CN101946151A - 防步枪子弹的头盔 - Google Patents

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Abstract

形成了具有纤维层外侧部分、纤维层中间部分和纤维层内侧部分的头盔壳体。所述外侧部分层包含在树脂基质中的高强度磨蚀纤维。所述中间部分层包含高强度聚烯烃纤维并为具有树脂基质的机织或针织织物的形式。所述内侧部分层包含高强度聚烯烃纤维并为具有树脂基质的非织造织物的形式。所述头盔是轻质的且抗步枪子弹穿透。

Description

防步枪子弹的头盔
背景技术
技术领域
本发明涉及可用于军事、执法及其它应用的防护头盔(helmets)。具体地，本发明涉及针对步枪子弹(rifle bullets)提供保护的头盔。
相关技术说明
防护性头盔是公知的。这种头盔已被用于军事和非军事应用。非军事应用的例子包括执法用途、运动用途其它类型的安全头盔。用于军事和执法用途的防护性头盔特别需要是防弹的。
典型的头盔被构造为防子弹碎片。鉴于步枪子弹具有的显著提高的能量，防步枪子弹需要对这种头盔加以改进。防步枪子弹的头盔应当是相对轻质的并佩戴舒适。然而，以前提出的头盔较重。
期望防护的步枪子弹的例子包括NATO M80弹、AK47、AK74、Russian LPS和European SS109等等。
目前最流行的军用头盔是由芳族聚酰胺纤维形成的，通常为几层芳族聚酰胺纤维连同树脂材料如酚醛树脂的形式。由芳族聚酰胺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。尽管这种头盔一般说来表现令人满意，但它们相当重。而且，这种头盔不能提供针对步枪子弹的增强的防护。较重头盔的一个问题在于它们对于佩戴者来说是不舒适的。这可能导致不使用或有限使用这种头盔。
设计用来防弹核碎片(projectile fragments)(而非步枪子弹)的头盔的例子在2007年2月15日提交的共同未决美国专利申请No.11/706,719中提出，其公开内容在不与本文相抵触的范围内通过引用并入本文。
期望的是提供具有减轻的重量且抗步枪子弹穿透的头盔。
发明内容
根据本发明，提供一种抗步枪子弹穿透的轻质(lightweight)模制头盔(molded helmet)，该头盔包括壳体(shell)，所述壳体从外到内包括：
第一多个纤维层，所述纤维层包括在第一树脂基质中的高强度磨蚀纤维(high tenacity abrasive fibers)；
结合到所述第一多个纤维层的第二多个纤维层，该第二多个纤维层包括在第二树脂基质中的高强度纤维的机织或针织网(woven or knitted network)，所述高强度纤维包括聚烯烃纤维；和
结合到所述第二多个纤维层的第三多个纤维层，该第三多个纤维层包括在第三树脂基质中的高强度纤维的非织造网，所述高强度纤维包括聚烯烃纤维。
根据本发明，还提供了一种抗步枪子弹穿透的轻质模制头盔，该头盔包括壳体，所述壳体从外到内包括：
第一多个纤维层，所述第一多个纤维层包括在第一树脂基质中的玻璃纤维的机织网，所述第一树脂包括热固性树脂；
结合到所述第一多个纤维层的第二多个纤维层，该第二多个纤维层包括在第二树脂基质中的高强度纤维的机织网，所述高强度纤维包括聚乙烯纤维，所述第二树脂包括热固性树脂或热塑性树脂；和
结合到所述第二多个纤维层的第三多个纤维层，该第三多个纤维层包括在第三树脂基质中的高强度纤维的非织造网，所述高强度纤维包括聚乙烯纤维，所述第三树脂包括热塑性树脂，
所述头盔的总面密度为约3-约5磅/平方英尺(14.6-24.4kg/m2)，且防能量为至少约1600焦耳的步枪子弹。
根据本发明，进一步提供了一种形成抗步枪子弹穿透的轻质头盔的壳体的方法，该方法包括以下步骤：
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质中的高强度纤维的网，所述高强度纤维包括磨蚀纤维；所述第一多个纤维层在模具中面向内(facing inwardly)；
向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质中的高强度纤维的机织网，所述高强度纤维包括聚烯烃纤维，所述第二多个纤维层叠加在所述第一多个纤维层上，所述第一和第二树脂是相容的从而所述第一和第二多个纤维层可彼此粘结；
向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质中的高强度纤维的非织造网，所述高强度纤维包括聚烯烃纤维，所述第三多个纤维层叠加在所述第二多个纤维层上；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和压力以由此形成所述头盔壳体。
已经发现，抗步枪子弹穿透的轻质模制头盔可以通过采用由在树脂基质中的高强度磨蚀纤维形成的外侧纤维层部分、由在第二树脂基质中的机织或针织高强度聚烯烃纤维形成的中间纤维层部分和由在第三树脂基质中的非织造高强度聚烯烃纤维形成的内侧纤维层部分来形成。在所述第一、第二和第三纤维层部分的每一个中的所述树脂可以相同或不同。这种头盔具有出色的防弹性且特别是可用于防止高能量步枪子弹穿透。同时，所述头盔是轻质的并由此佩戴舒适。
发明的详细说明
本发明的防护头盔包括壳体，该壳体由第一外侧部分、第二中间部分和第三内侧部分形成，其中所述第一外侧部分包括在树脂基质中的高强度磨蚀纤维的网的多个层，所述第二中间部分包括在树脂基质中的高强度聚烯烃纤维的机织或针织网的多个层，和所述第三内侧部分包括在树脂基质中的高强度聚烯烃纤维的非织造网的多个层。
对于本发明来说，纤维是长度尺寸远大于宽度和厚度横向尺寸的细长体。因此，术语纤维包括具有规则或不规则截面的单丝、复丝、带、条、短纤维及其它形式的切断、截断或不连续纤维(chopped、cut or discontinuous fiber)等。术语″纤维″包括任何上述的多种或它们的组合。纱线是包含许多纤维或丝线的连续丝束。
如在本文中所使用的那样，术语″高强度纤维″是指强度大于或等于约7g/d的纤维。优选地，如按照ASTM D2256所测量的，这些纤维的初始抗拉模量为至少约150g/d且断裂能为至少约8J/g。如在本文中所使用的那样，术语″初始抗拉模量″、″抗拉模量″和″模量″是指对于纱线按照ASTM 2256所测量的弹性模量和对于弹性体或基质材料按照ASTMD638所测量的弹性模量。
优选地，所述第二和第三部分的高强度纤维的强度大于或等于约10g/d，更优选地大于或等于约15g/d，甚至更优选地大于或等于约20g/d，最优选地大于或等于约25g/d。对于高强度聚乙烯纤维来说，优选的强度范围为约20-约55g/d。
可用于本发明中的纤维的截面可在很大范围内变化。它们的截面可以是圆形的、扁平的或椭圆形的。它们也可以是具有从丝的线性或纵向轴伸出的一或多个规则或不规则的叶瓣(lobe)的不规则或规则的多叶瓣截面。特别优选地是，纤维具有基本上圆形的、扁平的或椭圆形的截面，最优选地纤维具有基本上圆形的截面。
此处所用的高强度纤维的纱线可以具有任何适合的旦尼尔数，例如约50-约5000旦尼尔、更优选地约200-约5000旦尼尔、仍更优选地约650-约3000旦尼尔、并最优选地约800-约1500旦尼尔。
优选地，所述第一多个纤维层中至少约50wt％、更优选地至少约75wt％、并最优选地所有或基本上所有的纤维是高强度磨蚀纤维。同样地，优选地，所述第二多个纤维层中至少约50wt％、更优选至少约75wt％并最优选地所有或基本上所有的纤维是高强度聚烯烃纤维。此外，优选地，所述第三多个纤维层中至少约50wt％、更优选至少约75wt％并最优选地所有或基本上所有的纤维是高强度聚烯烃纤维。
根据本发明，头盔壳体由不同防弹材料的层形成。所述头盔包括至少3个纤维层部分或组。这些是面向外的层组、中间层组和面向内的层组。
选择所述外侧纤维层组使得其具有磨蚀特性(abrasive characteristics)以致于其使弹头变形或剥去弹头壳和/或使弹头不稳定。所述外侧纤维层组由磨蚀纤维形成。这些纤维优选地是抗拉强度至少约2.0GPa、优选地至少约2.4GPa、更优选地至少约3.4GPa、并最优选地至少约4.0GPa的无机纤维。可用于此的磨蚀纤维的例子包括玻璃纤维、石墨纤维、碳化硅纤维、碳化硼纤维等，以及它们的混合物。这类纤维的例子例如记述在2004年10月4日提交的共同受让的未决美国专利申请10/957,773(其对应于公开的PCT申请WO2007/005043)中，该申请的公开内容在不与本文相抵触的范围内通过引用明确并入本文。优选地，所述磨蚀纤维为玻璃纤维。
各种类型的玻璃纤维都可以用在本文中，包括E类纤维和S类纤维。机织玻璃纤维织物的例子是被称作样式(styles)1528、3731、3733、7500、7532、7533、7580、7624、7628和7645的那些，其可从Hexcel of Anderson，South Carolina，USA获得。
使用玻璃纤维作为所述磨蚀纤维的一个优点在于可以显著降低头盔的成本，因为与聚烯烃织物的花费相比玻璃纤维的花费仅为其一部分。
所述外侧纤维层组优选地为多个机织织物层的形式。然而，可选择地所述外侧纤维层组也可以为针织织物层或非织造织物层的形式。后者的例子为单向取向的纤维层和无规或毡制的纤维层。所述外侧组的纤维网层优选地为相同的织物形式(例如机织、针织或非织造)。或者，在所述外侧层组中也可以是织物类型的混合(机织、针织和/或非织造织物)。优选机织织物，且可以采用任何机织图案的织物，如平纹组织、方平组织、斜纹、缎纹、三维机织织物，以及它们的一些变体中的任何一种。
所述外侧纤维层组中的层还包括树脂基质。树脂材料的例子在下面讨论。
如上所述，所述中间和内侧纤维组中的纤维包括聚烯烃纤维，优选地高强度聚乙烯纤维和/或高强度聚丙烯纤维。最优选地，所述聚烯烃纤维为高强度聚乙烯纤维，又称伸直链聚乙烯纤维或高度取向的高分子量聚乙烯纤维。
美国专利4,457,985大略地讨论了高分子量聚乙烯纤维和聚丙烯纤维，此专利的公开内容特此在不与本文相抵触的范围内通过引用并入本文。对于聚乙烯纤维来说，适合的纤维是重均分子量为至少约150,000、优选地至少约100万并更优选地在约200万和约500万之间的那些。这类高分子量聚乙烯纤维可以在溶液中纺制(参见US4,137,394和US4,356,138)，或者是从溶液纺制的丝线以形成凝胶结构(参见US4,413,110，German Off.No.3,004,699和GB2051667)，或者所述聚乙烯纤维可以通过卷绕和拉伸工艺(rolling and drawing process)制造(参见US5,702,657)。如在本文中所使用的那样，术语聚乙烯是指主要为线型聚乙烯的材料，其可以包含少量的链支化或共聚单体，不超过每100个主链碳原子约5个改性单元，并且其还可以包含与其混合的不超过约50wt％的一种或多种聚合物添加剂，如链烯-1-聚合物，特别是低密度聚乙烯、聚丙烯或聚丁烯，含作为主要单体的单烯烃的共聚物，氧化的聚烯烃，接枝聚烯烃共聚物和聚甲醛，或低分子量添加剂，例如通常被加入的抗氧化剂、润滑剂、紫外线屏蔽剂、着色剂等。
高强度聚乙烯纤维可商购，由Honeywell International Inc.，Morristown，New Jersey，U.S.A以商标SPECTRA
Figure BPA00001205819000051
出售。也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，可赋予这些纤维各种性能。所述聚乙烯纤维的强度为至少约7g/d、优选地至少约15g/d、更优选地至少约20g/d、仍更优选地至少约25g/d、最优选地至少约30g/d。同样地，所述纤维的初始抗拉模量，如通过Instron拉力试验机所测量的，优选地为至少约300g/d、更优选地至少约500g/d、仍更优选地至少约1,000g/d、最优选地至少约1,200g/d。初始抗拉模量和强度的这些最高值一般仅可通过采用溶液生长或凝胶纺丝工艺达到。许多丝的熔点高于形成它们的聚合物的熔点。由此，例如，分子量为约150,000、约100万和约200万的高分子量聚乙烯的熔点通常为在本体中138℃。由这些材料制成的高度取向的聚乙烯丝的熔点要高约7-约13℃。因此，熔点的稍微提高反映了结晶完整性和与本体聚合物相比丝的更高结晶取向。
类似地，可以使用重均分子量为至少约200,000、优选地至少约100万并更优选地至少约200万的高度取向的高分子量聚丙烯纤维。这类伸直链聚丙烯可以通过上面提到的各参考文献中规定的技术、特别是通过US4,413,110的技术形成为相当好地取向的丝线。由于聚丙烯是结晶形远不及聚乙烯的材料且包含甲基侧基，所以使用聚丙烯可实现的强度值一般显著低于聚乙烯的相应值。从而，适合的强度优选地为至少约8g/d，更优选地至少约11g/d。聚丙烯的初始抗拉模量优选地为至少约160g/d，更优选地至少约200g/d。聚丙烯的熔点通常会被取向工艺提高几度，由此聚丙烯丝的主熔点优选地为至少168℃，更优选地至少170℃。上述参数的特别优选的范围可以有利地在最终制品中提供改善的性能。使用重均分子量为至少约200,000且结合了上述参数(模量和强度)的所述优选范围的纤维可以有利地在最终制品中提供改善的性能。
所述中间纤维层部分的高强度纤维聚烯烃纤维的网为机织或针织织物的形式。优选机织织物，且可以采用任何机织图案的织物，如平纹组织、方平组织、斜纹、缎纹、三维机织织物，以及它们的数种变体中的任何一种。优选平纹组织织物，更优选具有等经纱和纬纱密度(warp and weft count)的平纹组织织物。
在一个实施方案中，所述机织织物优选地在经向和纬向上都具有约15-约55的每英寸纱数(ends per inch)(约5.9-约21.6的每厘米纱数(ends per cm))，更优选地约17-约45的每英寸纱数(约6.7-约17.7的每厘米纱数)。所述纱线优选地具有约375-约1300的旦尼尔数。结果形成重量优选地在约5-约19盎司每平方码(约169.5-约644.1g/m2)、更优选地在约5-约11盎司每平方码(约169.5-约373.0g/m2)的机织织物。这类织物的例子是被命名为SPECTRA织物样式902、903、904、952、955和960的那些。其它例子包括由方平组织形成的织物，如SPECTRA织物样式912。上述织物可以例如从Hexcel获得。如所属领域技术人员将理解的那样，此处所述的织物构造只是示例性的，并不意在将本发明限制于此。
当针织织物用在所述中间纤维层部分中(或所述外侧纤维层部分中)时，可以采用不同的针织结构。针织结构是由相互串套的环组成的构造。优选取向的针织结构，因为它们使用被细旦针织线圈固定就位的直衬垫纱线(straight inlaid yarns)。所述纱是绝对直的，不存在机织织物中出现的由于对纱线的交织作用而产生的卷曲效应。根据设计要求，这些衬垫纱线可以在单轴、双轴或多轴方向上取向。优选用来衬垫承载纱线的具体针织设备是使所述纱线不被刺穿。
所述中间纤维层组的层同样也包括树脂基质。树脂材料的例子在下面讨论。
如上所述，所述内侧纤维层组也包括高强度聚烯烃纤维，最优选地高强度聚乙烯纤维。这些纤维层为纤维的非织造网的形式，如单向取向的纤维的片层(ply)，或以无规取向制毡的纤维。当采用单向取向的纤维时，优选地以交叉片层设置使用它们，其中一层纤维在一个方向上延伸而第二层纤维在与第一层纤维成90°的方向上延伸。当单独的片层为单向取向的纤维时，相继的片层优选地彼此相对旋转，例如为0°/90°、0°/90/0°/90°或0°/45°/90°/45°/0°角度或为其它的角度。当纤维的网为毡的形式时，它们可以为针刺毡。毡是无规取向纤维的非织造网，优选地其至少一种是不连续纤维，优选长度为约0.25英寸(0.64cm)-约10英寸(25.4cm)的短纤维。这些毡可以通过所属领域已知的数种技术形成，如通过梳理或流体铺置(fluid laying)，熔喷和纺丝铺置。纤维的网采用机械方式，如通过针刺、缝编、水力缠结(hydro-entanglement)、空气缠结、纺粘、射流(spun lace)等，化学方式，如使用粘合剂，或热力学方式，使用纤维进行点结合(a fiber to point bond)或具有较低熔点的共混纤维，来固结(consolidated)。优选的固结方法是仅采用针刺，或继之以所述其它方法之一。优选的毡是针刺毡。当在第一磨蚀纤维组中采用非织造结构时，它们可以具有与此处提及的那些类似的结构。
所述内侧纤维层组的层同样也包括树脂基质。树脂材料的例子在下面讨论。
头盔壳体的所述外侧、中间和内侧部分每一个的纤维层还包括树脂基质。用于纤维片层的树脂基质可以由各种各样的具有要求特性的弹性体材料或其它材料形成。在一个实施方案中，这种基质中使用的弹性体材料的初始抗拉模量(弹性模量)按照ASTM D638测量小于或等于约6,000psi(41.4MPa)。更优选地，所述弹性体的初始抗拉模量小于或等于约2,400psi(16.5MPa)。最优选地，所述弹性体材料的初始抗拉模量小于或等于约1,200psi(8.23MPa)。这些树脂材料性质上通常是热塑性的，但热固性材料也是可用的。
作为选择，也可以选择树脂基质以当固化后具有高抗拉模量，按照ASTM D638测量例如至少约1x106psi(6895MPa)。这类材料的例子公开在例如US6,642,159中，其公开内容在不与本文相抵触的范围内通过引用明确并入本文。
可以使用各种各样的材料来作为所述外侧、中间和内侧纤维层部分的每一个的树脂基质，包括热塑性树脂和热固性树脂。例如，可以采用任何以下材料：聚丁二烯、聚异戊二烯、天然橡胶、乙烯-丙烯共聚物、乙烯-丙烯-二烯三元共聚物、多硫聚合物(polysulfide polymers)、热塑性聚氨酯、聚氨酯弹性体、氯磺化的聚乙烯、聚氯丁二烯、使用邻苯二甲酸二辛酯或本领域公知的其它增塑剂增塑的聚氯乙烯、丁二烯丙烯腈弹性体、异丁烯-异戊二烯共聚物、聚丙烯酸酯、聚酯、聚醚、含氟弹性体、硅弹性体、热塑性弹性体、和乙烯的共聚物。热固性树脂的例子包括可溶于碳-碳饱和溶剂如甲基乙基酮、丙酮、乙醇、甲醇、异丙醇、环己烷、乙基丙酮及它们的组合中的那些。其中热固性树脂有乙烯基酯、苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物、邻苯二甲酸二烯丙基酯、酚醛树脂如苯酚甲醛树脂、聚乙烯醇缩丁醛、环氧树脂、聚酯树脂、热固性聚氨酯树脂、及它们的混合物，等。其中包括在上面提到的US6,642,159中公开的那些树脂。优选的热固性树脂包括环氧树脂、氨基甲酸酯树脂、聚酯树脂、乙烯基酯树脂、酚醛树脂、及它们的混合物。对于聚乙烯纤维织物来说，优选的热固性树脂包括至少一种乙烯基酯、邻苯二甲酸二烯丙基酯和任选地用于固化该乙烯基酯树脂的催化剂。其它热固性树脂包括三聚氰胺树脂、丙烯酸酯树脂、有机硅树脂、聚脲树脂等。
一种优选的树脂类别是热塑性聚氨酯树脂。另一优选的类别是弹性体材料，其是共轭二烯和乙烯基芳族共聚物的嵌段共聚物。丁二烯和异戊二烯是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是优选的共轭芳族单体。结合聚异戊二烯的嵌段共聚物可以被氢化以产生具有饱和烃弹性体链段的热塑性弹性体。所述聚合物可以是R-(BA)x(x＝3-150)类的简单三嵌段共聚物；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。一种优选的树脂基质是异戊二烯-苯乙烯-异戊二烯嵌段共聚物，例如可从Kraton Polymer LLC获得的KratonD1107异戊二烯-苯乙烯-异戊二烯嵌段共聚物。这些树脂可以分散在水或有机溶剂中。一类热塑性聚氨酯树脂是分散在水中的聚氨酯树脂的共聚物混合物。
所述树脂材料可以与填料如炭黑、二氧化硅等配混，并且也可用油填充和通过硫、过氧化物、金属氧化物或辐射固化体系硫化，采用橡胶技术人员所熟知的方法。还可以使用不同树脂的共混物。
优选地，所述多个纤维层的每一个中的树脂基质或者与其它多个纤维层中的树脂基质相同，或者与其它多个纤维层中的树脂基质相容。″相容″是指不同的层可以通过化学方式或机械方式结合在一起。例如，不同层组的树脂的化学性质优选地是相容的使得不同的层可以在相同模塑压力、温度和模塑持续时间条件下进行加工。这保证了可以在一个有效循环中模制头盔壳体。在一个实施方案中，外侧纤维层组的树脂与中间纤维层组的树脂相容从而这些层结合在一起。优选地，外侧纤维层组中的树脂和中间纤维层组中的树脂在化学上相同，而内侧纤维层组中的树脂在化学上不同于其它树脂。
用于外侧纤维层组的优选的树脂是热固性树脂，更优选地乙烯基酯树脂。用于中间纤维层组的优选的树脂是热固性或热塑性树脂，当采用热固性树脂时更优选地是乙烯基酯树脂。对于中间纤维层组来说还优选的是热塑性聚氨酯树脂和/或苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物。用于内侧纤维层组的优选的树脂是热塑性树脂，更优选热塑性聚氨酯树脂和/或苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物。
头盔壳体的三个部分的每一个中树脂基质材料与纤维的比例根据情况可以在很大范围内变化。一般地，树脂基质材料优选地构成层中纤维和树脂基质总重的约1-约98wt％，更优选地约5-约95wt％，仍更优选地约5-约40wt％。上述百分比是基于固结的织物。最优选地，外侧纤维层组中的树脂占外侧纤维层总重的约5-约25wt％；中间纤维层组中的树脂占中间纤维层总重的约10-约25wt％；以及内侧纤维层组中的树脂占内侧纤维层总重的约10-约40wt％。
优选地，所述多个纤维层的每一个在模制之前都用所述树脂基质涂覆或浸渍，以形成预浸渍织物。一般地，本发明的纤维层优选地通过首先构造纤维网(例如，由机织、针织或非织造织物层开始)然后用基质组合物涂覆所述网来形成。如在本文中所使用的那样，术语″涂覆″以广义使用以描述纤维网，其中单根纤维或者具有围绕所述纤维的基质组合物的连续层或者具有在所述纤维的表面上的基质组合物的不连续层。在前一种情况中，可以说纤维被完全嵌在基质组合物中。术语涂覆和浸渍在本文中可互换使用。尽管可以在模具中将树脂基质施加于无树脂的纤维层上，但由于可能难以控制树脂涂层的均匀性，所以这是不太理想的。
所述基质树脂组合物可以以任何适合的方式如溶液、分散体或乳液施加到纤维层上。然后干燥基质涂覆的纤维网。可以将基质树脂的溶液、分散体或乳液喷到丝线上。或者，可以通过浸入或借助于辊式涂覆机等用水溶液、分散体或乳液涂覆纤维层结构。在涂覆之后，然后可以使涂覆的纤维层穿过烘箱以进行干燥，其中经涂覆的纤维网层(一层或多层)暴露于足够的热以蒸发掉基质组合物中的水或其它液体。然后可以将经涂覆的纤维网放在载体网幅上，或者所述织物可以起初在用基质树脂涂覆之前就放在载体网幅上，其中所述载体网幅可以为纸或膜基材。然后可以将所述基材和所述含一个或多个织物层的树脂基质以已知方式卷绕成连续的卷。
可以通过各种方法来构造所述纤维网。对于单向对准的纤维网来说，在用基质材料涂覆之前，可以从粗纱架提供高强度丝线的纱线束并引导通过导纱器和一个或多个伸幅杆进入准直梳(collimating comb)中。所述准直梳共平面地并且以基本上单向的方式排列所述丝线。
在用树脂基质涂覆织物层之后，可将所述层预成型为头盔形状，其中所述纤维层或者没有彼此结合或者为易于处理只轻微彼此附着。这种预成型有助于最终的模制过程。
取决于要求的头盔类型、期望的性能以及期望的重量，在各部分的所述多个纤维层中的层数可以在很大范围内变化。例如，在各部分的所述多个纤维层中的层数可以为约2-约100层，更优选地约2-约85层，最优选地约2-约65层。各部分的所述多个纤维层中的层数可以不同或可以相同。所述层可以为任何适合的厚度。例如，一个部分的所述多个纤维层的各个层的厚度可以为约1密耳-约40密耳(25-1016μm)，更优选地约3-约30密耳(76-762μm)，最优选地约5-约20密耳(127-508μm)。各多个纤维网的各个层的厚度可以相同或不同。
各部分的所述多个纤维层中的各个层的面密度可以在很大范围内变化，但通常加以选择使得头盔的总重在佩戴者舒适和保护可接受的范围内。例如，在外侧部分所述多个纤维层中的各个层的面密度优选地可以在约5-约35oz/yd2(约169.5-约1186.5g/m2)，更优选地约5-约25oz/yd2(约169.5-约847.5g/m2)的范围内。在中间部分所述多个纤维层中的各个层的面密度优选地可以在约5-约65oz/yd2(约169.5-约2203.5g/m2)，更优选地约5-约14oz/yd2(约169.5-约474.7g/m2)的范围内。在内侧部分所述多个纤维层中的各个层的面密度优选地可以在约1-约90oz/yd2(约33.9-约3051g/m2)，更优选地约1-约7oz/yd2(约33.9-约237.3g/m2)的范围内。在所述外侧、中间和内侧各部分的每一个中的纤维层的面密度可以相同或不同。
所述层的重量比可以按照要求变化。外侧纤维层组可以基于头盔壳体总重以约2-约35wt％，更优选地约5-约15wt％，最优选地不超过约10wt％的量存在。中间纤维层组可以基于头盔壳体总重以约2-约65wt％，更优选地约10-约50wt％，最优选地不超过约40wt％的量存在。内侧纤维层组可以基于头盔壳体总重以约5-约96wt％，更优选地约20-约90wt％，最优选地至少约60wt％的量存在。
如上所述，本发明的头盔壳体是″轻质的″。轻质是指总的面密度小于约5磅/平方英尺(24.4kg/m2)。优选地，头盔壳体的总的面密度在约3-约5磅/平方英尺(约14.6-约24.4kg/m2)的范围。
一类已被用于军事应用中的头盔形状以首字母缩写ACH(Advanced Combat Helmet，高级战斗头盔)为人所知。有利地，这种头盔(尽管不能防步枪子弹)的重量在约900-约1500克，更优选地约1000-约1300克的范围。
为形成本发明的头盔壳体，将各部分的所述纤维层的叠层放置到任何期望形状的合适模具中。出于效率考虑，希望在单个模制步骤中由所述三个部分形成壳体。但是，如果需要，可以将一或两个所述部分先进行模制，然后向模具中引入其它部分。所述模具可以具有任何期望的形状，如碗状、卵状等。
优选地，首先将形成壳体外侧部分的松散结合或未结合的层的叠层放入模具中。此叠层可以预成型为接近期望的形状。接着，将形成壳体中间部分的松散结合或未结合的层的叠层放置在所述外侧部分层之上。在此之后，将形成壳体内侧部分的松散结合或未结合的层的叠层放置在所述中间部分层之上。当使用单向取向的织物作为壳体内侧部分的非织造织物层时，两个或更多个层优选地首先彼此交叉叠置，如以0°/90°、0°/90°/0°/90°等角度。然后将这些交叉叠置的结构(通常称为防护产品)引入模具中。头盔的中间和内侧部分的叠层也可被预成型为接近期望的形状。
在高强度纤维的单个层之间或层部分之间不需要使用粘合剂，因为所述单个层的一种或多种树脂提供了所述层之间必需的结合。不过，如果需要，也可以使用一个或多个单独的粘合层。
应当注意完全并均匀地填充模具和以适当的取向放置所有的层。这确保了整个头盔壳体均匀的性能。如果纤维部分的合并体积大于头盔模具可以处理的量，则模具将不能关闭并由此将不能模制头盔。如果材料的合并体积小于模具的体积，则尽管模具将会关闭但由于缺乏模塑压力而可能不能模制所述材料。
一旦模具被适当地加载需要数目和类型的纤维层，就可以在期望的模制条件下模制头盔壳体。这些条件可以与模制芳族聚酰胺织物的单独的层和聚乙烯织物的单独的层中使用的那些类似。例如，模制温度可以在约65-约250℉、更优选地约90-约330℉、最优选地约120-约320℉的范围。合模力可以例如在约10-约500英吨(10.2-508公吨)、更优选地约50-约350英吨(50.8-356公吨)、最优选地约100-约200英吨(102-203公吨)的范围。模制时间可以在约5-约60分钟、更优选地约10-约35分钟、最优选地约15-约25分钟的范围。
在热固性树脂的情形下，在期望的模制条件下，纤维网中存在的一种或多种树脂被固化。这导致所述单独的层和层组强结合为要求的头盔形状(作为整体的、单块模制品)。据信各组织物的热固性树脂在它们的交界面处通过所述树脂的交联而结合。对于热塑性树脂，头盔被冷却到低于树脂的软化温度并然后从模具中拉出。在热和压力下，热塑性树脂在织物层之间流动，同样导致形成整体的、单块模制品。在冷却过程中，保持模塑压力。之后从模具中取出模制的产品并且如果必要对局部进行修整。
用于复合材料结构中的织物相对薄但却非常强。单独的织物层的优选厚度为约1-约36密耳(25-911μm)，更优选地约3-约28密耳(76.2-711μm)，最优选地约5-约23密耳(127-584μm)。
如前面所述，本发明的头盔能够防止步枪子弹穿透。这种子弹具有极高的能量水平。本发明的头盔能够防止被能量水平为至少约1600焦的子弹、更优选地能量水平为约1600-约4000焦的子弹、最优选地能量水平为约1700-约3000焦的子弹穿透。
下面是不同的子弹及其能量水平的列表，速度和能量在枪口处测量。可以看出，步枪子弹具有远高于手枪子弹的能量水平，因此更难以阻止其穿透头盔。
表1 子弹的动能
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尽管本发明的头盔是轻质的，但由于它们独特的构造，它们能够防止高能步枪子弹穿透。期望的重量和防弹性的这种结合意味着所述头盔将更容易被需要免于高能量水平威胁的人员使用。
头盔结构可进行改动以按照需要接收各种附件。例如，头盔可形成为具有槽或内建通道，以便于连接期望的设备。
虽然不束缚于任何特定理论，但据信含磨蚀纤维的纤维层的外侧部分用于使步枪弹头及其壳变形。含机织或针织高强度聚烯烃纤维的层的中间部分剥去弹头壳或外壳。含非织造高强度聚烯烃纤维的层的内侧部分使弹头的剩余部分变形并捕获它，从而防止穿透头盔。
给出下面的非限制性实施例以提供对本发明的更完全的理解。给出的用于说明本发明原理的具体技术、条件、材料、比例和报告的数据都是示例性的，不应被看作是限制本发明的范围。除非另有说明，否则所有的百分比都是重量百分比。
实施例
实施例1
由三个不同的高强度纤维部分形成头盔壳体。外侧层由机织构造的玻璃纤维(Hexcel的Style 7628，其为平纹组织，17x12每英寸纱数(6.7x4.7每厘米纱数)形成。用乙烯基酯树脂(Ashland Chemical的Derakane 411-25树脂)涂覆单独的机织玻璃纤维层，通过将所述机织织物浸入在丙酮溶剂中的所述树脂和固化剂的容器中。干燥之后，发现机织玻璃纤维层具有10wt％的乙烯基酯树脂。各个层的面密度为200g/m2。将总共2层所述机织玻璃纤维复合材料松散地堆叠并预成型为近似头盔的形状。
头盔壳体的中间层由机织高强度聚乙烯纤维(Honeywell International Inc.的Spectra
Figure BPA00001205819000151
900)形成。这些纤维的强度为30g/d。所述机织织物为Hexcel的样式903，其为平纹组织21x21每英寸纱数(8.3x8.3每厘米纱数)织物。通过将所述织物浸入树脂溶液的容器中，用与玻璃纤维层所使用的相同的乙烯基酯树脂涂覆单独的机织聚乙烯纤维层。干燥之后，发现机织聚乙烯纤维层具有20wt％的乙烯基酯树脂。各个层的面密度为296g/m2。将总共2层所述机织高强度聚乙烯纤维复合材料松散地堆叠并预成型为近似头盔的形状。
头盔壳体的内侧层由1300旦尼尔的单向取向的高强度聚乙烯纤维(Honeywell International Inc.的Spectra3000)形成。使单向取向的纤维的网穿过含有在水中的热塑性聚氨酯树脂的涂覆浴，干燥之后，发现所述树脂占非织造织物层的16wt％。将四层这些层以0°/90°/0°/90°交叉叠置并层压在一起以形成四片层防护产品。所述四片层复合材料的面密度为257g/m2。将总共67层所述四片层-层松散地堆叠在一起，使相邻纤维层的纤维取向彼此偏移90°。将所述纤维层预成型为近似头盔的形状。
将头盔壳体的所述三部分装入具有期望的头盔形状的模具(ACH模具)中，其中首先将外侧层放入模具中，随后放入中间层，然后放入内侧层。将层的叠层在190英吨(193公吨)合模压力下于90℉(32℃)加热15分钟，接着冷却到220℉(104℃)15分钟进行模制。在从模具中释放后，修整头盔壳体的边缘。头盔壳体的总面密度为3.75磅/平方英尺(18.31kg/m2)。
根据MIL-STD-662F标准测试该头盔壳体抗步枪子弹(AK47、AK74和NATO Ball)的能力，并发现抗这些子弹的穿透。
实施例2
如实施例1制备头盔，只是中间层中使用的树脂是与内侧部分的层中所用相同类型的热塑性聚氨酯树脂。中间纤维层的树脂含量为20wt％。
如实施例1测试头盔壳体，获得了类似的结果。
实施例3
如实施例1制备头盔，只是内侧层中的树脂是苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物(Kraton D-1107)。内侧纤维层的树脂含量为17wt％。如实施例1测试头盔壳体，获得了类似的结果。
本发明的头盔是轻质的，但却具有出色的防步枪子弹性。所述头盔还具有出色的抗冲击性和结构刚度。所述头盔可用于军事和非军事应用，如执法头盔、运动头盔以及其它类型的安全头盔。
尽管已经如此相当详细地描述了本发明，但应理解不必严格遵循这些细节，相反对于所属领域技术人员来说进一步的变化和改动可能是显而易见的，这些都落入如附加的权利要求所定义的本发明的范围之内。

Claims (10)

1.抗步枪子弹穿透的轻质模制头盔，所述头盔包括壳体，所述壳体从外到内包括：
第一多个纤维层，所述纤维层包括在第一树脂基质中的高强度磨蚀纤维；
结合到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质中的高强度纤维的机织或针织网，所述高强度纤维包括聚烯烃纤维；和
结合到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质中的高强度纤维的非织造网，所述高强度纤维包括聚烯烃纤维。
2.权利要求1的头盔，其中所述第二和第三多个纤维层包括聚乙烯纤维。
3.权利要求2的头盔，其中所述第三多个纤维层包括彼此相对取向的单向取向的纤维层。
4.权利要求1的头盔，其中所述第一、第二和第三树脂独立地选自热塑性树脂和热固性树脂。
5.权利要求4的头盔，其中所述第一树脂包括热固性树脂，所述第二树脂包括热固性树脂或热塑性树脂，且所述第三树脂包括热塑性树脂。
6.权利要求5的头盔，其中所述第一树脂和所述第二树脂在化学上相同，且所述第三树脂在化学上与所述第一和第二树脂不同。
7.权利要求1的头盔，其中所述磨蚀纤维选自玻璃纤维、石墨纤维、碳化硅纤维、碳化硼纤维及它们的混合物。
8.权利要求1的头盔，其中所述第一多个纤维层的所述纤维层的面密度为约5-约35oz./yd2(169.5-1186.5g/m2)，所述第二多个纤维层的所述纤维层的面密度为约5-约65oz./yd2(169.5-2203g/m2)，和所述第三多个纤维层的所述纤维层的面密度为约1-约90oz./yd2(33.9-3051g/m2)。
9.抗步枪子弹穿透的轻质模制头盔，所述头盔包括壳体，所述壳体从外到内包括：
第一多个纤维层，所述第一多个纤维层包括在第一树脂基质中的高强度玻璃纤维的机织网，所述第一树脂包括热固性树脂；
结合到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质中的高强度纤维的机织网，所述高强度纤维包括聚乙烯纤维，所述第二树脂包括热固性树脂或热塑性树脂；和
结合到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质中的高强度纤维的非织造网，所述高强度纤维包括聚乙烯纤维，所述第三树脂包括热塑性树脂，
所述头盔的总面密度为约3-约5磅/平方英尺(14.6-24.4kg/m2)，且抗能量为至少约1600焦耳的步枪子弹。
10.形成抗步枪子弹穿透的轻质头盔的壳体的方法，所述方法包括以下步骤：
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质中的高强度纤维的网，所述高强度纤维包括磨蚀纤维；所述第一多个纤维层在所述模具中面向里面；
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质中的高强度纤维的机织网，所述高强度纤维包括聚烯烃纤维，所述第二多个纤维层叠加在所述第一多个纤维层上，所述第一和第二树脂是相容的从而使得所述第一和第二多个纤维层可彼此结合；
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质中的高强度纤维的非织造网，所述高强度纤维包括聚烯烃纤维，所述第三多个纤维层叠加在所述第二多个纤维层上；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和压力以由此形成所述头盔壳体。
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