CN101662963A - 防护头盔 - Google Patents

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Abstract

由两种类型的在多层纤维材料中的高韧性纤维形成的头盔壳体。纤维材料的形式是树脂基体中的纤维网络层。存在着多个每种类型的纤维层。优选地，纤维层的外组由芳族聚酰胺纤维形成并且纤维层的内组由高韧性聚烯烃纤维形成。还可使用第三种类型的纤维材料作为另一组纤维并且用作头盔壳体的外层。第三种类型的纤维层由也在树脂基体中的玻璃纤维形成。头盔重量轻，具有极好的耐弹道性能并且可用于军事和非军事应用。

Description

防护头盔
技术领域
本发明涉及防护头盔，其可用于军事、法律执行及其他应用。
背景技术
防护头盔众所周知。这样的头盔已经被用于军事和非军事应用。后者的实例包括法律执行使用、运动使用及其他各类安全头盔。用于军事和法律执行使用的防护头盔，特别地，需要是耐弹道的。
目前最流行的军事头盔由芳族聚酰胺纤维形成，通常的形式是数层芳族聚酰胺纤维和树脂材料如酚醛树脂。由芳族聚酰胺(aramid)纤维形成的头盔例如公开在美国专利4,199,388、4,778,638和4,908,877中。虽然这样的头盔通常性能令人满意，但是它们是相当重的。
将令人期望的是提供一种防护头盔，其具有减轻的重量以及具有对抗威胁抛射体的提高的耐弹道性。
发明内容
根据本发明，提供了一种模制的头盔，其包括壳体，该壳体从外至内包括：
第一多个纤维层，该纤维层包括在第一树脂基体中的高韧性纤维的网络，该高韧性纤维包括聚烯烃纤维或芳族聚酰胺纤维；和
附着于第一多个纤维层的第二多个纤维层，所述第二多个纤维层包括在第二树脂基体中的高韧性纤维的网络，该高韧性纤维包括聚烯烃纤维或芳族聚酰胺纤维，前提是当第一多个纤维层的纤维包括聚烯烃纤维时，那么第二多个纤维层的纤维包括芳族聚酰胺纤维，并且当所述第一多个纤维层的纤维包括芳族聚酰胺纤维时，那么第二多个纤维层的纤维包括聚烯烃纤维。
此外，根据本发明，提供了一种模制的头盔，其包括壳体，该壳体从外至内包括：
第一多个纤维层，该纤维层包括在第一树脂基体中的玻璃纤维；
附着于第一多个纤维层的第二多个纤维层，第二多个纤维层包括在第二树脂基体中的高韧性纤维的网络，该高韧性纤维包括聚烯烃纤维或芳族聚酰胺纤维；和
附着于第二多个纤维层的第三多个纤维层，第三多个纤维层包括在第三树脂基体中的高韧性纤维的网络，该高韧性纤维包括聚烯烃纤维或芳族聚酰胺纤维，前提是当第二多个纤维层的纤维包括聚烯烃纤维时，那么第三多个纤维层的纤维包括芳族聚酰胺纤维，并且当第二多个纤维层的纤维包括芳族聚酰胺纤维时，那么第三多个纤维层的纤维包括聚烯烃纤维。
进一步根据本发明，提供了一种用于形成头盔壳体的方法，包括以下的步骤：
向模具提供第一多个纤维层，该纤维层包括在第一树脂基体中的高韧性纤维的网络，该高韧性纤维包括聚烯烃纤维或芳族聚酰胺纤维；
向模具提供第二多个纤维层，第二多个纤维层包括在第二树脂基体中的高韧性纤维的网络，该高韧性纤维包括聚烯烃纤维或芳族聚酰胺纤维，前提是当第一多个纤维层的纤维包括聚烯烃纤维时，那么第二多个纤维层的纤维包括芳族聚酰胺纤维，并且当第一多个纤维层的纤维包括芳族聚酰胺纤维时，那么第二多个纤维层的纤维包括聚烯烃纤维；和
向第一多个纤维层和第二多个纤维层施加热量和压力，借此第一多个纤维层附着于第二多个纤维层而由此形成整体头盔壳体。
更进一步根据本发明，提供了一种用于形成头盔壳体的方法，包括以下的步骤：
向模具提供第一多个纤维层，该纤维层包括在第一树脂基体中的玻璃纤维；
向模具提供第二多个纤维层，第二多个纤维层包括在第二树脂基体中的高韧性纤维的网络，该高韧性纤维包括聚烯烃纤维或芳族聚酰胺纤维；
向模具提供第三多个纤维层，第三多个纤维层包括在第三树脂基体中的高韧性纤维的网络，该高韧性纤维包括聚烯烃纤维或芳族聚酰胺纤维，前提是当第二多个纤维层的纤维包括聚烯烃纤维时，那么第三多个纤维层的纤维包括芳族聚酰胺纤维，并且当第二多个纤维层的纤维包括芳族聚酰胺纤维时，那么第三多个纤维层的纤维包括聚烯烃纤维；和
向第一多个纤维层、第二多个纤维层和第三多个纤维层施加热量和压力，第一多个纤维层附着于第二多个纤维层并且第二多个纤维层附着于第三多个纤维层而由此形成整体头盔壳体。
已经发现通过使用两单独组的高强度纤维的纤维网络，可以生产重量较轻的头盔。此外，通过使用第三组的玻璃纤维的纤维网络，可以显著地降低头盔成本。本发明的头盔具有极好的耐弹道性并且能够使抛射体变形和捕捉破碎的或变形的抛射体。头盔提供了用于弹道保护的必要的保护系统，而且可被用于非弹道应用。
优选地，对于由两多个层形成的结构，外层由芳族聚酰胺纤维形成并且内层由高韧性聚烯烃纤维(更优选地，高韧性聚乙烯纤维)形成。对于三部分组成的头盔材料，外层由多个玻璃纤维层形成，中间层优选地由多个芳族聚酰胺纤维层形成，和内层优选地由多个高韧性聚烯烃纤维(更优选地，高韧性聚乙烯纤维)形成。
具体实施方式
本发明的防护头盔包括多个层的高强度芳族聚酰胺纤维网络和多个层的高强度聚烯烃纤维网络。如上所述的，它们还可包括多个层的玻璃纤维网络。
对于本发明的目的，纤维是这样的伸长体，其长度尺寸远远大于宽度和厚度横向尺寸。因此，术语纤维包括单丝、复丝、丝带(ribbon)、条带(strip)、切段纤维(staple)和具有规则或不规则横截面的切碎、切断或不连续纤维等其它形式。术语″纤维″包括多个上述任何一个或其组合。纱线为由许多纤维或纤丝组成的连续丝束。
如本文中使用的，术语“高韧性纤维”是指韧性等于或大于约7g/d的纤维。优选地，这些纤维具有至少约150g/d的初始拉伸模量和按ASTMD2256测量的至少约8J/g的断裂能。如本文中使用的，术语“初始拉伸模量”、“拉伸模量”和“模量”，对于纱线是指按ASTM 2256测量的弹性模量，而对于弹性体或基体材料是指按ASTM D638测量的弹性模量。
优选地，高韧性纤维具有等于或大于约10g/d的韧性，更优选等于或大于约15g/d，甚至更优选等于或大于约20g/d，和最优选等于或大于约25g/d。
本文中有用的纤维的横截面可广泛变化。它们的横截面可为圆形、扁平或椭圆形。它们还可为具有从长丝的线性或纵向轴突出的一个或多个规则或不规则凸起的不规则或规则多凸起横截面。特别优选地，纤维具有基本上圆形、扁平或椭圆形横截面，最优选地，纤维具有基本上圆形横截面。
本文中使用的高韧性纤维的纱线可以具有任何合适的旦数，例如，约50-约5000旦，更优选地约200-约5000旦，更加优选地约650-约3000旦，和最优选地约800-约1500旦。
优选地，本发明的纤维网络的形式是织造、针织或非织造织物。优选地，多个层的高韧性纤维中的层中的至少约50wt％的纤维是高韧性纤维。更优选地，多个层的高韧性纤维中的层中的至少约75wt％的纤维是高韧性纤维。最优选地，多个层的高韧性纤维中的层中的全部或基本上全部的纤维是高韧性纤维。
根据本发明，头盔壳体由不同弹道材料的层形成。优选地，存在着由一种类型的高韧性纤维形成的一组纤维层并且存在着由第二种类型的高韧性纤维形成的第二组纤维层。这些纤维是芳族聚酰胺纤维或者聚烯烃纤维。聚烯烃纤维优选地是高韧性聚乙烯纤维和/或高韧性聚丙烯纤维。最优选地，聚烯烃纤维是高韧性聚乙烯纤维，亦称伸长链聚乙烯纤维或高度取向的高分子量聚乙烯纤维。本文中有用的芳族聚酰胺和聚烯烃纤维是已知的并且具有极好的耐弹道的性能。
美国专利4,457,985总体上讨论了高分子量聚乙烯纤维和聚丙烯纤维，本文引入该专利的公开内容作为参考至与本文一致的程度。在聚乙烯纤维的情况下，合适的纤维为重均分子量为至少约150,000、优选至少约一百万和更优选在约两百万和约五百万之间的那些。这样的高分子量聚乙烯纤维可在溶液中纺丝(参见美国专利4,137,394和美国专利4,356,138)，或为从溶液纺丝而形成凝胶结构的长丝(参见美国专利4,413,110，德国Off.No.3,004,699和GB专利No.2051667)，或聚乙烯纤维可通过辊轧和拉丝过程产生(参见美国专利5,702,657)。如本文中使用的，术语聚乙烯是指主要线型聚乙烯材料，其可能包含较少量的链分支或共聚单体(不超过约5个改性单元/每100个主链碳原子)，并且还可包含与其混合的不超过约50wt％的一种或多种聚合物添加剂，如烯烃-l-聚合物，尤其是低密度聚乙烯、聚丙烯或聚丁烯，包含单烯烃作为主要单体(primary monomers)的共聚物，氧化聚烯烃，接枝聚烯烃共聚物和聚甲醛(polyoxymethylenes)，或常掺入的低分子量添加剂，如抗氧化剂、润滑剂、防紫外线剂、着色剂等。
高韧性聚乙烯纤维是市售可得的并且在商标
Figure G2008800121672D00051
下由Honeywell International Inc.of Morristown，New Jersey，U.S.A.销售。还可使用其它来源的聚乙烯纤维。
取决于形成技术、拉伸比和温度以及其它条件，可为这些纤维赋予各种性能。聚乙烯纤维的韧性为至少约7g/d，优选至少约15g/d，更优选至少约20g/d，还更优选至少约25g/d，和最优选至少约30g/d。类似地，通过Instron拉伸测试机测量的纤维的初始拉伸模量优选为至少约300g/d，更优选至少约500g/d，还更优选至少约1,000g/d，和最优选至少约1,200g/d。初始拉伸模量和韧性的这些最高值通常只有通过使用溶液生长或凝胶纺丝过程才可得到。许多长丝具有比形成它们的聚合物的熔点高的熔点。因此，例如，约150,000、约一百万和约两百万分子量的高分子量聚乙烯通常具有在本体中的(in the bulk of)138℃的熔点。由这些材料制造的高度取向的聚乙烯长丝具有更高约7℃-约13℃的熔点。因此，熔点的轻微增加反映了与本体聚合物相比的长丝的结晶完整性和更高的结晶取向。
类似地，可使用重均分子量至少约200,000、优选至少约一百万和更优选至少约两百万的高度取向的高分子量聚丙烯纤维。可通过上文中提到的各种文献中描述的技术，尤其是通过美国专利4,413,110的技术将这类伸长链聚丙烯成形为合理良好取向的纤丝。由于聚丙烯为比聚乙烯结晶少得多的材料，并包含侧甲基，因此利用聚丙烯可获得的韧性值通常大大低于聚乙烯的相应值。因此，合适的韧性优选为至少约8g/d，更优选至少约11g/d。聚丙烯的初始拉伸模量优选为至少约160g/d，更优选至少约200g/d。聚丙烯的熔点通常通过取向过程提高几度，因而聚丙烯长丝优选具有至少约168℃、更优选至少170℃的主熔点。上述参数的尤其优选的范围可有利地在最终制品中提供改进的性能。使用结合有上述参数(模量和韧性)优选范围的重均分子量至少约200,000的纤维可在最终制品中有利地提供改进的性能。
在芳族聚酰胺纤维的情况下，由芳族聚酰胺形成的合适纤维描述在美国专利3,671,542中，本文引入其作为参考达到与本文一致的程度。优选的芳族聚酰胺纤维将具有至少约20g/d的韧性，至少约400g/d的初始拉伸模量和至少约8J/g的断裂能，尤其优选的芳族聚酰胺纤维将具有至少约20g/d的韧性和至少约20J/g的断裂能。最优选的芳族聚酰胺纤维将具有至少约20g/d的韧性，至少约900g/d的模量和至少约30J/g的断裂能。例如，具有适度高模量和韧性值的聚(对苯二甲酰对苯二胺)长丝尤其可用于形成耐弹道的复合材料。实例为
Figure G2008800121672D00061
29和
Figure G2008800121672D00062
49，分别就初始拉伸模量和韧性值来说，前者为500g/d和22g/d，后者为1000g/d和22g/d。其它实例是
Figure G2008800121672D00063
129和KM2，它们可从du Pont以400、640和840旦得到，以及旦数为1000的获自Teijin的
Figure G2008800121672D00064
T2000。来自其它制造商的芳族聚酰胺纤维也可以用于本发明中。还可使用聚(对苯二甲酰对苯二胺)的共聚物，如共聚(对苯二甲酰对苯二胺对苯二甲酰3，4′-氧二亚苯基二胺)。本发明实施中还有用的是du Pont以商标
Figure G2008800121672D00065
出售的聚(间苯二甲酰间苯二胺)。来自各种供应商的芳族聚酰胺纤维可用于本发明中。
高强度纤维处于网络中，其优选地是以织造、针织或非织造织物的形式(例如合股的单向取向的纤维，或者在随机取向中拉绒(felted)的纤维)。可以使用任何编织花纹的机织织物，如平纹组织，方平组织，斜纹，缎纹，三维机织织物，和其若干变化中的任一种。平纹组织织物是优选的并且更优选的是具有相等经纬数(warp and weft count)的平纹组织织物。
在各自组的纤维层中的纤维网络优选地处于相同织物形式中(例如，机织、针织或非织造)。或者，可能在各自组的纤维层的各层中存在织物类型的混合。在一种优选的实施方案中，在两组纤维中的纤维层的形式全都是机织织物。
在一个实施方案中，织物优选地在经向纬向两者中具有约15-约55经纱/每英寸(约5.9-约21.6经纱/每厘米)，更优选地约17-约45经纱/每英寸(约6.7-约17.7经纱/每厘米)。纱线优选地具有约375-约1300的旦数。结果是机织织物的重量优选地为约5-约19盎司/每平方码(约169.5-约644.1g/m2)，和更优选地约5-约11盎司/每平方码(约169.5-约373.0g/m2)。这样的织物的实例是称为
Figure G2008800121672D00066
织物型式902、903、904、952、955和960的那些。其它实例包括由方平组织形成的织物，如
Figure G2008800121672D00067
织物型式912。芳族聚酰胺织物的实例是称为
Figure G2008800121672D00068
织物型式704、705、706、708、710、713、720、745和755以及织物型式5704、5716和5931的那些。上述织物是可以获得的，例如，获自Hexcel ofAnderson，South Carolina，USA。如本领域技术人员将理解的，本文所述的织物结构仅仅是示范性的并且不意图将本发明限制于此。
如上所述的，织物可以是以针织织物的形式。针织结构是由交织环(intermeshing loops)组成的结构，其中四个主要的类型是特里科(tricot)、拉舍尔(raschel)、网眼(net)和取向结构。由于环结构的性质，前三种类型的针织物不合适，因为它们没有充分利用纤维的强度。取向的针织结构，然而，使用通过细旦数的针织线圈(knitted stitches)固定就位的直的衬垫纱线(inlaid yarns)。纱线是完全直的，而没有机织织物中存在的卷曲效应(由于对纱线的交织作用)。这些衬垫纱线(laid in yarns)能够在单轴、双轴或多轴方向中取向，这取决于加工设计要求。优选地，用于衬垫承载纱线的特定的针织设备是这样的，使得纱线不被刺穿。
或者，纤维网络层的组中的高强度织物可以是以非织造织物的形式，如合股的单向取向的纤维，或者在随机取向中拉绒的纤维。在使用单向取向的纤维的情况中，优选地，它们被用于斜交帘布层(cross-ply)结构中，其中一层的纤维在一个方向中延伸，而第二层纤维在相对于第一(层)纤维90度的方向中延伸。在单个合股是单向取向的纤维的情况中，相继的合股优选地彼此相对旋转，例如，以角度0°/90°、0°/90°/0°/90°或0°/45°/90°/45°/0°或以其它的角度。在纤维网络的形式是缩绒的情况中，它们可以是针刺缩绒。缩绒是无规定向纤维的非织造网络，优选地其中的至少一种是不连续纤维，优选地切段纤维，其长度为约0.25英寸(0.64厘米)-约10英寸(25厘米)。这些缩绒可以通过若干本领域已知的技术形成，例如通过梳理或流体铺设，熔吹和纺丝铺设。纤维网络的加固利用机械方法，如通过针刺、缝编、水力缠结、空气缠结、纺粘、射流喷网等，化学方法如使用粘合剂，或者热方法，使用纤维-点结合或者具有较低熔点的共混纤维。优选的加固方法是针刺法，单独地或者随后进行其它方法之一。优选的缩绒是针刺缩绒。
纤维层优选在树脂基体中。用于纤维合股的树脂基体可由各种具有所需特性的弹性和其它材料形成。在一个实施方案中，这类基体中使用的弹性材料具有按ASTM D638测量的等于或小于约6,000psi(41.4MPa)的初始拉伸模量(弹性模量)。更优选地，弹性体具有等于或小于约2,400psi(16.5MPa)的初始拉伸模量。最优选地，弹性材料具有等于或小于约1200psi(8.23MPa)的初始拉伸模量。这些树脂材料在性质上一般为热塑性的，但热固性材料也是有用的。
优选地，可以选择树脂基体以便当固化时具有高强度模量，例如由ASTM D638测量的至少约1×106psi(6895MPa)。这样的材料的实例例如公开在美国专利6,642,159中，本文特意引入其公开内容作为参考至与本文一致的程度。
复合层中树脂基体材料对纤维的比例可根据最终用途广泛变化。树脂基体材料优选占纤维和树脂基体总重量的约1至约98wt％，更优选地约5-约95wt％，更加优选地约5-约40wt％，和最优选地约10-约25wt％。上述百分数基于加固织物。
多种材料可用作树脂基体，包括热塑性和热固性树脂，后者是优选的。例如，可使用下面材料中的任一种：聚丁二烯、聚异戊二烯、天然橡胶、乙烯-丙烯共聚物、乙烯-丙烯-二烯三聚物、多硫化物聚合物、热塑性聚氨酯、聚氨酯弹性体、氯磺化聚乙烯、聚氯丁二烯、使用邻苯二甲酸二辛酯或本领域中众所周知的其它增塑剂增塑的聚氯乙烯、丁二烯丙烯腈弹性体、聚(异丁烯-共-异戊二烯)、聚丙烯酸酯、聚酯、聚醚、含氟弹性体、硅酮弹性体、热塑性弹性体和乙烯的共聚物。热固性树脂的实例包括可溶于碳-碳饱和溶剂中的那些，溶剂如甲基乙基酮、丙酮、乙醇、甲醇、异丙醇、环己烷、乙基丙酮和其组合。其中热固性树脂是乙烯基酯、苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物、邻苯二甲酸二烯丙酯、酚醛树脂如苯酚甲醛、聚乙烯醇缩丁醛、环氧树脂、聚酯树脂、聚氨酯树脂和其混合物等。包括上述美国专利6,642,159中公开的那些树脂。优选的热固性树脂包括环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基酯树脂、尿烷树脂(urethane resin)和聚酯树脂、和其混合物。用于聚乙烯纤维织物的优选的热固性树脂包括至少一种乙烯基酯、邻苯二甲酸二烯丙酯和任选地用于固化乙烯基酯树脂的催化剂。
优选的一组弹性材料为共轭二烯和乙烯基芳族共聚物的嵌段共聚物。丁二烯和异戊二烯为优选的共轭二烯弹性体。苯乙烯、乙烯基甲苯和叔丁基苯乙烯为优选的共轭芳族单体。结合聚异戊二烯的嵌段共聚物可被氢化以产生具有饱和烃弹性体段(segments)的热塑性弹性体。聚合物可为简单的R-(BA)x(x＝3-150)型三嵌段共聚物，其中A为来自聚乙烯基芳族单体的嵌段，B为来自共轭二烯弹性体的嵌段。优选的树脂基体为异戊二烯-苯乙烯-异戊二烯嵌段共聚物，如可从Kraton Polymer LLC得到的
Figure G2008800121672D00091
D1107异戊二烯-苯乙烯-异戊二烯嵌段共聚物。另一种这里可用的树脂基体为热塑性聚氨酯，如分数在水中的聚氨酯树脂的共聚物混合物。
树脂材料可掺有填料如碳黑、二氧化硅等，并可用油增容(extend)，和使用橡胶技术人员熟知的方法通过硫、过氧化物、金属氧化物或辐射固化系统来硫化。还可使用不同树脂的共混物。
优选地，每一多个纤维层中的树脂基体与其它一个或多个的多个纤维层中的树脂基体相同或相容。“相容”是指树脂化学性质是这样的，使得每一预浸渍(prepreg)树脂可以在相同的模制压力、温度和模制持续时间下加工。这确保了头盔壳体可以在一个周期中进行模制，无论是否存在着两个或更多个不同纤维的多个纤维层。
如上所述的，在本发明的某些方面中，使用玻璃纤维的多个纤维层，优选地作为头盔壳体的外层。还形成这些层，作为树脂基体中的纤维层。可用于玻璃纤维层的树脂与上述相对于高韧性纤维层的树脂相同，并且可以以用于其它层的如上所指出的相同数量存在于纤维层中。各种类型的玻璃纤维可以用于本文中，包括类型E和S纤维。玻璃纤维层还可以以不同的织物形式存在，如以上相对于高韧性纤维层所述的织造、针织和非织造(单向和随机拉绒的)织物类型。织造玻璃纤维织物的实例是称为型式1528、3731、3733、7500、7532、7533、7580、7624、7628和7645的那些，它们可获自Hexcel。
通过使用玻璃纤维预浸渍处理(prepregs)，头盔的成本可以显著地降低，因为相比于芳族聚酰胺和聚乙烯织物的成本来说，玻璃纤维成本仅仅是小部分。玻璃纤维层是最坚硬的(stiff)并且是高度磨损的(abrasive)。因而，它们令人想望地被置于作为头盔的外层。芳族聚酰胺纤维层具有优良的耐弹道性和合宜的背面变形，并且特别适合作为三部分复合头盔的中间部分。聚乙烯织物复合材料是较柔性的并且最小磨损的(当模制时)并且具有最低重量和最高的耐弹道性(相抵于某些抛射体)。聚乙烯织物特别适于用作头盔的三部分的内部。或者，在三部分头盔中，聚乙烯层可以是中心部分，芳族聚酰胺层可以用作复合头盔的内部部分。
在头盔仅仅由两部分的高韧性纤维层形成的情况中，优选地外部部分由芳族聚酰胺层形成，而内部部分由聚乙烯层形成，但这可以颠倒，如果期望的话。
优选地，在模制前，每一多个纤维层被涂布或浸透以树脂基体，以便形成预浸渍织物。通常，本发明的纤维层优选通过首先构造纤维网络(例如从机织织物层开始)和然后用基体组合物涂布网络来形成。如本文中使用的，术语“涂布”以广义使用来描述纤维网络，其中单独的纤维具有包围纤维的基体组合物的连续层或在纤维表面上的基体组合物的不连续层。在前一种情况下，可认为纤维被完全嵌入在基体组合物中。术语涂布和浸透在本文中可互换使用。虽然有可能将树脂基体施加到无树脂的纤维层，然而在模具中，这是不太令人期望的，因为树脂涂布的均匀性可能难以控制。
可以以任何合适的方式如溶液、分散体或乳液施加基体树脂组合物到纤维层。然后干燥基体-涂布的纤维网络。可将基体树脂的溶液、分散体或乳液喷涂到长丝上。或者，可通过浸渍或借助辊涂机等用水溶液、分散体或乳液涂布纤维层结构。在涂布后，然后可使涂布过的纤维层通过烘箱进行干燥，其中涂布的纤维网络层(一或多)经受足以蒸发基体组合物中的水或其它液体的热量。然后可将涂布的纤维网络放置在载体网上，载体网可为纸或薄膜基材，或在用基体树脂涂布前最初将纤维放置在载体网上。然后可以以已知的方式将基材和含织物层(一或多)的树脂基体缠绕成连续卷。
纤维网络可以通过各种方法构造。在单向排列的纤维网络的情况中，高韧性长丝的纱线束可由筒子架(creel)提供并且引入导纱器(guides)和一个或多个伸幅杆(spreaderbars)进入校准梳(collimating comb)中，然后涂布以基体材料。校准梳将长丝共平面和以基本上单向方式排列。
在用树脂基体涂布织物层后，各层优选地以已知的方式进行加固而形成预浸渍物。“加固”是指基体材料和纤维网络层结合成单个整体层。加固可以通过干燥、冷却、加热、加压或其组合来进行。
在多个纤维层的每一部分中的层数可以大大变化，这取决于所期望的头盔的类型、所期望的性能和所期望的重量。例如，在多个纤维层的每一部分中的层数可以为约2-约40层，更优选地约2-约25层，和最优选地约2-约15层。多个纤维层的每一部分中的层数可以是不同的或可以是相同的。各层可以具有任何合适的厚度。例如，多个纤维层的每一层的部分可以具有这样的厚度：约1mil-约40mil(25-1016μm)，更优选地约3-约30mil(76-762μm)，和最优选地约5-约20mil(127-508μm)。每一多个纤维网络中的每一层的厚度可以是相同的或不同的。
同样，在多个纤维层的每一部分中的每一层的重量可以大大变化，但通常被选择使得头盔的总重量在佩戴者的舒适和保护性的可接受的范围内。例如，在多个纤维层的每一部分中的每一层的重量可以为约5-约200克，更优选地约10-约100克，和最优选地约20-约75克。此外，每一多个纤维网络的每一层的重量可以是相同的或不同的。在具有两部分的多个纤维层的壳体的一个实例中，第一多个纤维层的总重量为约200(优选地约400)-约600克，而第二多个纤维层的总重量相应地为约600-约200(优选地约400)克。
根据期望，各层的重量比可以变化。对于由仅仅两部分的高韧性织物形成的头盔壳体，含芳族聚酰胺的层的含量可为约20-约80wt％，基于头盔壳体的总重量，更优选地约35-约65wt％，和最优选地约45-约55wt％。相应地，含聚烯烃的层的含量可为约80-约20wt％，更优选地约65-约35wt％，和最优选地约55-约45wt％，基于头盔壳体的总重量。
对于由三部分的本文中所用的织物形成的头盔壳体，含玻璃纤维的层的含量可以为，基于头盔壳体的总重量，约5-约65wt％，更优选地约10-约50wt％，和最优选地约20-约40wt％；含芳族聚酰胺的层的含量可为约5-约65wt％，更优选地约10-约50wt％，和最优选地约20-约40wt％；和含聚烯烃的层的含量可为约5-约65wt％，更优选地约10-约50wt％，和最优选地约20-约40wt％。在由这样的三部分的织物形成的头盔壳体的一个实例中，第一、第二和第三多个纤维层中每一个的总重量具有在约250-约400克范围内的重量。
已经在军事应用中广泛使用的一种类型的头盔被称为PASGT(地面部队的人员盔甲系统(Personnel Armor System for Ground Troops)缩写)。令人想望地，这样的中等(medium)头盔的重量为约750-约1500克，和更优选地约800-约1100克。
为形成本发明的头盔壳体，两个或更多类型的纤维网络的预浸渍物被施加于模具。在使用仅仅两部分或预浸渍物的情况中，优选地，期望数目的在树脂基体中的单独的芳族聚酰胺纤维层被置于合适的模具中在合适的位置处以形成头盔壳体的外部部分。模具可以是任何期望的类型，如合模(matched die)模具。然后，期望数目的单独的高韧性聚乙烯纤维层被置于模具中并且被放置使得它们形成头盔壳体的内部部分。当然，顺序可以颠倒，这取决于哪种纤维层被期望是头盔的外层。令人想望地，选择树脂以便当被置于模具中时，其是非粘性的。这允许单独的层彼此滑动以便完全填充模具和形成期望的头盔形状。不需要粘合剂被用于高韧性纤维层的单独的层或组之间，因为单独的层中的一种或多种树脂提供了层间所需要的粘合。然而，如果期望的话，可以使用独立的一或多个粘合剂层。
应当小心，以便完全且均匀地填充模具并且将全部的层置于适当的取向中。这确保遍及头盔壳体的均一的性能。如果混合材料的总体积大于头盔模具能够处理的，模具不会密闭并且由此头盔不会被模制。如果混合材料的总体积小于模具容积，尽管模具将密闭，但由于缺乏模制压力，材料不会被模制。
一旦模具适当地装载以期望数目和类型的纤维层，在期望的模制条件下可以模制头盔壳体。这些条件可以类似于模制单独的芳族聚酰胺织物层和单独的聚乙烯织物层中所使用的那些。例如，模制温度可以为约65-约250℃，更优选地约90-约330℃，和最优选地约120-约320℃。夹具模制压力可以为，例如，约10-约500吨(tons)(10.2-508公吨(metrictons))，更优选地约50-约350吨(50.8-356公吨)，和最优选地约100-约200吨(102-203公吨)。模制时间可以为约5-约60分钟，更优选地约10-约35分钟，和最优选地约15-约25分钟。
在期望的模制条件下，存在于纤维网络中的一种或多种树脂被固化，在热固性树脂的情况中。这导致单独的层和层组强力结合成期望的头盔形状，作为完整的整体模制。据信，每一组织物的热固性树脂在其界面处通过树脂的交联而结合。对于热塑性树脂，头盔被冷却下来，低于树脂的软化温度，并随后从模具中取出。在加热和加压下，热塑性树脂在织物层之间流动，也产生了完整的整体模制。在冷却期间，保持模制压力。模制产品此后从模具中取出并且部分被修整，如果必要的话。
虽然优选的是具有第一叠层(stack)的一种类型的高强度纤维网络和第二叠层的由不同纤维形成的高强度纤维网络，有可能在纤维层的一个或两个叠层中包括每一纤维类型的层。这些可以以重复或非重复图案交替。然而优选地，每一叠层由单一类型的高韧性纤维材料形成。
在三种不同类型的预浸渍物的情况中，头盔优选地是这样形成的：首先将玻璃纤维织物层引入模具，然后引入芳族聚酰胺织物层(如果它们将是结构的中间部分的话)和最后引入聚烯烃织物层(如果它们将是头盔壳体的内部部分的话)。此外，引入三种不同类型的预浸渍物的顺序可以变化，这取决于哪种预浸渍物被期望位于头盔壳体的外层、中间层和内层。
用于复合结构中的织物是相对薄的，但非常坚固的。单独的织物层的优选的厚度为约1-约36mil(25-911μm)，更优选地约5-约28mil(127-711μm)，和最优选地约10-约23mil(254-584μm)。
提供下面的非限制性实施例以提供本发明的更完整理解。为说明本发明原理而描述的具体技术、条件、材料、比例和记录数据是示例性的，不应被视为限制本发明的范围。全部百分数是按照重量计的，除非另有说明外。
实施例
实施例1
头盔壳体由高韧性芳族聚酰胺纤维层和高韧性聚乙烯纤维层形成。芳族聚酰胺纤维的形式是
Figure G2008800121672D00131
机织织物，型式705的层，其是平纹组织31×31经纱/每英寸(12×12经纱/每厘米)结构。织物层具有6.8盎司/平方码(231g/平方米)的重量和12mil(305μm)的厚度。每一织物层涂布有乙烯基酯树脂(Derakane 411-45树脂，获自Ashland Chemical)，如下。通过用工业溶剂如丙酮稀释和添加固化剂来制备树脂溶液。织物安装在支架上以保持均一的张力并且将织物浸入溶液中以便完全覆盖以树脂混合物。涂布的织物在低于75℃的受热的情况下干燥足够时间以便获得小于1％的挥发物含量。预浸渍织物然后与剥离薄膜或纸一起在滚筒上缠绕以便避免互相直接接触。在干燥后，织物层上的树脂含量为15.2wt％。
聚乙烯纤维的形式是
Figure G2008800121672D00132
织物型式903的层，其是平纹组织21×21经纱/每英寸(8.3×8.3经纱/每厘米)结构。织物层具有7盎司/平方码(237g/平方米)的重量和20mil(508μm)的厚度。聚乙烯织物通过相同技术涂布有与芳族聚酰胺织物所使用的相同的乙烯基树脂。在干燥后，织物上的树脂含量是15.3％。
由17层芳族聚酰胺织物和13层聚乙烯织物模制头盔壳体。壳体形状是PASGT模制品，其中头盔模具厚度为0.310英寸(7.8mm)。织物层的形式针轮(pinwheel)图案，其中在每一头盔中具有三个7英寸(17.8厘米)的冕状轮(crown wheels)。冕合股是较小直径的针轮，其用于补偿冕区域中的厚度。由于头盔形状，除冕以外的区域具有织物的交叠。以使得芳族聚酰胺层位于头盔壳体外部的方向，将芳族聚酰胺层单独地置于模具中。聚乙烯层被置于芳族聚酰胺层之上以便位于头盔壳体的内部。头盔在190吨(193公吨)夹具压力在250°F(121℃)加热模制15分钟，随后冷却至220°F(104℃)达15分钟。所得的头盔具有1035克的微调壳体重量(trimshell weight)。
使用符合MIL-P-46593A标准的17格令碎片模拟抛射体(FSP)，在MIL-STD-662F标准下测试头盔的弹道性能。结果示于下表1中。对于每一个头盔结构，显示了V50速度。V50速度是抛射体具有50％钻遇率(probability of penetration)的速度。
实施例2
如实施例1中那样模制头盔，区别如下。使用三组织物。外层是玻璃纤维机织织物型式7628，来自Hexcel，其是平纹组织17×12经纱/每英寸(6.7×4.7经纱/每厘米)结构。织物层具有6.0盎司/平方码的重量和6.8mil(172μm)的厚度。使用相同的技术，每一织物层涂布有与芳族聚酰胺织物和聚乙烯织物所使用的相同的乙烯基酯树脂。在干燥后，织物层上的树脂含量为10.1wt％。
头盔壳体由10层玻璃织物作为外层、12层芳族聚酰胺织物作为中间层，和12层聚乙烯织物作为内层模制。使用相同中等PASGT壳体形状合模模具。在与实施例1相同的条件下模制头盔。头盔具有1112克的微调重量。
使用符合MIL-P-46593A标准的17格令FSP，在MIL-STD-662F标准下测试头盔的弹道性能。结果示于下表1中。
实施例3(对比)
仅仅由实施例1中使用的聚乙烯织物层形成头盔壳体。总共25层的聚乙烯织物被引入模具并且在与实施例1中相同的条件下模制头盔。微调壳体重量是849克。
使用符合MIL-P-46593A标准的17格令FSP，在MIL-STD-662F标准下测试头盔的弹道性能。结果示于下表1中。
实施例4(对比)
仅仅由实施例1中使用的芳族聚酰胺织物层形成头盔壳体。总共33层的芳族聚酰胺织物被引入模具并且在与实施例1中相同的条件下模制头盔。微调壳体重量是1103克。
使用符合MIL-P-46593A标准的17格令FSP，在MIL-STD-662F标准下测试头盔的弹道性能。结果示于下表1中。
表1
  实施例   聚乙烯织物层   芳族聚酰胺织物层   玻璃纤维织物层   微调壳体重量，克   17格令FSP V50，fps(mps)
  1   13   17   0   1035   2168(661.2)
  2   12   12   10   1112   2144(653.9)
  3*   25   0   0   849   2010(613.0)
  4*   0   33   0   1103   2095(639.0)
*＝对比例
能够看出，相比于由仅仅高韧性聚乙烯纤维或者仅仅芳族聚酰胺纤维形成的对比头盔壳体，在单个模制的弹道头盔壳体中使用两种弹道材料提供了更高的相抵于17格令FSP抛射体的弹道抵抗力。另外，在单个模制的弹道头盔壳体中使用三种弹道材料提供了最高的相抵于17格令FSP抛射体的弹道抵抗力。当相比于单个材料昂贵的头盔，后者头盔的成本显著地降低并且在没有牺牲单个材料头盔的突出的弹道抵抗力的情况下实现。
另外，模制两种或三种弹道材料头盔壳体的方法，不要求改变合模模具，这提供了另外的选择以便为弹道头盔设计选择各种材料。此外，用于制造单个纤维类型的头盔壳体的相同模具可用于制造本发明的多材料头盔壳体。
实施例5
使用相同数目的芳族聚酰胺织物层和相同数目的聚乙烯织物层，其中芳族聚酰胺织物层位于外部，以和实施例1中的相同方式形成头盔壳体。
在与实施例1相同的条件下模制头盔壳体。微调壳体重量是1039克。
使用9mm全金属套管(FMJ)124格令子弹作为抛射体，测试头盔的弹道性能。结果示于下表2中。
实施例6
使用相同数目的玻璃纤维织物层、芳族聚酰胺织物层和聚乙烯织物层，以和实施例2中的相同方式形成头盔壳体。在与实施例1中相同的条件下，其中玻璃纤维织物层位于外部，芳族聚酰胺织物层位于中间和聚乙烯织物层位于内部，形成头盔壳体。微调壳体重量是1122克。
使用9mm全金属套管(FMJ)124格令子弹作为抛射体，测试头盔的弹道性能。结果示于下表2中。
实施例7(对比)
仅仅由实施例1中使用的聚乙烯织物层形成头盔壳体。总共25层的聚乙烯织物被引入模具并且在与实施例1中相同的条件下模制头盔。微调壳体重量是853克。
使用9mm全金属套管(FMJ)124格令子弹作为抛射体，测试头盔的弹道性能。结果示于下表2中。
实施例8(对比)
仅仅由实施例1中使用的芳族聚酰胺织物层形成头盔壳体。总共33层的芳族聚酰胺织物被引入模具并且在与实施例1中相同的条件下模制头盔。微调壳体重量是1098克。
使用9mm全金属套管(FMJ)124格令子弹作为抛射体，测试头盔的弹道性能。结果示于下表2中。
表2
实施例 PE织物层 芳族聚酰胺织物层 玻璃纤维织物层 微调壳体重量，克 9mm FMJV50，fps(mps) 9mm FMJV50变形，mm
  5   13   17   0   1039   1785(544.4)   51
  6   12   12   10   1112   1698(517.8)   32
  7*   25   0   0   853   1810(552.1)   45
  8*   0   33   0   1098   1758(536.2)   29
*＝对比例
能够看出在单个模制的弹道头盔壳体中使用两种弹道材料提供了相抵于9mm FMJ子弹的弹道抵抗力，相比于仅仅由高韧性聚乙烯纤维或仅仅由芳族聚酰胺纤维形成的头盔壳体的弹道抵抗力来说是良好的，以及此外具有可接受的背面变形(back face deformation)。另外，当相比于由仅仅高韧性聚乙烯纤维或者仅仅芳族聚酰胺纤维形成的头盔壳体时，在单个模制的弹道头盔壳体中使用三种弹道材料提供了相抵于9mm FMJ子弹的相当的弹道抵抗力。此外，三种弹道材料头盔壳体具有非常低的背面变形并且由此将具有进一步降低的背面损伤。当相比于单个材料昂贵的头盔，三种弹道材料头盔壳体的成本显著地降低并且当相比于单个材料头盔壳体，这是在没有牺牲令人期望的弹道抵抗力的情况下实现的。
本发明的头盔具有极好的弹道抵抗力以及耐冲击性和结构刚度。相比于常规的头盔，它们可以以较轻重量制造。头盔可用于军事和非军事应用，如法律执行头盔，运动头盔及其他类型的安全头盔。
由此已经相当详细地描述了本发明，但应当理解的是这样的详述不必严格地遵守，而是其它变化或变体可能浮现于本领域技术人员，这些全部落入如所附权利要求限定的本发明的范围内。

Claims (32)

1.一种模制的头盔，其包括壳体，所述壳体从外至内包括：
第一多个纤维层，所述纤维层包括在第一树脂基体中的高韧性纤维的网络，所述高韧性纤维包括聚烯烃纤维或芳族聚酰胺纤维；和
附着于所述第一多个纤维层的第二多个纤维层，所述第二多个纤维层包括在第二树脂基体中的高韧性纤维的网络，所述高韧性纤维包括聚烯烃纤维或芳族聚酰胺纤维，前提是当所述第一多个纤维层的所述纤维包括聚烯烃纤维时，那么所述第二多个纤维层的所述纤维包括芳族聚酰胺纤维，和当所述第一多个纤维层的所述纤维包括芳族聚酰胺纤维时，那么所述第二多个纤维层的所述纤维包括聚烯烃纤维。
2.权利要求1的头盔，其中所述第一多个纤维层包括芳族聚酰胺纤维和所述第二多个纤维层包括聚烯烃纤维。
3.权利要求2的头盔，其中所述聚烯烃纤维包括聚乙烯纤维。
4.权利要求1的头盔，其中所述第一树脂和所述第二树脂是化学上相容的。
5.权利要求1的头盔，其中所述第一树脂和所述第二树脂是化学上相同的。
6.权利要求1的头盔，其中所述第一多个纤维层的所述高韧性纤维的网络的形式是机织织物和所述第二多个纤维层的所述高韧性纤维的网络的形式是机织织物，针织织物，单向取向的非织造织物或缩绒织物。
7.权利要求1的头盔，其中所述第一多个纤维层和所述第二多个纤维层的所述高韧性纤维的网络的形式是机织织物。
8.权利要求1的头盔，其中所述第一和第二树脂选自环氧树脂，尿烷树脂，聚酯树脂，乙烯基酯树脂，酚醛树脂，和其混合物。
9.权利要求1的头盔，其中所述第一和第二树脂各自包括乙烯基酯树脂。
10.权利要求1的头盔，其中所述第一多个纤维层占所述壳体的约20-约80wt％，和所述第二多个纤维层相应地占所述壳体的约80-约20wt％。
11.权利要求1的头盔，其中所述第一多个纤维层的重量大致与所述第二多个纤维层的重量相同。
12.权利要求1的头盔，其中所述第一多个纤维层包括聚乙烯纤维和所述第二多个纤维层包括芳族聚酰胺纤维，和所述第一和第二多个纤维层的所述网络的形式都是机织织物。
13.权利要求12的头盔，其中所述第一和第二树脂包括乙烯基酯树脂。
14.权利要求1的头盔，其中所述第一多个纤维层包括约2-约40层，和所述第二多个纤维层包括约2-约40层。
15.权利要求1的头盔，其中所述第一多个纤维层的重量是约200-约600克，和所述第二多个纤维层的重量相应地是约600-约200克。
16.权利要求1的头盔，其中所述第一树脂占所述第一多个纤维层的总重量的约10-约25wt％和所述第二树脂占所述第二多个纤维层的总重量的约10-约25wt％。
17.权利要求1的头盔，其进一步包括多个纤维层，包括在第三树脂基体中的玻璃纤维，所述多个玻璃纤维层被置于所述壳体的外部。
18.一种模制的头盔，其包括壳体，所述壳体从外至内包括：
第一多个纤维层，所述纤维层包括在第一树脂基体中的玻璃纤维；
附着于所述第一多个纤维层的第二多个纤维层，所述第二多个纤维层包括在第二树脂基体中的高韧性纤维的网络，所述高韧性纤维包括聚烯烃纤维或芳族聚酰胺纤维；和
附着于所述第二多个纤维层的第三多个纤维层，所述第三多个纤维层包括在第三树脂基体中的高韧性纤维的网络，所述高韧性纤维包括聚烯烃纤维或芳族聚酰胺纤维，前提是当所述第二多个纤维层的所述纤维包括聚烯烃纤维时，那么所述第三多个纤维层的所述纤维包括芳族聚酰胺纤维，和当所述第二多个纤维层的所述纤维包括芳族聚酰胺纤维时，那么所述第三多个纤维层的所述纤维包括聚烯烃纤维。
19.权利要求18的头盔，其中所述第二多个纤维层包括芳族聚酰胺纤维和所述第三多个纤维层包括聚乙烯纤维。
20.权利要求18的头盔，其中所述第一树脂、所述第二树脂和所述第三树脂各自是化学上相容的。
21.权利要求18的头盔，其中所述第一树脂、所述第二树脂和所述第三树脂各自是化学上相同的。
22.权利要求18的头盔，其中所述第一多个纤维层占所述壳体的约5-约65wt％，所述第二多个纤维层占所述壳体的约5-约65wt％，和所述第三多个纤维层占所述壳体的约5-约65wt％。
23.权利要求18的头盔，其中所述第一多个纤维层，所述第二多个纤维层和所述第三多个纤维层各自具有大致相同重量。
24.权利要求18的头盔，其中所述第一多个纤维层的高强度纤维的所述网络的形式是机织织物和所述第二和第三多个纤维层的高强度纤维的所述网络的形式是机织织物，针织织物，单向取向的非织造织物或缩绒织物。
25.权利要求24的头盔，其中所述第一多个纤维层、所述第二多个纤维层和所述第三多个纤维层的高强度纤维的所述网络的形式是机织织物。
26.权利要求18的头盔，其中所述第一，第二和第三树脂各自选自环氧树脂，尿烷树脂，聚酯树脂，乙烯基酯树脂，酚醛树脂，和其混合物。
27.权利要求18的头盔，其中所述第一，第二和第三树脂各自包括乙烯基酯树脂。
28.权利要求18的头盔，其中所述第一多个纤维层包括约2-约40层，所述第二多个纤维层包括约2-约40层和所述第三多个纤维层包括约2-约40层。
29.一种用于形成头盔壳体的方法，包括以下的步骤：
向模具提供第一多个纤维层，所述纤维层包括在第一树脂基体中的高韧性纤维的网络，所述高韧性纤维包括聚烯烃纤维或芳族聚酰胺纤维；
向所述模具提供第二多个纤维层，所述第二多个纤维层包括在第二树脂基体中的高韧性纤维的网络，所述高韧性纤维包括聚烯烃纤维或芳族聚酰胺纤维，前提是当所述第一多个纤维层的所述纤维包括聚烯烃纤维时，那么所述第二多个纤维层的所述纤维包括芳族聚酰胺纤维，和当所述第一多个纤维层的所述纤维包括芳族聚酰胺纤维时，那么所述第二多个纤维层的所述纤维包括聚烯烃纤维；和
向所述第一多个纤维层和所述第二多个纤维层施加热量和压力，借此所述第一多个纤维层附着于所述第二多个纤维层而由此形成整体头盔壳体。
30.权利要求29的方法，其中所述第一多个纤维层包括芳族聚酰胺纤维和所述第二多个纤维层包括高韧性聚乙烯纤维；所述第一和第二树脂是化学上相同的并且选自环氧树脂，尿烷树脂，聚酯树脂，乙烯基酯树脂，酚醛树脂和其混合物；所述第一和所述第二多个层的各自纤维层包括机织织物，和所述第一多个纤维层包括约2-约40层和所述第二多个纤维层包括约2-约40层。
31.一种用于形成头盔壳体的方法，包括以下的步骤：
向模具提供第一多个纤维层，所述纤维层包括在第一树脂基体中的玻璃纤维；
向所述模具提供第二多个纤维层，所述第二多个纤维层包括在第二树脂基体中的高韧性纤维的网络，所述高韧性纤维包括聚烯烃纤维或芳族聚酰胺纤维；
向所述模具提供第三多个纤维层，所述第三多个纤维层包括在第三树脂基体中的高韧性纤维的网络，所述高韧性纤维包括聚烯烃纤维或芳族聚酰胺纤维，前提是当所述第二多个纤维层的所述纤维包括聚烯烃纤维时，那么所述第三多个纤维层的所述纤维包括芳族聚酰胺纤维，和当所述第二多个纤维层的所述纤维包括芳族聚酰胺纤维时，那么所述第三多个纤维层的所述纤维包括聚烯烃纤维；和
向所述第一多个纤维层、所述第二多个纤维层和所述第三多个纤维层施加热量和压力，借此所述第一多个纤维层附着于所述第二多个纤维层和所述第二多个纤维层附着于所述第三多个纤维层而由此形成整体头盔壳体。
32.权利要求31的方法，其中所述第二多个纤维层包括芳族聚酰胺纤维和所述第三多个纤维层包括高韧性聚乙烯纤维；所述第一，第二和第三树脂是化学上相同的并且选自环氧树脂，尿烷树脂，聚酯树脂，乙烯基酯树脂，酚醛树脂和其混合物；所述第一，所述第二和所述第三多个层的各自纤维层包括机织织物，和所述第一多个纤维层包括约2-约40层，所述第二多个纤维层包括约2-约40层和所述第三多个纤维层包括约2-约40层。
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