CN104236393A - 一种多功能复合材料防弹头盔及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多功能复合材料防弹头盔及其制造方法，该防弹头盔由高性能碳纤维、芳纶纤维与超高分子量聚乙烯纤维中的两种或两种以上制成混杂织物，而后与含特种填料的热固性/热塑性复合树脂胶黏剂制成预浸料，经多材质组合铺层技术模压制成，模压过程在预浸料层间嵌入电子信息部件，该技术成型后的防弹头盔包括刚性加固层、防弹层、防背凸层、缓冲层及嵌入式电子信息模块等多重结构，兼备轻量化、强度高、刚度高、耐腐蚀、防弹背凸低、耐水性能好等优点，集成红外隐身、GPS定位、夜视、视频传输等多种电子信息功能。

Description

一种多功能复合材料防弹头盔及其制造方法

技术领域

本发明涉及防弹头盔，特别涉及一种多功能复合材料防弹头盔及其制造方法。

背景技术

防弹头盔是一种重要的单兵防护用具，现代防弹头盔材质的发展经过了从金属到非金属复合材料的过程。二次世界大战期间，世界各国采用的防弹头盔主要为高锰钢或特种钢冲压制备，该金属材质防弹头盔存在重量大、防弹性能不稳定、导电性能高、隔热性能低、弹丸二次反弹等严重问题。随着高性能纤维的出现和技术发展，韧性高、拉伸强度大、模量高的特种纤维增强复合材料逐渐成为钢盔的主要替代材质，纤维增强复合材料非金属防弹头盔主要由玻璃纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等高性能纤维树脂基复合材料制成，其中具有较好防弹性能的非金属复合材料头盔主要为芳纶纤维防弹头盔和超高分子量聚乙烯纤维防弹头盔。

鉴于芳纶纤维价格昂贵，而且在紫外线及潮湿环境下的耐久度较差，所以由芳纶纤维复合材料制备的防弹头盔寿命较短，不利于市场大量推广应用。超高分子量聚乙烯纤维作为另外一种防弹效果优异的高性能纤维，不仅具有突出的力学特性，而且与芳纶纤维相比，其密度低、耐水性好、耐紫外线辐照性能优异、耐酸碱老化特性较好。特别是美国联合信号公司以超高分子量聚乙烯纤维材质为基础发明的单向纤维排列技术(无纬布技术)，将超高分子量聚乙烯纤维的防弹性能发挥到极致，这种单向排列形式的超高分子量聚乙烯纤维织物(简称UHMWPE纤维无纬布)有利于冲击波的瞬间快速扩散，可产生纤维集合体协同防弹的优异效果，该技术使超高分子量聚乙烯纤维复合材料成为可超越芳纶纤维的首选防弹材料。

目前超高分子量聚乙烯纤维复合材料防弹头盔，主要以超高分子量聚乙烯纤维和热塑性树脂复合而成的无纬布预浸料为原料，通过无纬布交替叠层技术模压制成。由于热塑性树脂的模量较低，而且超高分子量聚乙烯纤维的高温蠕变性能较强，所以该单一材质的防弹头盔存在硬度低、刚度差、耐温性能不强且弹丸侵彻后背凸较大等诸多问题。而且随着科学技术的发展，现代化武器已经大量装备士兵，红外跟踪探测、GPS定位、红外热感等功能已经成为高科技武器的必备功能，而非金属复合材料防弹头盔目前仅有的单一防护功能已经显得捉襟见肘，逐渐适应不了电子信息技术无处不在的现代战场环境。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提供了一种多功能复合材料防弹头盔及其制造方法。具体技术方案如下：

一种多功能复合材料防弹头盔，其特征在于，包括带红外隐身特性的头盔外侧刚性加固层、头盔中间防弹层、头盔内侧加固层、硬质防背凸层、软质缓冲层，所述的复合材料是由纤维增强体与树脂胶黏剂复合而成，含胶量为10～40％，纤维增强体为纤维混杂编织物，树脂胶黏剂为改性热固性/热塑性树脂，铺层方式为多材质组合铺层方案，各层材质、编织方式彼此独立，采用一体化模压成型技术加工而成(本方案中所述含胶量皆为质量百分比)。

进一步地，所述头盔外层刚性加固层选用碳纤维与芳纶纤维中的一种或两种，所述头盔中间防弹层选用超高分子量聚乙烯纤维、碳纤维中的一种或多种；所述头盔内侧加固层选用碳纤维与芳纶纤维中的一种或多种，所述头盔最内侧分别选用碳纤维构成硬质防背凸层、以软质硅胶层为缓冲层。

本发明多功能复合材料防弹头盔为多材质组合式铺层结构，基于特定枪弹防护级别要求和头盔整体力学性能要求，根据子弹侵彻混杂纤维复合材料的破坏机理差异，合理设计混杂纤维复合材料的材质及铺层数量，其中头盔外层选用碳纤维与芳纶纤维中的一种或两种为刚性加固层；头盔中间层选用超高分子量聚乙烯纤维、碳纤维中的一种或多种为防弹层；头盔内层选用碳纤维与芳纶纤维中的一种或多种为刚性加固层，头盔最内侧分别选用碳纤维构成硬质防背凸层、以软质硅胶层为缓冲层。

优选的是，所述头盔外层刚性加固层选用碳纤维，含胶量为20～40％，所述头盔中间防弹层选用超高分子量聚乙烯纤维和碳纤维，含胶量为10～40％；所述头盔内侧加固层选用碳纤维，含胶量为20～40％，所述头盔最内侧选用碳纤维构成硬质防背凸层，含胶量为30～40％；以软质硅胶层为缓冲层。

优选的是，所述的树脂胶黏剂中添加有红外隐身材料，其重量百分比为0～20％。所述的特种填料为在特定红外波段具有较强吸收特性的红外隐身材料，例如掺杂氧化物半导体、掺杂光子晶体和相变微胶囊(PCM)等相关材料。

优选的是，所述的树脂为改性环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、聚氨酯树脂、聚乙烯树脂中的一种。本发明多功能复合材料防弹头盔的树脂胶黏剂为添加特种填料的热固性树脂与热塑性树脂的复合树脂胶液，根据防弹头盔的红外隐身功能要求，特种填料可以选择在特定红外波段具有较强吸收特性的红外隐身材料；根据混杂纤维之间的粘接强度要求，调整不同配比，配制热固性/热塑性复合树脂胶液，热固性树脂选用改性环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂等，热塑性树脂选用聚氨酯树脂、聚乙烯树脂等。

优选的是，所述各层的编织方式选自平纹、斜纹、缎纹、篮纹、席纹、多向缝编中的一种，单层编织体厚度根据防弹级别而定，单层厚度在0.1mm～10mm可调。

优选的是，所述的铺层方案采用混杂纤维预浸料多材质组合铺层方案，总体铺层厚度在2～10mm内可调。

优选的是，所述的成型技术采用预浸料层间内嵌电子信息部件的一体化模压成型技术。本发明多功能复合材料防弹头盔的加工为模压式一体成型技术，其关键技术为模压成型中内嵌多功能电子信息元件，使防弹头盔在具备优良防护功能的同时，兼备GPS定位、夜视、视频传输等多种特殊功能，整个成型过程无需增加工序。

优选的是，所述电子信息部件为带有GPS定位、夜视或视频传输功能的芯片元件。本发明通过多种纤维混杂织物与含特种填料的树脂胶黏剂复合制备预浸料，采用特殊组合铺层结构设计方案和模压成型工艺，并在压制过程中的预浸料层间嵌入电子信息部件，最终旨在研制一种兼备轻量化、高强度、高刚度、耐腐蚀、耐湿热、低背凸等优异特性，同时集成红外隐身、GPS定位、夜视、视频传输等多种电子信息功能的高性能混杂纤维复合材料防弹头盔，本发明对目前军用、警用等领域防弹头盔的功能集成化、轻量化及防弹特性的提升具有重要应用价值。

一种多功能复合材料防弹头盔的制造方法，包括以下步骤：

(1)选用碳纤维与芳纶纤维混杂织物为纤维增强体，选用填料改性的复合树脂胶黏剂为基体，制备兼顾红外隐身特性和高刚度特性的头盔外层刚性加固层预浸料，

(2)选用超高分子量聚乙烯纤维、碳纤维的混杂织物为纤维增强体，选用复合树脂胶黏剂为基体，制备中间防弹层预浸料，

(3)选用碳纤维与芳纶纤维混杂织物为纤维增强体，选用复合树脂胶黏剂为基体，制备头盔内层刚性加固层预浸料，

(4)选用碳纤维织物为纤维增强体，选用复合树脂胶黏剂为基体制备内侧硬质防背凸层预浸料，

(5)选用软质硅胶为头盔内侧缓冲层，

(6)将上述(1)-(5)项所制备的预浸料，按头盔外侧至内侧铺层顺序，依次为“红外隐身/外侧刚性加固层→中间防弹层→内侧刚性加固层→硬质防背凸层→内侧软质缓冲层”，采用此种组合式铺层结构方案进行预浸料叠层，

(7)在预浸料特定层间，内嵌入具备GPS定位、夜视或视频传输功能的电子信息部件，之后将叠层预浸料一体模压成型，即得；模压一体化成型工艺如下：冷态模压预成型时的压力为1MPa-10MPa，模压时间为5min-30min；热态模压成型时的温度为110℃-130℃，压力为5MPa-30MPa，热固模压时间为10min-50min。

本发明多功能复合材料防弹头盔的纤维增强体可选择超高分子量聚乙烯纤维、碳纤维、芳纶纤维中的两种或多种纤维混杂，如“超高分子量聚乙烯纤维+碳纤维”混杂织物、“芳纶纤维+碳纤维”混杂织物、“超高分子量聚乙烯纤维+碳纤维+芳纶纤维”混杂织物等，其中织物形式(单向、平纹、斜纹、缎纹等)和混杂纤维比例可根据不同防弹头盔产品对防弹性能和力学性能的要求灵活调整。

与现有的防弹头盔技术相比，本发明具有如下优点：

发挥超高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维的优异韧性和碳纤维的优异强度、刚度，该防弹头盔同时具备轻量化、较强防弹性能(防弹背凸小)和突出力学性能(高强度、高刚度)，同时不受高低温、潮湿及紫外辐照等的限制，环境耐久度好；该复合材料防弹头盔采用特种改性复合树脂基体，盔体表面具备特定波段红外隐身特性；采用内嵌电子信息部件的组合式铺层设计，具有GPS定位、夜视、视频传输等电子集成功能。

本发明通过利用多种高纤维的混杂编织及组合铺层技术，较好的解决了单一材质非金属复合材料头盔的防弹背凸较大、环境耐久度低、集成化功能较弱等问题，该多功能复合材料头盔的适用范围广，可适用于部队、公安、武警、安保等各种领域，极大提高了士兵、警察、保安等执法人员的安全保障。

附图说明

图1本发明的多功能复合材料防弹头盔整体结构示意图，头盔复合材料结构由(带红外隐身特性)外侧刚性加固层1、中间防弹层2、内侧加固层3、硬质防背凸层4以及软质缓冲层5构成。

图2为以上复合材料头盔局部结构示意图。

具体实施方式

以下通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规的方法和条件进行选择。

实施例一

以超高分子量聚乙烯纤维与高性能碳纤维为纤维原料，分别采用改性热塑性聚氨酯和改性环氧树脂为胶黏剂，生产本发明多功能复合材料防弹头盔的具体实施例如下：

选用碳纤维与改性环氧树脂复合制备单向预浸布为具备隐身特性的内外侧刚性加固层，含胶量控制在40％；以超高分子量聚乙烯纤维与碳纤维混杂排布，浸渍改性热塑性聚氨酯树脂制备预浸布为中间防弹层，含胶量控制在25％；以碳纤维与改性环氧树脂复合制备平纹预浸布为硬质防背凸层，含胶量控制在40％；以软质硅胶为防弹缓冲层；采用以上预浸料按“红外隐身/外侧刚性加固层→中间防弹层→内侧刚性加固层→硬质防背凸层→内侧软质缓冲层”结构组合，重量百分比依次为(5％)→(75％)→(5％)→(10％)→(5％)；剪裁后在头盔模具内铺层；在中间厚度层内嵌入带有GPS定位功能的芯片元件，采用冷压预成型和热压一体成型的工艺，模压一体化成型工艺如下：冷态模压预成型时的压力为5MPa，模压时间为10min；热态模压成型时的温度为110℃，压力为20MPa，热固模压时间为20min。最终获得厚度为7mm的防弹头盔产品。

实施例二

以芳纶纤维与碳纤维为纤维原料，分别采用改性热塑性聚氨酯和改性环氧树脂为胶黏剂，生产本发明多功能复合材料防弹头盔的具体实施例如下：

选用碳纤维与改性环氧树脂复合制备单向预浸布为具备隐身特性的内外侧刚性加固层，含胶量控制在35％；以芳纶纤维与碳纤维混杂排布，浸渍改性热塑性聚氨酯树脂制备预浸布为中间防弹层，含胶量控制在30％；以碳纤维与改性环氧树脂复合制备平纹预浸布为硬质防背凸层，含胶量控制在35％；以软质硅胶为防弹缓冲层；采用以上预浸料按“红外隐身/外侧刚性加固层→中间防弹层→内侧刚性加固层→硬质防背凸层→内侧软质缓冲层”结构组合，重量百分比依次为(4％)→(79％)→(4％)→(8％)→(5％)；剪裁后在头盔模具内铺层；在表面层嵌入带有视频传输功能的芯片元件，采用冷压预成型和热压一体成型的工艺，模压一体化成型工艺如下：冷态模压预成型时的压力为8MPa，模压时间为5min；热态模压成型时的温度为120℃，压力为30MPa，热固模压时间为40min。最终获得厚度为8mm的防弹头盔产品。

实施例三

以超高分子量聚乙烯纤维与碳纤维为纤维原料，分别采用改性聚乙烯树脂和改性酚醛树脂为胶黏剂，生产本发明多功能复合材料防弹头盔的具体实施例如下：

选用碳纤维与改性酚醛树脂复合制备单向预浸布为具备隐身特性的内外侧刚性加固层，含胶量控制在40％；以超高分子量聚乙烯纤维与碳纤维混杂排布，浸渍改性聚乙烯树脂制备预浸布为中间防弹层，含胶量控制在20％；以碳纤维与改性酚醛树脂复合制备缎纹预浸布为硬质防背凸层，含胶量控制在40％；以软质泡沫为防弹缓冲层；采用以上预浸料按“红外隐身/外侧刚性加固层→中间防弹层→内侧刚性加固层→硬质防背凸层→内侧软质缓冲层”结构组合，重量百分比依次为(3％)→(84％)→(3％)→(6％)→(4％)；剪裁后在头盔模具内铺层；在中间厚度层内嵌入带有夜视功能的芯片元件，采用冷压预成型和热压一体成型的工艺，模压一体化成型工艺如下：冷态模压预成型时的压力为9MPa，模压时间为20min；热态模压成型时的温度为125℃，压力为25MPa，热固模压时间为50min。最终获得厚度为7mm的防弹头盔产品。

实施例四

以超高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维与碳纤维为纤维原料，分别采用改性热塑性聚氨酯和改性环氧树脂为胶黏剂，生产本发明多功能复合材料防弹头盔的具体实施例如下：

选用碳纤维与改性环氧树脂复合制备斜纹预浸布为内外侧刚性加固层，含胶量控制在35％；以超高分子量聚乙烯纤维与芳纶纤维混杂单向排布，浸渍改性热塑性聚氨酯树脂制备单向预浸布为中间防弹层，含胶量控制在20％；以碳纤维与改性环氧树脂复合制备斜纹预浸布为硬质防背凸层，含胶量控制在35％；以软质硅胶为防弹缓冲层；采用以上预浸料按“外侧刚性加固层→中间防弹层→内侧刚性加固层→硬质防背凸层→内侧软质缓冲层”结构组合，重量百分比依次为(3％)→(85％)→(3％)→(6％)→(3％)；剪裁后在头盔模具内铺层；在中间厚度层内嵌入带有GPS定位功能的芯片元件，采用冷压预成型和热压一体成型的工艺，模压一体化成型工艺如下：冷态模压预成型时的压力为10MPa，模压时间为15min；热态模压成型时的温度为130℃，压力为25MPa，热固模压时间为45min。最终获得厚度为8mm的防弹头盔产品。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种多功能复合材料防弹头盔，其特征在于，包括带红外隐身特性的头盔外侧刚性加固层、头盔中间防弹层、头盔内侧加固层、硬质防背凸层、软质缓冲层，所述的复合材料是由纤维增强体与树脂胶黏剂复合而成，含胶量为10～40％，纤维增强体为纤维混杂编织物，树脂胶黏剂为改性热固性/热塑性树脂，铺层方式为多材质组合铺层方案，各层材质、编织方式彼此独立，采用一体化模压成型技术加工而成。

2.如权利要求1所述的头盔，其特征在于，所述头盔外层刚性加固层选用碳纤维与芳纶纤维中的一种或两种，所述头盔中间防弹层选用超高分子量聚乙烯纤维、碳纤维中的一种或多种；所述头盔内侧加固层选用碳纤维与芳纶纤维中的一种或多种，所述头盔最内侧分别选用碳纤维构成硬质防背凸层、以软质硅胶层为缓冲层。

3.如权利要求2所述的头盔，其特征在于，所述头盔外层刚性加固层选用碳纤维，含胶量为20～40％，所述头盔中间防弹层选用超高分子量聚乙烯纤维和碳纤维，含胶量为10～40％；所述头盔内侧加固层选用碳纤维，含胶量为20～40％，所述头盔最内侧选用碳纤维构成硬质防背凸层，含胶量为30～40％；以软质硅胶层为缓冲层。

4.如权利要求1所述的头盔，其特征在于，所述的树脂胶黏剂中添加有红外隐身材料，红外隐身材料的重量百分比为0～20％。

5.如权利要求1所述的头盔，其特征在于，所述的树脂为改性环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、聚氨酯树脂、聚乙烯树脂中的一种。

6.如权利要求1所述的头盔，其特征在于，所述各层的编织方式选自平纹、斜纹、缎纹、篮纹、席纹、多向缝编中的一种，单层厚度在0.1mm～10mm之间。

7.如权利要求1所述的头盔，其特征在于，所述的铺层方案采用混杂纤维预浸料多材质组合铺层方案，总体铺层厚度在2～10mm之间。

8.如权利要求1所述的头盔，其特征在于，所述的成型技术采用预浸料层间内嵌电子信息部件的一体化模压成型技术。

9.如权利要求8所述的头盔，其特征在于，所述电子信息部件为带有GPS定位、夜视或视频传输功能的芯片元件。

10.一种多功能复合材料防弹头盔的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)选用碳纤维与芳纶纤维混杂织物为纤维增强体，选用填料改性的复合树脂胶黏剂为基体，制备兼顾红外隐身特性和高刚度特性的头盔外层刚性加固层预浸料，

(2)选用超高分子量聚乙烯纤维、碳纤维的混杂织物为纤维增强体，选用复合树脂胶黏剂为基体，制备中间防弹层预浸料，

(3)选用碳纤维与芳纶纤维混杂织物为纤维增强体，选用复合树脂胶黏剂为基体，制备头盔内层刚性加固层预浸料，

(4)选用碳纤维织物为纤维增强体，选用复合树脂胶黏剂为基体制备内侧硬质防背凸层预浸料，

(5)选用软质硅胶为头盔内侧缓冲层，

(6)将上述(1)-(5)项所制备的预浸料，按头盔外侧至内侧铺层顺序，依次为“红外隐身/外侧刚性加固层→中间防弹层→内侧刚性加固层→硬质防背凸层→内侧软质缓冲层”，采用此种组合式铺层结构方案进行预浸料叠层，

(7)在预浸料特定层间，内嵌入具备GPS定位、夜视或视频传输功能的电子信息部件，之后将叠层预浸料一体模压成型，即得；模压一体化成型工艺如下：冷态模压预成型时的压力为1MPa-10MPa，模压时间为5min-30min；热态模压成型时的温度为110℃-130℃，压力为5MPa-30MPa，热固模压时间为10min-50min。