CN103251162A - 一种具有新型微孔缓冲层结构的轻质安全头盔 - Google Patents

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樊瑜波
王丽珍
徐鹏
倪义坤
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Abstract

本发明公开了一种具有新型微孔缓冲层结构的安全头盔的结构，包括头盔外壳、缓冲层、内衬和织物层四个部分。利用仿生学原理，本发明的缓冲层采用与核桃壳中层类似的多孔结构，并在各个孔壁上分布有连通孔。这样的设计使得缓冲层可以有效的分散冲击力，吸收冲击能量，减小冲击损伤。同时也可以减轻头盔的重量，提高了使用舒适度。内衬由一定厚度的密度较低且质地柔软的泡沫材料或者海绵构成，可以作为头盔外壳和缓冲层减震功能的补充。本发明可以提高头盔抵抗冲击的性能，保护头部不遭受损伤。

Description

一种具有新型微孔缓冲层结构的轻质安全头盔
技术领域
本发明涉及安全头盔的技术领域，具体是指一种具有可以有效分散冲击力、减小冲击能量传递的缓冲层结构的安全头盔。 
背景技术
在生产生活中，头部的防护一直是重点。最有效的手段是佩戴头盔或安全帽。现在常用的头盔主要采用三层结构：适当厚度的硬质帽盔式外壳，一定厚度的缓冲层以及与人的头部接触的内衬。外壳一般采用耐磨损、抗压缩性好的ABS或PC等硬质塑料，也有采用碳纤维复合材料或金属材料。该层的刚度大，有助于抵抗尖锐物的穿透，也可以扩大受力面积，减小局部应力。缓冲层紧贴于外壳内侧，常使用EPS、EPO、EPP等泡沫塑料。该层的主要作用是通过泡沫体的大变形来抵挡从外壳传过来的冲击力，吸收冲击能量。然而在实际使用时，由于泡沫体被压缩的变形距离有限，在较大的冲击力作用下，其所形成的缓冲效果并不理想。另外就是泡沫体一般刚度偏小，不利于冲击力的分散和传播，使得冲击力过度集中，戴用者头部仍然有受伤的危险。这个问题往往是通过增加头盔厚度来解决，但这也同时增加了头盔的重量，给使用者带来了不便。 
从仿生学的角度来看，经过不断的进化，自然界中的很多物种已经具备了良好的抵抗冲击荷载的能力。核桃就是其中的一种。虽然核桃壳密度很小，厚度很薄。但是其外壳非常坚硬，且可以承受数十倍于自重的冲击荷载。即使是很高的地方跌落或者是受到一定力度的锤击，果仁依然可以保持完好无损。通过扫描电子显微镜观察，可以发现核桃壳也是明显的三层结构（图1）：由石细胞构成的致密的外层，疏松多孔的中层以及附着于中层内侧的内层。在中层结构的各个微孔壁上，又分布着很多尺寸更小的纹孔。通过这些纹孔，相邻的微孔可以彼此连通。中层的微孔结构以及孔壁上又有小孔的的结构，有利于吸收冲击荷载能量，保护果仁免受损害。本发明将核桃壳中层的缓冲结构和减震机理应用于头盔的结构设计中，在提高了安全头盔的抗冲击性能的同时也减轻其重量。 
发明内容
本发明的目的是针对现有安全头盔在抵抗冲击方面的不足，利用仿生学原理，设计了一种具有新型微孔缓冲层结构的轻质安全头盔，以改善头盔的抗冲击性能。 
为了解决以上技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种头盔的缓冲结构，包括：头盔的外壳，结合于壳体内侧的缓冲层，与缓冲层结合的内衬。外壳由刚度较大的材质构成，比如：ABS塑料、碳纤维复合材料或金属材料。缓冲层采用与核桃壳中层类似的多孔结构，孔径控制在0.4mm到0.6mm之间。孔与孔之间的孔壁上又分布有连通孔，连通孔的直径控制在10μm到20μm之间。内衬由一定厚度的密度 较低且质地柔软的材料，比如泡沫材料或者海绵构成。该层的内表面通过织物与头部接触。各层之间通过胶粘连接成一个整体。 
采用上述技术方案，头盔外壳将撞击点的冲击力扩散到较大的面积上。头盔的缓冲层采用孔壁上分布连通孔的多孔结构的微观构型，有利于冲击力的扩散，减小局部的冲击应力。另外也可以在一定程度上减轻头盔的重量，让使用者更加舒服。内衬采用软质材料，一方面可以作为头盔外壳和缓冲层减震功能的补充，另一方面也可以提高使用的舒适度。 
本发明是对头盔缓冲结构的改进，不涉及头盔的具体构型。因此本发明可以应用于不同设计构型的头盔（凹入式头盔和非凹入式头盔）。 
附图说明
图1是核桃壳的结构示意图； 
图2是核桃壳中微孔结构的放大图； 
图3是本发明所述安全头盔的结构示意图。 
图4是本发明所述缓冲层微孔结构的放大图。 
图中：1外层；2中层；3内层；4孔壁；5纹孔；6头盔外壳；7缓冲层；8微孔结构；9连通孔；10内衬；11织物层。 
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述： 
如图3所示，本发明由四部分组成，由外向内依次为:头盔外壳6、缓冲层7、内衬10和织物层11。其中头盔外壳6采用硬质材料制成。缓冲层7采用与核桃壳中层类似的多孔的微观构型，微孔结构8的孔径控制在0.4mm到0.6mm之间，孔与孔之间的孔壁上有连通孔9，小孔的直径控制在10μm到20μm之间。内衬10由一定厚度密度较低且质地柔软的泡沫材料或者海绵构成。织物层11与人体头部直接接触。各层之间通过胶粘连接成一个整体。 
缓冲层7采用微孔结构8和孔壁上分布连通孔9的微观构型，可以加强缓冲层对冲击力的扩散作用，减小局部的冲击应力，从而加强对头部的防护能力。也可以在一定程度上减轻头盔的重量，让使用者更加舒服。 

Claims (5)

1.一种有新型微孔缓冲层结构的安全头盔，其特征在于，它为四层结构，其由外向内依次为头盔外壳、缓冲层、内衬和织物层，各层之间用胶粘接后形成一个整体。 
2.如权利要求1所述的具有新型微孔缓冲层结构的安全头盔，其特征在于，所述头盔外壳采用的材料是硬质材料，比如ABS塑料、碳纤复合材料或金属材料等。 
3.如权利要求1所述的具有新型微孔缓冲层结构的安全头盔，其特征在于，所述缓冲层采用与核桃壳中层类似的多孔结构，孔径控制在0.4mm到0.6mm之间。 
4.如权利要求3所述的具有新型微孔缓冲层结构的安全头盔，其特征在于，所述多孔结构中的微孔之间的孔壁上又有连通孔，连通孔的直径控制在10μm到20μm之间。 
5.如权利要求1所述的具有新型微孔缓冲层结构的安全头盔，其特征在于，所述内衬采用的材料是密度较低软质材料，比如柔软的泡沫材料、海绵材料等。 
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