichnen Sie die Extraktion auf dem Kammerprotokoll auf, wenn eine verwendet wird.
   7. Schneiden Sie die gealterten Proben aus den gealterten Materialstreifen, nach den Schritten 1.7–1.17.
   8. Prüfen Sie die Proben wie in Abschnitt 4 beschrieben.

Ergebnisse

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.<...

Diskussion

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, häu...

Materialien

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