CN104654927A - 一种制造防弹头盔预浸料的裁剪与铺设方法及防弹头盔 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制造防弹头盔预浸料的裁剪与铺设方法及防弹头盔，其中，方法采用两层纤维单向排列预浸片，并以相互垂直的正交排列方式复合成UD片材后(即以0°/90°正交的方式复合成UD片材后)，将UD片材裁剪成不同形状的风叶轮结构；再将不同形状的风叶轮层叠铺设成防弹头盔预浸料，在层叠铺设过程中对齐每个所述风叶轮上的纤维正交排列方向，再进行铺设和热压成型；其所制造的防弹头盔能承受较强的穿透力和冲击力，对人体头部等重点部位可起到防护作用，防弹性能、耐冲击性能和防穿刺性能优越，保护了使用者的人身安全。

Description

一种制造防弹头盔预浸料的裁剪与铺设方法及防弹头盔

技术领域

本发明涉及防弹头盔技术领域，尤其涉及一种制造防弹头盔预浸料的裁剪与铺设方法及防弹头盔。

背景技术

防弹头盔的适用对象主要是装备部队的作战人员。其中，防弹材料是头盔防护系统的物质基础，是军事武器的关键技术之一。早期防弹头盔主要为钢盔，其盔体的质量较大，佩戴不灵活，严重影响了士兵战术动作的发挥。

随着技术的革新，材料领域的不断创新，目前主要采用纤维复合材料制造防弹头盔，在增强材料上通常采用超高分子量聚乙烯纤维或芳族聚酰胺纤维；在结构上通常采用织物结构或纤维单向排列结构(简称UD结构)；在基体上通常采用热塑性树脂或热固性树脂。

如上所述的传统头盔结构中，采用高性能纤维，如芳族聚酰胺纤维或超高分子量聚乙烯纤维，通过针织、机织、编织等方式获得的织物制备的防弹头盔；其中，纤维的力学性能在织造过程中受到剑杆穿梭的影响较大，使得纤维的强度受到一定损失，从而影响头盔制成品的防弹性能(即纤维在纺织加工过程中容易受到纺织机上的剑杆影响)。需要说明的是，剑杆织机是目前应用最为广泛的无梭织机，它具有高速、高自动化程度、高效能生产的特点，其积极引纬方式具有很强的品种适应性，能适应各类纱线的引纬。

目前防弹头盔预浸料多采用UD片材裁剪铺设而成。裁剪时多采用花瓣形和风叶轮形，然后将裁片层叠，在每层裁片之间错开一定的角度放置(即排列方式混乱)，制得的防弹头盔预浸料中相邻UD片材的纤维排列成一定角度；很显然，这样的预浸料剪裁与铺设在一定程度上破坏了UD片材的正交结构，影响冲击波扩散速度，从而降低了防弹头盔的防弹性能。

综上所述，如何克服传统技术中的上述技术缺陷是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制造防弹头盔预浸料的裁剪与铺设方法及防弹头盔，以解决上述问题。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供了一种制造防弹头盔预浸料的裁剪与铺设方法，包括如下步骤：

步骤S100、采用两层纤维单向排列预浸片，并以相互垂直的正交排列方式复合成UD片材后(即以0°/90°正交的方式复合成UD片材后)，将UD片材裁剪成不同形状的风叶轮结构；其中，不同形状的风叶轮上的风叶旋转角度不同；

步骤S200、再将所述不同形状的风叶轮层叠铺设成防弹头盔预浸料，在层叠铺设过程中对齐每个所述风叶轮上的纤维正交排列方向，再进行铺设；

步骤S300、将最后铺设成的防弹头盔预浸料采用专用模具热压成型。

优选的，作为一种可实施方式，所述风叶轮包括圆形本体以及沿着所述圆形本体圆周方向设置的多个风叶(即风叶轮形状为中心设置的圆形本体以及沿着圆形本体的圆周方向设置的多个扇形(即扇形风叶)组成)，且每个风叶轮上的风叶的旋转角度相同。

优选的，作为一种可实施方式，在不同形状的所述风叶轮之间风叶旋转角度不同；在同一个形状的风叶轮结构中，风叶旋转角度相同。

优选的，作为一种可实施方式，在任意一个风叶轮结构中，所述风叶轮上的风叶旋转角度不同范围为0-60°。(即单层UD片材裁剪角度为0-60°)

优选的，作为一种可实施方式，在步骤S200中，所述防弹头盔预浸料铺设后，铺设后的料片的所有区域内的纤维都具有正交(即0°/90°)垂直排列的正交结构。

优选的，作为一种可实施方式，在步骤S200中，所述防弹头盔预浸料层叠的结构中，相邻的所述风叶轮的片材不仅按纤维正交方式铺设，且不同的所述风叶轮结构中的所述风叶交错叠置。

优选的，作为一种可实施方式，所述防弹头盔预浸料制备的防弹头盔V50破片测试值＞650m/s。

相应地，本发明提供了一种防弹头盔，所述防弹头盔由利用所述的制造防弹头盔预浸料的裁剪与铺设方法制造的所述防弹头盔预浸料经专用模具热压成型。

优选的，作为一种可实施方式，每个UD片材结构均包括纤维和树脂基体；所述纤维为芳族聚酰胺纤维、UHMWPE纤维中单独一种或其组合。

优选的，作为一种可实施方式，在每个UD片材结构中；所述树脂基体为聚氨酯树脂、聚酯类树脂、乙烯基酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂中至少一种。

与现有技术相比，本发明实施例的优点在于：

本发明提供的一种制造防弹头盔预浸料的裁剪与铺设方法及防弹头盔，分析上述主要步骤可知：上述制造防弹头盔预浸料的裁剪与铺设方法大体分为三个步骤：其中，首先采用两层纤维单向排列预浸片以0°/90°正交的方式复合成UD片材后，将UD片材裁剪成不同形状的风叶轮结构；其中，不同形状的风叶轮上的风叶旋转角度不同；然后，再将所述不同形状的风叶轮层叠铺设成防弹头盔预浸料，在层叠铺设过程中对齐每个所述风叶轮上的纤维正交排列方向，再进行铺设；最后，将最后铺设成的防弹头盔预浸料采用专用模具热压成型。

研究发现，根据应力波传播机理，应力波在弯度小的纤维中传播相对于弯度大的快，应力波传递越快，单位时间内传递能量越多，吸能效果越好，因此UD正交结构防弹性能较好。如上述的裁剪、制造工艺所生产的防弹头盔预浸料，可以保证整个盔壳具有UD复合结构的纤维正交结构，在UD复合结构中的纤维彼此平行、伸直排列；这样的排列方式与在织物结构中纤维屈曲和相互交织的握持效应不同，此种结构比织物结构更有利于弹击时产生的冲击波沿纤维的轴向传播，因而可以增加有效承载纤维的根数，从而更有利于冲击波扩散速度，提升防弹头盔的防弹性能。

如上述预浸料剪裁与铺设在一定程度上保证了UD片材的正交结构，进而提升了冲击波扩散速度，从而有利于防弹头盔的冲击力扩散和减弱，提升了防弹头盔的防弹性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的制造防弹头盔预浸料的裁剪与铺设方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的制造防弹头盔预浸料的裁剪与铺设方法中的多个不同形状风叶轮中的旋转角度为0°的风叶轮的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的制造防弹头盔预浸料的裁剪与铺设方法中的多个不同形状风叶轮中的旋转角度为15°的风叶轮的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的制造防弹头盔预浸料的裁剪与铺设方法中的多个不同形状风叶轮中的旋转角度为30°的风叶轮的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的制造防弹头盔预浸料的裁剪与铺设方法中的多个不同形状风叶轮中的旋转角度为45°的风叶轮的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的制造防弹头盔预浸料的裁剪与铺设方法中的多个不同形状风叶轮对比结构示意图；

图7为本发明实施例提供的制造防弹头盔预浸料的裁剪与铺设方法中的防弹头盔预浸料裁片铺设后的形态示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

参见图1，本发明实施例提供的一种制造防弹头盔预浸料的裁剪与铺设方法，包括如下步骤：

步骤S100、采用两层纤维单向排列预浸片，并以相互垂直的正交排列方式复合成UD片材后(即以0°/90°正交的方式复合成UD片材后)，将UD片材裁剪成不同形状的风叶轮结构；其中，不同形状的风叶轮上的风叶旋转角度不同；

步骤S200、再将所述不同形状的风叶轮层叠铺设成防弹头盔预浸料，在层叠铺设过程中对齐每个所述风叶轮上的纤维正交排列方向，再进行铺设；

步骤S300、将最后铺设成的防弹头盔预浸料采用专用模具热压成型。

分析上述主要步骤可知：上述制造防弹头盔预浸料的裁剪与铺设方法大体分为三个步骤：其中，首先采用两层纤维单向排列预浸片以0°/90°正交的方式复合成UD片材后，将UD片材裁剪成不同形状的风叶轮结构；其中，不同形状的风叶轮上的风叶旋转角度不同；然后，再将所述不同形状的风叶轮层叠铺设成防弹头盔预浸料，在层叠铺设过程中对齐每个所述风叶轮上的纤维正交排列方向，再进行铺设(如图7所示的结构)；最后，将最后铺设成的防弹头盔预浸料采用专用模具热压成型。

研究发现，根据应力波传播机理，应力波在弯度小的纤维中传播相对于弯度大的快，应力波传递越快，单位时间内传递能量越多，因此吸能效果越好，所以UD正交结构防弹性能较好。如上述的裁剪、制造工艺所生产的防弹头盔预浸料，可以保证整个盔壳具有UD复合结构的纤维正交结构，在UD复合结构中的纤维彼此平行、伸直排列；这样的排列方式与在织物结构中纤维屈曲和相互交织的握持效应不同，此种结构比织物结构更有利于弹击时产生的冲击波沿纤维的轴向传播，因而可以增加有效承载纤维的根数，从而更有利于冲击波扩散速度，提升防弹头盔的防弹性能。

如上述预浸料剪裁与铺设在一定程度上保证了UD片材的正交结构，进而提升了冲击波扩散速度，从而有利于防弹头盔的冲击力扩散和减弱，提升了防弹头盔的防弹性能。

下面对本发明实施例提供的制造防弹头盔预浸料的裁剪与铺设方法具体技术细节做一下详细说明：

优选的，作为一种可实施方式，所述风叶轮包括圆形本体以及沿着所述圆形本体圆周方向设置的多个风叶，且每个风叶轮上的风叶的旋转角度相同。

优选的，作为一种可实施方式，在不同形状的所述风叶轮之间风叶旋转角度不同。

优选的，作为一种可实施方式，在任意一个风叶轮结构中，所述风叶轮上的风叶旋转角度不同范围为0-60°。(即单层UD片材裁剪角度为0-60°，如图2-图5分别示意的不同旋转角度的风叶轮，以及图6的对比图中可以清楚的示意上述结构。)

优选的，作为一种可实施方式，在步骤S200中，所述防弹头盔预浸料铺设后，铺设后的料片的所有区域内的纤维都具有0°/90°垂直排列的正交结构。

优选的，作为一种可实施方式，在步骤S200中，所述防弹头盔预浸料层叠的结构中，相邻的所述风叶轮的片材不仅按纤维0°/90°正交方式铺设，且不同的所述风叶轮结构中的所述风叶交错叠置。

优选的，作为一种可实施方式，所述防弹头盔预浸料制备的防弹头盔V50破片测试值＞650m/s。

需要说明的是，就如上述技术内容所描述的：所述防弹头盔预浸料单层UD片材裁剪角度为0-60°，裁剪后的尺寸可依据盔型模具的尺寸而定。所述防弹头盔预浸料相邻片材按纤维0°/90°正交方式铺设，风叶轮结构交错叠置。

进一步地，所述防弹头盔预浸料制备的防弹头盔V50破片测试值＞650m/s。头盔的防弹指标是至关重要的，它决定了头盔的根本性能。V50是最能反映头盔防弹性能的一项重要指标。V50是指用质量为1.1g的斜边圆柱体弹丸，在规定距离内以不同的速度射击头盔，其中50％的弹丸击穿头盔，50％不击穿，即达到50％的击穿概率，所发射子弹速度的平均值即为这顶头盔的V50值。V50值越高，头盔的防弹性能越好。

相应地，本发明提供了一种防弹头盔，所述防弹头盔由利用上述制造防弹头盔预浸料的裁剪与铺设方法制造的所述防弹头盔预浸料经过专用模具热压成型。

优选的，作为一种可实施方式，每个UD片材结构均包括纤维和树脂基体；所述纤维为芳族聚酰胺纤维、UHMWPE纤维中单独一种或其组合。

需要说明的是，UHMWPE(即超高分子量聚乙烯)是一种具有综合性能优异的高性能纤维，具有密度小，很好的耐磨性、自润滑性、抗冲击性、耐腐蚀性等特点。

超高分子量聚乙烯纤维还具有如下特殊性能：1、高比强度，高比模量(该纤维复合材料轻质高强和抗冲击性能好)。比强度是同等截面钢丝的十多倍，比模量仅次于特级碳纤维。2、纤维密度低，密度是0.97-0.98g/cm³，可浮于水面。3、断裂伸长低、断裂功大，具有很强的吸收能量的能力，因而具有突出的抗冲击性和抗切割性。4、抗紫外线辐射，防中子和γ射线，比能量吸收高、介电常数低、电磁波透射率高。5、耐化学腐蚀、耐磨性、有较长的挠曲寿命。

优选的，作为一种可实施方式，在每个UD片材结构中；所述树脂基体为聚氨酯树脂、聚酯类树脂、乙烯基酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂中至少一种。

需要说明的是，上述树脂基体的选料均为具有一定抗冲击、耐磨，耐腐蚀的性能，其抗击强度均有所保障，特别适用于军用头盔的技术要求。例如：乙烯基酯树脂可以与Kevlar纤维或其它增强材料合用，制作高强度和耐疲劳的制品，如运动或军用头盔、帆船等。上述树脂基体具有良好的机械性能和尺寸稳定性，在高、低温下仍能保持其优良性能。

综上所述，本发明公开了一种制造防弹头盔预浸料的裁剪与铺设方法及防弹头盔，其所制造的防弹头盔能承受较强的穿透力和冲击力，对人体头部等重点部位可起到防护作用，防弹性能、耐冲击性能和防穿刺性能优越，保护了使用者的人身安全。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种制造防弹头盔预浸料的裁剪与铺设方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S100、采用两层纤维单向排列预浸片，并以相互垂直的正交排列方式复合成UD片材后，将UD片材裁剪成不同形状的风叶轮结构；其中，不同形状的风叶轮上的风叶旋转角度不同；

步骤S200、再将所述不同形状的风叶轮层叠铺设成防弹头盔预浸料，在层叠铺设过程中对齐每个所述风叶轮上的纤维正交排列方向，再进行铺设；

步骤S300、将最后铺设成的防弹头盔预浸料采用专用模具热压成型。

2.如权利要求1所述的制造防弹头盔预浸料的裁剪与铺设方法，其特征在于：

所述风叶轮包括圆形本体以及沿着所述圆形本体圆周方向设置的多个风叶，且每个风叶轮上的风叶的旋转角度相同。

3.如权利要求2所述的制造防弹头盔预浸料的裁剪与铺设方法，其特征在于：

在不同形状的所述风叶轮之间风叶旋转角度不同；在同一个形状的风叶轮结构中，风叶旋转角度相同。

4.如权利要求2所述的制造防弹头盔预浸料的裁剪与铺设方法，其特征在于：

在任意一个风叶轮结构中，所述风叶轮上的风叶旋转角度不同范围为0-60°。

5.如权利要求2所述的制造防弹头盔预浸料的裁剪与铺设方法，其特征在于：

在步骤S200中，所述防弹头盔预浸料铺设后，铺设后的料片的所有区域内的纤维都具有正交垂直排列的正交结构。

6.如权利要求5所述的制造防弹头盔预浸料的裁剪与铺设方法，其特征在于：

在步骤S200中，所述防弹头盔预浸料层叠的结构中，相邻的所述风叶轮的片材不仅按纤维正交方式铺设，且不同的所述风叶轮结构中的所述风叶交错叠置。

7.如权利要求1所述的制造防弹头盔预浸料的裁剪与铺设方法，其特征在于：

所述防弹头盔预浸料制备的防弹头盔V50破片测试值＞650m/s。

8.一种防弹头盔，其特征在于：

所述防弹头盔由利用如权利要求1-7任一项所述的制造防弹头盔预浸料的裁剪与铺设方法制造的所述防弹头盔预浸料经专用模具热压成型。

9.如权利要求8所述的防弹头盔，其特征在于：

每个UD片材结构均包括纤维和树脂基体；所述纤维为芳族聚酰胺纤维、UHMWPE纤维中单独一种或其组合。

10.如权利要求9所述的防弹头盔，其特征在于：

在每个UD片材结构中；所述树脂基体为聚氨酯树脂、聚酯类树脂、乙烯基酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂中至少一种。