CN100486473C - 保护性鞋类 - Google Patents

Abstract

一种为靴子(10)形式的保护性鞋类制品，保护使用者的脚(12)不受地雷爆炸的影响。在外鞋底(18)和内鞋底(20)之间的一个复合鞋底容积(16)中插入了冲击波导向件(28)，其材料具有高声速，其形式为玻璃带，从外鞋底(18)倾斜地沿侧向朝外在空间延伸到鞋底容积的一个侧面。带(28)被液体包围。在带(28)之上和内鞋底(20)之下，提供了一种具有低声速材料的屏障，如蛭石。对着脚底，环绕脚(12)提供了一种具有高声速的液体，如甘油，以保证进入脚的任何冲击波分量的有效转移，从脚离开。

Description

保护性鞋类

本发明涉及了保护性鞋类。它更具体地涉及了一种鞋类制品，用于保护穿鞋者不受地雷爆炸的影响，特别是杀伤性地雷爆炸的影响。

美国专利号3 243 898公开了一个脚底附加装置，它具有一个基本不变形金属的V形偏转板或楔板，具有一个在中间沿着使用者脚印长度延伸的倒置顶点。偏转板沿着其底部和外侧面包含在一个轻质木材块中，内部填充了一个消声器，并且包含在一个塑料外壳中。偏转板用于偏转爆炸地雷的力离开使用者的脚和下肢。

WO 01/18479A1公开了一个鞋类制品，包括：一个在穿鞋者脚底的下填充层，一个环绕脚的硬壳，以及一个环绕穿鞋者腿下部的上保护包裹层。填充层中插入一个基本不变形的偏转板，为金属薄板形式，定位成向上倾斜，沿侧向倾斜地偏转爆炸地雷的上喷效果。在偏转板底下设有一层“DETSHEET”，为一种爆燃材料，适于在承受爆炸地雷的冲击和压力波时引爆，以消耗首次的冲击和压力波，并且在某种程度上，消耗后续的爆炸效应。易碎材料层设在偏转板之上和“DETSHEET”之下。在偏转板和鞋类制品的内鞋底之间，以叠加方式设置了楔形的Kevlar浸渍纤维叠层板、耗能填塞材料，以及开口的蜂窝结构。一个软泡沫材料的袜子包裹了脚和下腿，作为硬外壳底下的软衬垫和保护性包裹层。

虽然申请人不希望为理论所约束，但仍然认为，理论上阐明有关地雷爆炸效应的某些概念将有助于读者理解发明者所起的创新作用和本发明中强调的原理。因此，以下简短说明某些相关的概念。

申请人已经理解到冲击波在本发明领域中起到一个重要的作用，与该领域中其他发明者相反，已经集中力量来了解和处理地雷爆炸的冲击波效应。

冲击波在某些方面相同于噪声波，例如，冲击波通过材料的传播与质量或质点的转移无关，它作为一个波进行传播。另外，通过材料的传播速度与材料的物理性能有关，在固体材料情形中，速度正比于材料的密度，反比于材料的杨氏模量。还有，申请人已经理解到，通过液体的传播速度不同于，并且一般低于通过“刚性”固体的速度，如通过陶瓷、金属之类的速度，但一般高于通过气体的速度，如通过空气的速度。还有，气体温度对声速起的作用是明显的，如在1000℃通过空气的声速为正常环境温度下通过空气声速的两倍以上。另外还有，通过“弹性”材料，如橡胶、某些合成聚合材料之类，声速意想不到地低。虽然已经熟知这类知识，但在本发明领域中，其他专家至今还没有理解或者还没有充分理解在本发明领域中的意义。

申请人理解的另一方面是，虽然与地雷爆炸有关的能量中仅约40％成为冲击波能量，但意想不到地，处理或管理冲击波能量对地雷爆炸产生的爆破波效应相关的主要能量部分(约60％)具有重要影响。这个现象说明如下。

按照本发明的第一方面，提供了一种方法，保护人脚不受脚底下地雷爆炸的影响，依靠在人穿的鞋类制品鞋底容积中嵌入相应倾斜的冲击波导向件，引导地雷爆炸造成的冲击波倾斜地离开上述脚。

有利的是，可以倾斜横向地朝外引导冲击波。

对此，应该理解到，对于本发明的目的，必须相对于正常方位下的鞋类制品来解释方向、方位等，即鞋类制品的脚趾端称为“前端”；脚跟端相应地称为“后端”；鞋底是在鞋类制品的下侧或底部；相应于穿用者大脚趾的鞋类制品侧面称为“内侧”，以及相应于穿用者小脚趾的鞋类制品侧面称为“外侧”。

相似地，在本专利说明中，相对于冲击波的传播来使用“上游”和“下游”名称。

可以选择冲击波导向件具有高的声速，高于3000m/s；最好是在6000m/s范围。

通过研究，该方法可以包括蒸发鞋底容积中所含液体来吸收热能。理想上，液体具有高潜热值和低沸点。水、含水混合物等均适用。液体可以靠近导向件。它可以包围导向件。

通过进一步研究，冲击波导向件可以是一个包括多个冲击波导向件的复合冲击波导向件，然后依靠多个导向件实现导向。每个冲击波导向件可以为含玻璃的刚性材料带形式，带沿着横向定位，容许沿着相邻带之间的横向弯曲线弯曲鞋类制品。

申请人意外地观察到，地雷爆炸的爆破波效应倾向于跟随着为冲击波的前导波方向。申请人理解到，冲击波引导着爆破波效应，因为冲击波的传播速率一般高于爆破波的传播速率。另外，不希望受理论约束，申请人认为，受适当控制的冲击波传播将造成材料的散裂，在本发明范围内，更具体是鞋类制品的复合鞋底外侧面的散裂。此时这种散裂造成射出由散裂松开的碎屑，碎屑造成跟随着碎屑的低压区域或低压路径。因此，由冲击波建立了一条阻力较小的路径。申请人曾主张，现在已为观察所证实，这种建立较小阻力路径的散裂影响着爆破波沿着上述较小阻力的路径跟随冲击波。因此，可以会聚各导向件集中被引导的冲击波来保证散裂。另外，冲击波导向件可以选择易于粉碎的材料。预期冲击波将使玻璃带开裂和粉碎。重要的是，冲击波传播的速度约6000m/s，远高于约为1500m/s的开裂或粉碎传播速度。因此，玻璃带足够有效地来引导冲击波，并且此后立即粉碎，有助于依靠爆破波把玻璃粉尘排出，由此还进一步促进建立一条较小阻力的路径。因此，如果引导冲击波倾斜地沿侧向离开受害者的身体，不仅使受害者有利于遇到减弱的冲击波，或者遇到较少程度的冲击波，而且也有利于遇到后续爆破波的较小部分。因此，引导冲击波离开身体具有预期的主要优点，但它也意外地导致以上有关后续爆破波的次要优点。

申请人认为，本发明首先提供了引导冲击波倾斜地沿侧向离开身体，但也提供了倾斜地沿侧向排出爆破波离开身体。

通过进一步的研究，方法可以包括依靠一个设在鞋底容积中导向件之上的固体挡板，从上面覆盖了导向件。挡板可以相应于导向件的方位为倾斜定位。依靠朝着鞋底容积顶部的一个整体的横卧翼缘板，把挡板固定。如果方位倾斜，挡板将作为冲击波的一个偏转板。

方法可以包括：依靠设置在冲击波导向件和鞋类制品内鞋底之间的一层具有小于约200m/s的低声速材料，在鞋类制品的鞋底容积中，沿朝着上述脚的方向减弱任何冲击波散射分量的传播。材料可以为蛭石形式，或者含蛭石的复合材料。申请人意外地了解到，蛭石具有接近于零的声速，它将特别有效地减弱甚至阻止冲击波的传播。

还通过进一步研究，方法可以包括：依靠沿着与脚底对着的脚面，与皮肤密切接触的一层浸泡材料来增强冲击波朝着脚的下游传播，材料层具有至少等于肌肉声速的声速。上述浸泡材料的声速可以高于水的声速。

这个特征应用了还未被其他发明者引起任何注意的现象。根据申请人的了解，至今所有注意力毫无例外地集中于减轻被保护人的身体(脚)上游的地雷爆炸效应，而对人脚的下游区均不注意。申请人注意到，地雷爆炸受害人所穿的靴子，在许多情形下，意想不到地一个靴子在鞋底区中实际上没有受损，而鞋面已粉碎。申请人得出结论：当冲击波达到不同光学/声密度的材料之间的界面时，冲击波的作用相似于光波。与直觉相反，申请人认为：运动通过较高声速材料和达到与较低声速材料的界面的声波从界面反射或偏转，至少部分地回到较高声速材料中。不希望受理论的约束，申请人认为：对此的原因是通过较高声速材料的阻力一般低于通过较低声速材料的阻力，因此趋向于反射或偏转。这种反射或偏转造成进入的声波和反射或偏转的声波之间相互干扰，可能引起共振和其他效应，使得靠近界面的较高声速材料中能量集中和最终散裂。

因此，申请人得出结论：在地雷爆炸受害者的脚中，一般不可能使脚完全屏蔽冲击波。因此，通过受害者脚传播的冲击波，在脚的上表面遇到较小声速的材料，即空气，使冲击波反射或偏转，因此造成在脚中散裂，也造成在靴子的鞋面中散裂。申请人认为：这可能阐明了为什么一个地雷爆炸受害者的脚和脚的下游具有意想不到的大结构损伤。

因此，申请人建议提供一个介质或材料，其声速高于通过受害者脚的声速，以促进冲击波通过界面转移或传播到下游介质中。申请人预期：这将大大减轻进入受害者身体(脚)的冲击波的破坏效应。申请人认为：散裂会发生，但在较高声速材料与环境空气的界面的下游，最终的散裂对受害者的脚没有过度的影响。

申请人也了解到，人的骨头具有比人的肌肉较高的声速，穿透受害者脚的冲击波趋向于优先于受害者肌肉沿着受害者骨头传播。这可能造成冲击波趋向沿着受害者的下腿骨朝上传播。因此，申请人建议：环绕下腿延伸较高声速材料到较高的高度，最好是至少稍高于靴子的上端。

因此该方法可以包括：包括一层与人穿袜子相结合的浸泡材料。

按照本发明的第二方面，提供了一种人的保护性鞋类制品，它具有一个复合的鞋底，包括：一个沿着鞋类制品一端的外鞋底，一个安放使用者脚的相隔开的内鞋底，以及一个在外鞋底和内鞋底之间的鞋底容积，在上述鞋底容积中，复合鞋底包括一个冲击波导向件，定向成引导由地雷爆炸造成的冲击波倾斜地离开上述使用中的脚。

最好是，冲击波导向件从外鞋底附近倾斜地朝上延伸到复合鞋底的侧面朝外端。

冲击波导向件可以是声速高于3000m/s的固体材料，最好是达到约6000m/s或更大。因此，冲击波导向件可以是玻璃，或者包含玻璃。或者是，它可以是陶瓷材料的形式。

通过研究，复合鞋底容积可以包含接近冲击波导向件的液体。液体可以是凝胶、黏性液体之类的形式。液体可以是，或者包含水和酒精的混合物，例如在约50％到约90％之间的水，最好是约70％的水。

通过进一步的研究，冲击波导向件可以是包括多个冲击波导向件的复合结构。每个冲击波导向件可以为刚性玻璃或含刚性玻璃材料的带的形式，带沿横向定位，设置成相互靠近，容许鞋类制品沿着相邻带之间的横向弯曲线弯曲。或者是，带可以是陶瓷材料。

复合鞋底可以插入一个覆盖冲击波导向件的挡板，它也作为一个偏转板大致沿着侧向朝外偏转冲击波。挡板可以相应于冲击波导向件倾斜地定向。挡板可以是一种坚固的片材，例如，如Kevlar的合成材料，如钛、铝、镁或镁合金之类轻合金的金属。

挡板可以与一个固定构件形成整体，以把它固定在鞋底容积中。固定构件可以大致横卧在内鞋底之下。

还通过进一步的研究，鞋类制品最好在冲击波导向件和内鞋底之间包括一层声速低于约200m/s的阻挡材料。阻挡材料可以是蛭石，或者是含蛭石的复合材料。

还通过进一步的研究，鞋类制品可以包括一个环绕脚的鞋面，确定了一个在内鞋底之上的脚的空腔，以及一层液体形式的浸泡材料，它具有等于或高于肌肉声速的声速，对着使用中的脚底，设置成在脚面上与皮肤紧密接触。

浸泡材料可以具有高于水声速的声速。浸泡材料可以是甘油或者可以包括甘油。浸泡材料可以包含在一个如垫或袋的封闭的柔性容器中。

通过研究，如果需要，可以提供浸泡材料在颗粒或纤维材料之中，纤维材料具有高于浸泡材料声速的声速，如玻璃纤维纱。因此，可以用玻璃纤维纱填充或填塞袋或垫，甘油可以完全排出所有空气或其他气体来填充袋或垫。

因此，本发明扩大为组合一个含有这种浸泡材料的鞋类制品和一个袜子，浸泡材料包含在袜子中。袜子可以是薄的聚氨酯材料，袜子和垫、袋之类可以设置成也沿着使用者的腿延伸，例如从使用者的脚脖子朝上，有利地延伸到高于鞋类制品上端的高度上。

现在参照附图，通过举例来描述本发明。图中：

图1以正剖面图表示了人的一个脚，位于本发明保护性靴子形式的鞋类制品内；以及

图2以侧剖视图表示了图1的设置。

参照附图，用编号10概括地表示了一个本发明保护性靴子形式的鞋类制品。在图中用脚12代表的人使用了靴子10。

保护性靴子10具有一个在复合的厚鞋底之上的鞋面14，鞋底用编号16概括表示，并且包括一个在其底部的外鞋底18，一个在复合鞋底16顶部的内鞋底22，紧接在由鞋面14规定的一个脚容积38的下面。靴子10还包括一个与使用者大脚趾相关的内侧面22以及一个对着的外侧面24。在内、外鞋底之间和内、外侧面之间确定了一个鞋底容积26。如上所述，鞋底容积26的厚度或高度相当大。另外，复合鞋底16大致为钟形，从外鞋底朝内鞋底逐渐变细。

按照本发明的第一方面，在鞋底容积26内以特定位置和特定方向提供了一个包括多个冲击波导向件28的复合冲击波导向件。冲击波导向件28为细长形状，有利地采取多个窄玻璃带的形式。带设置成三个(作为举例)倾斜层28.1、28.2和28.3。在每一层，设有多个带，一个接一个沿着横向具有很小的间隔。在相邻的刚性带之间，形成横向弯曲线，容许鞋底沿着上述弯曲线弯曲。

相关层的上游端设置成大致横越外鞋底的宽度，并且位置靠近鞋底。各层朝着其上部侧向外端集中，使得在其下游端，各个带紧密靠近，甚至接触。冲击波导向件28为玻璃，即具有高声速的材料，以促进冲击波的传播沿着导向件而不是横越导向件。

通过研究，有利地是，被冲击波导向件28占有的鞋底26区还包含液体、凝胶、黏性液体之类，它们具有高的蒸发潜热和低的沸点。在本例中，液体是70-30质量比的水和酒精(甲醇)混合物。或者是，液体可以包含具有较高声速的甘油。

因此冲击波导向件被液体包围，使得如空气的气体被排出，在鞋底容积区域内不存在。

特别重要的是，有效地进行从外鞋底到导向件28的冲击波转移。由于导向件上游端接近鞋底，以及由于液体的存在，促进了这一点。

在一个供替代实施例中，玻璃带可以大致相互平行，如与外鞋底的总体平面成30°左右。因此，也在其下游端在较大面积上隔开。这具有的优点是散裂发生在较大面积上，建立了一条对爆破波较小阻力的更有效路径。

另外，可供选择地，包含冲击波导向件28和液体30的鞋底容积的一部分被一个倾斜挡板或偏转板32覆盖，它大致从复合鞋底16的内下端朝着复合鞋底16的外上角延伸。最好是，挡板32以整体方式延伸成一个固定件34，大致紧接在内鞋底20下面横卧地延伸。挡板32和固定件34方便地为弯曲板材的形式，如钛、铝、铝合金之类。

但是最好是，挡板32形式可以是嵌在确定了挡板形状的环氧树脂中的碳纤维或Kevlar纤维。有利地按间隔编成在挡板和固定件之间的V形空间，以提高机械强度和刚度。

在这个研究阶段，申请人不能确定关于这种挡板的有效性。申请人预期，挡板可以有利地被相应的玻璃层替代。申请人担心，在不利条件下，挡板会成为一个发射体，可能造成伤害而不是好处。

按照本发明，在挡板32之上和在内鞋底20之下的鞋底容积26区域中，提供了具有极低声速的材料，以提供一个冲击波屏障。申请人意外地发现，蛭石的声速是零或者接近零，为此采用蛭石是有利的。这种材料在图中用编号36表示，并且最好是为粗蛭石碎块形式，与聚氨酯黏结合成橡胶压缩和结合在一起。预成形的压缩块用内部捆扎材料增强，给出冲击波屏障的最大物理强度，而不会取消蛭石的极低冲击波传递性能。捆扎材料可以是Kevlar布，用异戊二烯之类的合成橡胶黏结材料浸渍。

另外按照本发明，在脚12的上面和侧面与鞋面14之间提供了一个空间，其容积填充了液体，最好是能够占有脚12形状的液体或半液体，使得它能够与皮肤紧密接触，并且具有高的声速，即高于皮肤的声速，例如甘油或甘油混合物。如甘油的液体包含在垫或袋40中。垫40可以具有极薄和强的聚氨酯外蒙皮。通过研究，垫40可以填充大量的玻璃纤维纱，然后甘油包围了玻璃纤维纱和保证所有空气被排出。

有利的是，垫40装在或固定在穿用者以通常方式穿的聚氨酯薄袜子上。

重要的是要理解到，虽然在脚12底之下面积上没有这种垫，但垫环绕着脚12的侧面和顶面，以及背面，并且环绕着腿13延伸到至少稍高于靴子顶部的高度。

极为重要的是，在脚的皮肤和垫的内表面之间建立密切接触。因此建议，垫具有过量的容积，靴子环绕脚和腿系得相当紧，把垫压缩在脚和腿的表面上，过量的容积被排出到靴子上端之上。

总起来说，申请人认为：包括保护性靴子10和具有垫40的袜子的保护系统一般作用如下：

地雷爆炸产生的冲击波被冲击波导向件转向或导出，并且被作为热吸收介质的环绕冲击波导向件的液体进一步减弱。它们可以集中在复合鞋底的横向朝外端，使侧面24散裂。在另一个实施例中，它们可以不集中，以引起在较大面积上的散裂。改变前导冲击波的方向还建立了一条爆破产物跟随着从脚离开的路径。选择方向远离受害者身体的脆弱部分。因此爆破波的力及其产物跟随着已建立的较小阻力方向。可能是，挡板保护脚不受过大压力和硬的爆破产物。任何残余或散射的冲击波分量可能通过挡板，或者如果没有挡板时通过导向件，它们被蛭石屏障阻挡或大大减弱。促进穿透受害者脚和脚脖子的残余冲击波分量通过脚，并且进入甘油垫而不损失过度的能量，尽管通过脚但不在脚中散裂。宽的靴子底部把能量吸收层分布在鞋底的地面接触部分上，如果地雷不适当地在靴子底下爆炸时防止炸后效应。

申请人认为：本发明结合了许多新的、创造性的非常有效的方法，在一个精巧和实用的实施例中改善了地雷爆炸对人体的影响。

Claims (25)

1.一种保护人脚不受脚底下地雷爆炸影响的方法，包括：

依靠在人穿的鞋类制品鞋底容积中嵌入相应倾斜的冲击波导向件，引导由地雷爆炸造成的冲击波倾斜地离开上述脚，冲击波导向件的材料具有至少大于3000m/s的声速；

在低于上述冲击波导向件材料声速的裂纹传播速度下，依靠上述冲击波使冲击波导向件的材料开裂，并且在冲击波导向件的下游端散裂上述材料，建立一条对跟随冲击波的爆破波阻力较小的路径；

使得跟随冲击波的后续爆破波沿着上述较小阻力路径，并且去除上述已开裂材料来使上述路径打开；

依靠设置在冲击波导向件和鞋类制品的内鞋底之间的一层声速低于200m/s的低声速材料，把冲击波的任何散射分量偏转回到导向件中，并且在鞋类制品的鞋底容积中沿朝着上述脚的方向衰减冲击波的任何上述散射分量的传播。

2.如权利要求1的方法，其中按照冲击波导向件的倾斜朝外方位，倾斜地沿侧向朝外引导冲击波。

3.如权利要求1或2的方法，其中冲击波导向件选择成具有在6000m/s或更高范围内的声速。

4.如权利要求1或2的方法，包括由包含在鞋底容积中的蒸发液体来吸收热能。

5.如权利要求4的方法，其中液体靠近导向件。

6.如权利要求1或2的方法，其中依靠具有多个相互并排的冲击波导向件的一个复合冲击波导向件，以沿着相互并排的多个路径的复合方式，产生上述冲击波的引导、冲击波材料的开裂和较小阻力路径的建立。

7.如权利要求6的方法，其中每个冲击波导向件为刚性的含玻璃材料的带形式，带沿横向定位，以容许鞋类制品沿着相邻带之间的横向弯曲线弯曲。

8.如权利要求1或2的方法，其中具有低声速的上述材料层为蛭石形式，或者含蛭石的复合材料。

9.如权利要求1或2的方法，其中包括：沿着与脚底对着的脚面，依靠与皮肤密切接触的一层浸泡材料来增强冲击波朝着脚的下游传播，材料层具有至少等于肌肉声速的声速。

10.如权利要求9的方法，其中上述浸泡材料的声速高于水的声速。

11.如权利要求9的方法，其中包括一层与人穿袜子相结合的浸泡材料。

12.一种人穿的保护性鞋类制品，具有一个复合的鞋底，该鞋底包括：一个沿着鞋类制品一端的外鞋底，一个安放使用者脚的相隔开的内鞋底，以及一个在外鞋底和内鞋底之间的鞋底容积，在上述鞋底容积中，复合鞋底包括

一个冲击波导向件，该冲击波导向件定向成引导由地雷爆炸造成的冲击波倾斜地离开上述使用中的脚，冲击波导向件是具有至少高于3000m/s的声速的固体材料；

一层在冲击波导向件和内鞋底之间的具有低于200m/s的低声速的阻挡材料，所述冲击波导向件的固体材料在低于其声速的裂纹传播速度下易于被冲击波开裂并粉碎，使得冲击波导向件的粉碎的材料散裂在冲击波导向件的下游端并转移，以建立对爆破波阻力较小的路径。

13.如权利要求12的鞋类制品，其中冲击波导向件从靠近外鞋底的一个侧向内部位置倾斜地朝上延伸到复合鞋底的侧面朝外端。

14.如权利要求12或13的鞋类制品，其中冲击波导向件具有在6000m/s或更高范围内的声速。

15.如权利要求14的鞋类制品，其中冲击波导向件是选自玻璃和陶瓷的材料，或者包含选自玻璃和陶瓷的材料。

16.如权利要求12或13的鞋类制品，其中复合鞋底容积包含接近冲击波导向件的液体。

17.如权利要求12或13的鞋类制品，其中冲击波导向件是包括多个相互并排延伸的冲击波导向件的复合结构。

18.如权利要求17的鞋类制品，其中每个冲击波导向件为刚性材料带的形式，选自玻璃或含玻璃材料、或陶瓷材料，该带沿横向定位，设置成相互靠近，以容许鞋类制品沿着相邻带之间的横向弯曲线弯曲。

19.如权利要求12或13的鞋类制品，其中阻挡材料是蛭石，或者是含蛭石的复合材料。

20.如权利要求12或13的鞋类制品，其中包括一个环绕脚的鞋面，确定了一个在内鞋底之上的脚的空腔，以及一层液体形式的浸泡材料，它具有等于或高于肌肉声速的声速，设置成在与使用中脚底对着的脚面上与皮肤紧密接触。

21.如权利要求20的鞋类制品，其中浸泡材料具有高于水声速的声速。

22.如权利要求21的鞋类制品，其中浸泡材料是甘油或者包括甘油。

23.如权利要求20的鞋类制品，其中浸泡材料包含在一个如垫或袋的封闭柔性容器中。

24.如权利要求20的鞋类制品，其中浸泡材料提供在颗粒或纤维材料之中，所述材料具有高于浸泡材料声速的声速。

25.如权利要求20的一个鞋类制品以及一个袜子构成的一种组件，其中浸泡材料包含在袜子中。

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