CN104154819A

CN104154819A - 聚乙烯复合防弹头盔

Info

Publication number: CN104154819A
Application number: CN201310176467.7A
Authority: CN
Inventors: 孙其永
Original assignee: Beijing Tongyizhong Specialty Fiber Technology & Development Co Ltd
Current assignee: Beijing Tongyizhong Specialty Fiber Technology & Development Co Ltd
Priority date: 2013-05-14
Filing date: 2013-05-14
Publication date: 2014-11-19
Anticipated expiration: 2033-05-14
Also published as: CN104154819B

Abstract

本发明涉及一种聚乙烯复合防弹头盔。本发明的乙烯复合防弹头盔包括内层、设置在所述内层上的过渡中间层、设置在所述过渡中间上的外层以及设置在所述外层上的表层；其中，所述内层由聚乙烯无纬布制成，所述过渡中间层由浸渍热固性聚合物树脂的高强度玻璃纤维织物制成，所述外层由防弹陶瓷片制成，所述表层由高分子聚合物制成。本发明的聚乙烯复合防弹头盔可以防御步枪弹的穿透，且其具有质量轻，不影响战斗效果等优点，可供执法人员和作战士兵使用。

Description

聚乙烯复合防弹头盔

技术领域

本发明涉及一种人体头部的安全防护装置，属于防护装备领域，具体涉及一种防步枪弹及高速大口径破片的聚乙烯复合防弹头盔。

背景技术

防弹头盔是用于使头部免受伤害的一种单兵防护装具，是军、警等保卫人员在执行任务时面对枪弹威胁等环境时必备的个体防护装备，历来为各国军队所重视。它能够吸收、耗散弹头的动能，阻止穿透，有效保护头部。

现代防弹头盔经历了从防弹金属材料到纤维增强复合材料的发展过程。传统防弹金属材料的防弹头盔虽然能够满足防弹要求，但具有重量大、刚性太强、隔热性能差及舒适性差缺点，不但会使穿戴者的活动能力受到限制，而且还存在跳弹二次伤人的危险。随着科学技术的不断发展，芳纶（Kevlar）纤维和超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维等高性能纤维的开发和应用使防弹材料有了很大的突破，加速了防弹材料向轻量化、舒适化的发展。高性能纤维复合材料与钢制材料相比具有较高的比强度和比模量，因此能量吸收能力远胜于防弹金属材料，用于制作防弹衣或防弹头盔等个体防护装备时，质量较轻，舒适性强，穿戴者的活动能力不会受到限制，有很好的机动性和灵活性。研究表明，超高分子量聚乙烯纤维的抗冲击性能优于芳纶纤维。而且，超高分子量聚乙烯纤维具有很好的耐化学腐蚀和耐气候性，因而对外部环境有很好的适应性。

超高分子量聚乙烯（英文缩写UHMWPE）纤维也称伸直链聚乙烯纤维。若按其力学性能特点来定义，亦可称之为高强高模聚乙烯（HSHMPE）纤维。它是采用相对分子质量10⁶数量级的线性聚乙烯，经冻胶纺丝超倍热拉伸后制得的。由超高分子量聚乙烯纤维制成的UD无纬布是近些年国际市场上出现的、主要用于高级防弹领域的一种新型高性能复合材料，也称为UD防弹布，防弹无纬布。其基本结构是使两层或两层以上单向排列的无纬布，按照一定的纤维轴旋转角度进行交叉铺层，其中使用胶粘剂进行复合后形成软片形式，作为基本成品材料来使用。无纬布是由美国联合信号（Allied Signal）公司发明的技术，又称单向排列技术。制备防弹成品时，将多层无纬布叠加，放在模具内，在一定温度和压强下热压成型，相邻无纬布纤维排列成非零角度。由于无纬布中的长纤维顺直、平行地排列在基体材料中，加之在生产过程中纤维的强度损失极小，能充分发挥超高分子量聚乙烯纤维本身的独特优势，所以成品的抗弹性能极好。

目前，现有的非金属防弹头盔大部分是采用浸渍环氧树脂的芳纶织物、或PE无纬布通过热压成型工艺制得，如CN1205852A、CN1515869A、CN1193724A、CN201045890Y、CN101749984A等。这类防弹头盔的盔壳厚度在10mm左右，防护水平通常只能达到防御54式手枪发射的51式铅芯弹（弹动能约为554J）或NIJ IIIA级别。随着现代武器火力的不断升级，如半自动步枪、自动步枪、狙击步枪的投入使用以及战场上出现的高速大口径破片带来的杀伤。原有的防弹头盔已难以满足对步枪弹及高速大口径破片的防弹要求，所以，研制高防护等级的防弹头盔是十分必要的，以求达到对56式普通弹（弹动能约为2116J）、Nato M80弹、SS109弹等步枪弹及高速大口径破片的防护。

若单独使用聚乙烯无纬布来压制防步枪弹等级的防弹头盔，头盔的厚度需要达到24mm以上。毫无疑问，这样厚度的头盔会非常的笨重，舒适性很差。并且这样厚度的防弹头盔在生产上很难能够实现。若采用特种钢来压制防步枪弹等级的防弹头盔，头盔的厚度需要7mm以上，盔壳重量要达到7.5Kg。这样重量的头盔戴在头上，人体的颈椎根本无法承受。在单独采用防弹钢和超高分子量聚乙烯纤维无纬布均达不到理想防护效果情况下，选用防弹陶瓷与合适的背衬复合材料复合成为最好的选择。

中国专利CN2677860Y公开了一种轻质高强瓷基复合材料防弹头盔，在该专利中，防弹头盔外层材料是防弹陶瓷球，内层材料采用高分子纤维布或玻璃纤维布，中间过渡层材料采用碳纤维布或铝合金薄板，三种不同的材料在胶粘剂连结作用下构成一种梯度复合型结构防弹材料。由于该防弹头盔外层采用防弹瓷球，所以，铺放的防弹瓷球之间不可避免会有一定的空隙。空隙的存在无疑会影响头盔的防弹性能，同时防弹陶瓷球的接触位置也是防弹性能薄弱的地方。

中国专利CN1907165A公开了一种陶瓷基轻质防弹头盔及其制造方法，在该专利中，防弹头盔由中间的陶瓷基体层与附在其两侧的PE层热压粘接构成。所述的陶瓷基体层由多个多棱柱体、多棱锥体和多棱台拼合而成。该防弹头盔中的PE层为单纯的高分子材料，在受到枪弹射击时，外层的PE层吸收的子弹动能是非常小的，基本上可以忽略不计，内层的PE层无法给予陶瓷基体以足够的支承，当弹头碎片及陶瓷碎片一起撞击在内层的PE层时，内层的PE层很容易发生弯曲拉伸破裂。

发明内容

本发明的要解决的技术问题是提供一种聚乙烯复合头盔。该聚乙烯复合头盔能够防御步枪弹及高速大口径破片。

本发明所提供的聚乙烯复合头盔，包括内层、设置在所述内层上的过渡中间层、设置在所述过渡中间上的外层以及设置在所述外层上的表层；其中，所述内层由聚乙烯无纬布制成，所述过渡中间层由浸渍热固性聚合物树脂的高强度玻璃纤维织物制成，所述外层由防弹陶瓷片制成，所述表层由高分子聚合物制成。

其中，所述聚乙烯无纬布为两层以上；

所述的聚乙烯无纬布包括强度至少为32cN/dtex，模量至少为1000cN/dtex的聚乙烯纤维。

其中，所述浸渍热固性聚合物树脂的高强度玻璃纤维织物为两层以上。

所述热固性聚合物树脂为乙烯基酯、不饱和聚酯、环氧树脂或苯酚树脂。

所述热固性聚合物树脂的重量含量为30-40%。

未浸渍热固性聚合物树脂的高强度玻璃纤维织物为平纹组织且其经、纬向拉伸断裂强力大于1600N/25mm（根据国际标准ISO4606-1979测定），密度为150-200g/m²。

其中，所述防弹陶瓷片为多边形防弹陶瓷片。

所述的防弹陶瓷片由氧化铝、碳化硼、碳化硅或氮化硼制成。

所述的防弹陶瓷片的厚度为3-10mm。

所述的防弹陶瓷片的边长为12-50mm。

其中，所述的高分子聚合物为塑料、橡胶、橡塑或树脂。

所述表层厚度为0.5-1mm。

本发明聚乙烯复合头盔具有良好的防弹性能，防御步枪弹及高速大口径破片的聚乙烯复合防弹头盔，且制造方法简单，组装方便。本发明聚乙烯复合头盔重量仅为采用防弹金属材料的防弹头盔的1/4～1/3，重量轻。

附图说明

图1为本发明实施例的聚乙烯复合防弹头盔的主视图；

图2为本发明实施例的聚乙烯复合防弹头盔的剖面图；

图3为本发明实施例的聚乙烯复合防弹头盔铺完陶瓷片后的效果图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和效果更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明的聚乙烯复合头盔，包括内层、设置在所述内层上的过渡中间层、设置在所述过渡中间上的外层以及设置在所述外层上的表层；其中，所述内层由两层以上聚乙烯无纬布制成，所述过渡中间层由两层以上浸渍热固性聚合物树脂的高强度玻璃纤维织物制成，所述外层由防弹陶瓷片制成，所述表层由高分子聚合物制成。

1.聚乙烯复合头盔的内层

本发明的聚乙烯复合头盔的内层中所述的聚乙烯无纬布由强度至少为32cN/dtex，模量至少为1000cN/dtex的聚乙烯纤维制成。聚乙烯纤维的强度、模量越高，所用的聚乙烯无纬布层数就越少，聚乙烯复合头盔的内层就越薄。优选地，所述聚乙烯无纬布由强度至少为35cN/dtex，模量至少为1200cN/dtex的聚乙烯纤维制成。进一步地，所述聚乙烯无纬布中聚乙烯纤维的重量百分比为75%-90%。聚乙烯纤维的重量比在这个范围内，聚乙烯无纬布的防弹性能比较好。优选地，所述聚乙烯无纬布中聚乙烯纤维的重量百分比为80%-85%。

根据所需头盔的形状和大小，对聚乙烯无纬布进行裁剪，然后将两层以上剪裁后的聚乙烯无纬布交叉整齐叠合，放入热压预成型模具中热压预成型，热压成型后再放入冷压预成型模具中冷却定型，从而获得本发明的聚乙烯复合头盔中的内层。其中，热压预成型的条件为升温至90-100℃，升压至5-10MPa，保温保压5-10分钟。冷却定型的条件为在压力5-10MPa下保持5-10分钟。

本发明的聚乙烯复合头盔的内层由于采用聚乙烯无纬布而使得防弹头盔更轻，具有很好的机动性和灵活性。在本发明中，聚乙烯无纬布内层防御弹头碎片及陶瓷碎片。聚乙烯无纬布内层通过弯曲拉伸变形、分层以及应力波的传播吸收剩余能量。

2.聚乙烯复合头盔的过渡中间层

本发明的聚乙烯复合头盔的过渡中间层中未浸渍热固性聚合物树脂的高强玻璃纤维织物为平纹组织，且经、纬向拉伸断裂强力大于1600N/25mm，密度为150-200g/m²。这样的高强玻璃纤维可以满足生产的需求。进一步地，所述热固性聚合物树脂为乙烯基酯、不饱和聚酯、环氧树脂或苯酚树脂。优选地，所述的热固性聚合物树脂为环氧树脂。进一步地，所述热固性聚合物树脂重量含量为30-40%。优选地，所述热固性聚合物树脂重量含量为35%。

将高强度玻璃纤维织物用热固性聚合物树脂浸渍，获得浸渍热固性聚合物树脂的高强度玻璃纤维织物。根据所需头盔的形状和大小，对高强度玻璃纤维织物进行裁剪，然后浸渍热固性聚合物树脂。将剪裁后的两层以上浸渍热固性聚合物树脂的高强度玻璃纤维织物进行叠合，然后将其铺覆到表面刷涂有特种胶粘剂的聚乙烯复合头盔的内层上，接着放入热压成型模具中热压成型，热压成型后放入冷压成型模具中冷却定型，从而在本发明的聚乙烯复合头盔的内层上形成了过渡中间层。热压成型的条件为升温至125-135℃，升压至20-25MPa，恒温恒压保持10-15分钟。冷却定型的条件为在压力20-25MPa下保持10-15分钟。

本发明的聚乙烯复合头盔的过渡中间层，不但可以很好地支持铺覆在其上的陶瓷片，使陶瓷片对子弹的磨蚀吸能得到最大限度的发挥，而且可以发挥聚乙烯无纬布的内层充分变形吸能的作用，提高防弹头盔弹道性能。

3.聚乙烯复合头盔的外层

本发明的聚乙烯复合头盔的外层由防弹陶瓷片拼合而成。其中，防弹陶瓷片为多边形防弹陶瓷片。根据头盔的形状，在头盔的不同区域，多边形防弹陶瓷片的边数可以不同。通常情况下，多边形防弹陶瓷片的边数为3～8，边长为12-50mm。使用这样的多边形防弹陶瓷片，在抵御子弹进攻后若陶瓷片被击碎，由于陶瓷片相对较小，能够很方便的维修更换，确保了本发明的聚乙烯复合头盔可以多次反复使用。此外，多边形防弹陶瓷片具有曲率，并且根据头盔的形状，在头盔的不同区域多边形防弹陶瓷片可以具有不同的曲率。防弹陶瓷片具有相应形状和相应曲率，能够与具有一定弧度的头盔得到很好的贴合，为制作带来方便。根据头盔的形状，在头盔的不同区域，防弹陶瓷片的厚度也可以不同，优选地防弹陶瓷片的厚度为3-10mm。进一步地，在头盔的不同区域，防弹陶瓷片可以由不同的材料制成。其中，防弹陶瓷片可以由氧化铝、碳化硼、碳化硅或氮化硼制成。这样可以使防弹头盔不同区域得到不同的防弹水平以使防弹头盔关键部位（例如：前部、后部、左侧、右侧）得到更高防弹等级的防护能力。

将上述具有相应形状和相应曲率的防弹陶瓷片用特种胶粘剂粘结到本发明的聚乙烯复合头盔的过渡中间层的外表面，从而在聚乙烯复合头盔的过渡中间层上形成由防弹陶瓷片拼合而成本发明的聚乙烯复合头盔的外层。为增加粘附力聚乙烯复合头盔的过渡中间层的外表面可以先进行喷砂处理再刷涂特种胶粘剂。

本发明的聚乙烯复合头盔中，外层由防弹陶瓷片制成。铺覆在头盔中的防弹陶瓷片使弹头易于变形，不会发生穿透情况。并且，由防弹陶瓷片制成的外层可以为避免因陶瓷层被击碎而使整个复合头盔失去原有抗弹性能。

4.聚乙烯复合头盔的表层

本发明的聚乙烯复合头盔的表层由高分子聚合物制成。所述高分子聚合物壳体为塑料、橡胶、橡塑或树脂。进一步地，所述表层的厚度为0.5-1mm。

将高分子聚合物预制成与所需头盔相匹配的壳体，将该壳体胶粘到聚乙烯复合头盔的外层上，获得本发明的聚乙烯复合头盔。

本发明的聚乙烯复合头盔的表层可以防止防弹陶瓷脆片破碎后飞溅伤人，同时在表层上方便喷涂装饰油漆，改善外观效果，不再需要进行复杂的表面处理而实现增强油漆的附着力。

下面结合具体的实施例对本发明的聚乙烯复合防弹头盔进行进一步的介绍。

实施例：

本实施例制造如图1所示的聚乙烯复合防弹头盔，具体步骤如下：

将两层由牌超高分子量聚乙烯纤维制备的21层牌高性能聚乙烯无纬布根据所需头盔的形状和大小进行裁剪，交叉整齐叠合。叠合后放入热压预成型模具中，升温至90℃，压力10MPa，保温保压10分钟使聚乙烯无纬布中的热塑型聚合物树脂软化。然后从热压预成型模具中取出，迅速放入冷压预成型模具中，压力5Pa，保持10分钟，得到内层1，如图2所示。

使用经、纬向拉伸断裂强力1600N/25mm，密度为150g/m²的平纹高强玻璃纤维织物。将三层高强度玻璃纤维织物根据所需头盔的形状和大小进行裁剪，然后浸渍环氧树脂，获得裁剪的浸渍环氧树脂的高强度玻璃纤维织物（其中环氧树脂的重量含量为35%），将其整齐叠合，然后铺覆到外表面刷涂上特种胶粘剂（环氧类树脂胶）的内层1上，放入热压成型模具中，升温至125℃，升压至25MPa，恒温恒压保持15分钟。取出迅速放入冷压成型模具中冷却定型，压力25MPa，保持10分钟，从而在内层1上形成了过渡中间层2，如图2所示。

对将过渡中间层2的外表面进行喷砂处理，然后涂敷特种胶粘剂（环氧类树脂胶），之后将具有不同曲率的5mm厚、边长为12mm的六边形碳化硼防弹陶瓷片，按照头盔的不同区域，逐一粘结到过渡中间层2的外表面上，从而在过渡中间层2上形成外层3，如图2所示。图3所示为防弹陶瓷片粘结后的效果示意图。

最后，将根据所需头盔的形状和大小由聚乙烯聚合物预制的0.5mm厚的壳体包覆外层3形成的表层4，从而得到聚乙烯复合防弹头盔。该聚乙烯复合防弹头盔的厚度为11mm，重量为2.28Kg。

经实弹射击表明，该聚乙烯复合防弹头盔可防住56式冲锋枪发射的56式7.62mm普通弹的贯穿。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种聚乙烯复合头盔，包括：

内层、设置在所述内层上的过渡中间层、设置在所述过渡中间上的外层以及设置在所述外层上的表层；

其中，所述内层由聚乙烯无纬布制成，所述过渡中间层由浸渍热固性聚合物树脂的高强度玻璃纤维织物制成，所述外层由防弹陶瓷片制成，所述表层由高分子聚合物制成。

2.根据权利要求1所述的聚乙烯复合头盔，其特征在于，所述聚乙烯无纬布为两层以上。

3.根据权利要求2所述的聚乙烯复合头盔，其特征在于，所述聚乙烯无纬布包括强度至少为32cN/dtex，模量至少为1000cN/dtex的聚乙烯纤维。

4.根据权利要求1所述的聚乙烯复合头盔，其特征在于，所述浸渍热固性聚合物树脂的高强度玻璃纤维织物为两层以上。

5.根据权利要求4所述的聚乙烯复合头盔，其特征在于，所述热固性聚合物树脂为乙烯基酯、不饱和聚酯、环氧树脂或苯酚树脂。

6.根据权利要求5所述的聚乙烯复合头盔，其特征在于，所述热固性聚合物树脂的重量含量为30-40%。

7.根据权利要求1所述的聚乙烯复合头盔，其特征在于，未浸渍热固性聚合物树脂的高强度玻璃纤维织物为平纹组织且其经、纬向拉伸断裂强力大于1600N/25mm，密度为150-200g/m²。

8.根据权利要求1所述的聚乙烯复合头盔，其特征在于，所述防弹陶瓷片为多边形防弹陶瓷片。

9.根据权利要求8所述的聚乙烯复合头盔，其特征在于，所述的防弹陶瓷片由氧化铝、碳化硼、碳化硅或氮化硼制成。

10.根据权利要求1所述的聚乙烯复合头盔，其特征在于，所述的防弹陶瓷片的厚度为3-10mm。

11.根据权利要求8所述的聚乙烯复合头盔，其特征在于，所述的防弹陶瓷片的边长为12-50mm。

12.根据权利要求1所述的聚乙烯复合头盔，其特征在于，所述的高分子聚合物为塑料、橡胶、橡塑或树脂。

13.根据权利要求1所述的聚乙烯复合头盔，其特征在于，所述表层厚度为0.5-1mm。