CN105066785B - 一种特殊结构设计的芳纶复合防弹头盔及其成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种特殊结构设计的芳纶复合防弹头盔及其成型方法，其中所述芳纶复合防弹头盔，包括壳体、喷漆层及悬挂件，其特征在于，壳体包括内层和外层，内层由若干层高含胶量纤维织物预浸料组成，外层由若干层低含胶量纤维织物预浸料组成，所述壳体内层和外层之间设有一层聚氨酯粘胶加固层。采用本发明的结构设计及成型工艺制作的防弹头盔，从防弹机理上来说，充分发挥了芳纶纤维的高强度及复合材料的机械性能，有效的减小了子弹射击后，在头盔内侧产生的鼓包的高度，减少了头盔内侧凸起对使用者头部的伤害；有效的减小了子弹穿透的层数，提高了头盔的安全余量；由于更多的采用了低胶含量的预浸料，使得头盔整体重量减轻了50g以上。
Description
技术领域
本发明涉及防弹头盔技术领域，特别是一种特殊结构设计的芳纶复合防弹头盔及其成型方法。
背景技术
现有防弹头盔按照原材料分类，轻质复合盔分为芳纶复合盔和PE复合盔两大类。相比之下，PE复合盔虽然价格便宜，但其盔壳厚度高，动态凹陷大、耐高温性能差，主要适用于中、低端客户；芳纶复合头盔具有盔壳厚度低、动态凹陷小、耐高温性能优、刚性较优等优点，但是价格偏高，适用于中、高端客户。
目前的防弹头盔专利，多涉及头盔的多功能化配置、外观、连接方式等，比如通讯功能的附件，电气化配件，面罩等，也有关于头盔工艺成型方法的，但以超高分子量聚乙烯(后文简称PE)为原材料的较多，以芳纶为原材料的较少，且现有的以芳纶为原材料制作防弹头盔的方法需用特殊织物、特殊设备，未有用普通芳纶织物且运用结构设计方法，制作高性能的芳纶防弹头盔的先例。
此外，现有的防弹头盔的制备方法，基本都是将多层相同的纤维材料直接叠加后在一定的温度下进行热压成型，这种防弹头盔由于防弹芯材单一，防弹效果多与使用的层数有关，其层数越多防弹效果越好，但相应的重量会越大，成本也会相应的增加。
目前，常见的芳纶防弹织物主要有芳纶无纬布和芳纶机织布，且有标准的规格可以选择，如果利用现有的普通芳纶织物并结合特殊的结构设计及成型方法，可以制作出高性能的防弹头盔，则极其有利于防弹头盔的低成本化和产业化。
发明内容
为了克服现有技术的不足,本发明提供了一种特殊结构设计的芳纶复合防弹头盔及其成型方法，采用常见的芳纶防弹织物，经过特殊的结构设计及成型方法，制作出了低成本、低重量的高性能防弹头盔。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种特殊结构设计的芳纶复合防弹头盔，包括壳体、喷漆层及悬挂件，其特征在于，壳体包括内层和外层，内层由若干层高含胶量纤维织物预浸料组成，外层由若干层低含胶量纤维织物预浸料组成。
优选的，所述壳体外层外侧还附有一层阻燃纤维织物层。
优选的，所述高含胶量纤维织物预浸料为含胶量为18％～30％重量比的芳纶无纬布或芳纶机织布或碳纤维织物或S级玻璃纤维织物预浸料。
优选的，所述低含胶量纤维织物预浸料为含胶量为10％～17％重量比的芳纶无纬布或芳纶机织布预浸料。
优选的，预浸料用胶粘剂为改性酚醛或者改性环氧胶粘剂。
优选的，所述高含胶量纤维织物预浸料的层数为1～4层。
优选的，所述低含胶量纤维织物预浸料的层数为12-16层。
优选的，所述壳体内层和外层之间设有一层聚氨酯粘胶加固层。
优选的，所述壳体内层内侧设有海绵缓冲防护垫。
本发明还提供一种特殊结构设计的芳纶复合防弹头盔的成型方法，包括步骤：
a)将若干层高含胶量纤维织物预浸料叠加作为壳体内层，然后在壳体内层上继续叠加若干层低含胶量纤维织物预浸料，将铺叠好的头盔壳体放入80-100℃的第一模具内，4-8MPa压力下开始保压，1-3分钟后开模放气，放气次数是2-5次，每次的放气时间1-3分钟，继续保压5-10分钟，然后取出；
b)将上述头盔放入150-160℃的第二模具内，关键的，所述第二模具比第一模具的模腔厚0.5～2mm，在14-18Mpa的压力下，保压15-20分钟，即可固化成型为壳体成品。
本发明还提供一种特殊结构设计的芳纶复合防弹头盔的成型方法，包括步骤：
a)将若干层高含胶量纤维织物预浸料叠加作为壳体内层，将铺叠好的壳体内层放入80-90℃的第一模具内，4-8MPa压力下开始保压，1-3分钟后开模放气，放气次数是2-5次，每次的放气时间1-3分钟，继续保压5-10分钟，然后取出；
b)将若干层低含胶量纤维织物预浸料叠加作为壳体外层，将铺叠好的壳体外层放入90-100℃的第一模具内，4-8MPa压力下开始保压，1-3分钟后开模放气，放气次数是2-5次，每次的放气时间1-3分钟，继续保压5-10分钟，然后取出；
c)在上述壳体内层的上侧及壳体外层的下侧上分别均匀涂刷聚氨酯粘胶剂，涂刷量为壳体内层与壳体外层总重量的2％～6％；
关键的，还包括：
d)叠合壳体内层和壳体外层，将叠合好的头盔壳体在温度为100～120℃、压力小于0.3kpa的真空条件下保温30～60min；
e)将真空处理后的头盔壳体放入头盔形状的下模具内，将上模具压下，压力为8-12Mpa，且上模具与下模具采用从上至下逐级升温至100℃方式对头盔壳体进行模压复合；
f)在35℃-55℃范围内成型固化。
优选的，步骤e)中所述逐级升温方式具体为：
在下模具及上模具上从上至下各划分六个加热温区，每两个并行为一组同步控制，分组从上至下逐步从80℃升温至100℃。
为了达到本发明的目的，所述的纤维织物预浸料是指将相应的纤维织物材料通过均匀、平行、挺直排成连续带之后，选择合适的胶粘剂对其进行相应胶含量的浸胶，干燥后得到相应含胶量的连续预浸带。
本发明的积极效果：
首先，本发明所述防弹头盔的结构设计在于组成壳体的织物预浸料的涂胶量不同，壳体内侧的芳纶无纬布或芳纶机织布或碳纤维织物或S级玻璃纤维织物采用高涂胶含量的预浸料，提供较高的机械强度，保证防弹头盔的整体刚性，并且减小防弹头盔在弹击后的动态形变高度；壳体外侧的芳纶无纬布或芳纶机织布采用低涂胶含量的预浸料，充分发挥纤维的抗剪切性能和抗拉伸性能，有效吸收子弹的动能。
其次，本发明的另外一个关键点在于中间聚氨酯加固层的设置，此设置使得防弹头盔具有更强的抗剪切强度和抗冲击特性，它使得在壳体内层与外层之间形成了具有软-硬性质的过渡层，再结合本发明所述的真空及逐级升温处理的特殊成型工艺，不仅更好的粘接了壳体内层和外层，同时还使得胶粘剂在各层纤维材料上分布更加均匀，使得防弹壳体具有更优异的抗冲击性能，当受到子弹冲击时，一方面外层纤维预浸料本身吸收大量的冲击能量，另一方面内层与外层间分离时吸收的能量提高，从而消耗大量的子弹冲击能，因此提高了材料的抗弹效果，同时壳体内层与外层的层间力的增加还有利于子弹能量的迅速传递，达到分散应力的作用。
总之，采用本发明防弹头盔的结构设计及成型工艺所制作的防弹头盔，从防弹机理上来说，充分发挥了芳纶纤维的高强度及复合材料的机械性能，有效的减小了子弹射击后，在头盔内侧产生的鼓包的高度，减少了头盔内侧凸起对使用者头部的伤害；有效的减小了子弹穿透的层数，提高了头盔的安全余量；由于更多的采用了低胶含量的预浸料，使得头盔整体重量减轻了50g以上。
附图说明
图1是本发明实施例1的防弹头盔结构示意图；
图2是本发明实施例2的防弹头盔结构示意图；
图3是本发明实施例2中所述上模具的剖面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。
实施例1
参照图1，本发明优选实施例1提供一种特殊结构设计的芳纶复合防弹头盔，包括壳体1、喷漆层4及悬挂件，其特征在于，壳体1包括内层2和外层3，内层2由2层高含胶量纤维织物预浸料组成，外层3由14层低含胶量纤维织物预浸料组成。
所述壳体外层3外侧还可以附有一层阻燃纤维织物层。
所述的高含胶量纤维织物预浸料为含胶量为25％重量比的芳纶无纬布或芳纶机织布或碳纤维织物或S级玻璃纤维织物预浸料。
所述低含胶量纤维织物预浸料为含胶量为13％重量比的芳纶无纬布或芳纶机织布预浸料。
其中预浸料用胶粘剂为改性酚醛或者改性环氧胶粘剂。
本实施例还提供一种上述防弹头盔的成型方法，包括步骤：
a)将两层高含胶量纤维织物预浸料叠加作为壳体内层，然后在壳体内层上继续叠加14层低含胶量纤维织物预浸料，将铺叠好的头盔壳体放入80-100℃的第一模具内，4-8MPa压力下开始保压，1-3分钟后开模放气，放气次数是2-5次，每次的放气时间1-3分钟，继续保压5-10分钟，然后取出；
b)将上述头盔放入150-160℃的第二模具内，关键的，所述第二模具比第一模具的模腔厚0.5～2mm，在14-18Mpa的压力下，保压15-20分钟，即可固化成型为壳体成品。
实施例2
参照图2和图3，本发明优选实施例2提供一种特殊结构设计的芳纶复合防弹头盔，包括壳体1、喷漆层4及悬挂件，其特征在于，壳体1包括内层2和外层3，内层2由2层高含胶量纤维织物预浸料组成，外层3由14层低含胶量纤维织物预浸料组成。
所述的高含胶量纤维织物预浸料为含胶量为25％重量比的芳纶无纬布或芳纶机织布或碳纤维织物或S级玻璃纤维织物预浸料。
所述低含胶量纤维织物预浸料为含胶量为13％重量比的芳纶无纬布或芳纶机织布预浸料。
其中预浸料用胶粘剂为改性酚醛或者改性环氧胶粘剂。
所述壳体内层2和外层3之间还设有一层聚氨酯粘胶加固层5。
本实施例还提供一种上述防弹头盔的成型方法，包括步骤：
a)将两层高含胶量纤维织物预浸料叠加作为壳体内层，将铺叠好的壳体内层放入80-90℃的第一模具内，4-8MPa压力下开始保压，1-3分钟后开模放气，放气次数是2-5次，每次的放气时间1-3分钟，继续保压5-10分钟，然后取出；
b)将14层低含胶量纤维织物预浸料叠加作为壳体外层，将铺叠好的壳体外层放入90-100℃的第一模具内，4-8MPa压力下开始保压，1-3分钟后开模放气，放气次数是2-5次，每次的放气时间1-3分钟，继续保压5-10分钟，然后取出；
c)在上述壳体内层的上侧及壳体外层的下侧上分别均匀涂刷聚氨酯粘胶剂，涂刷量为壳体内层与壳体外层总重量的3％；
关键的，还包括：
d)叠合壳体内层和壳体外层，将叠合好的头盔壳体在温度为100～120℃、压力小于0.3kpa的真空条件下保温30～60min；
e)将真空处理后的头盔壳体放入头盔形状的下模具内，将上模具压下，压力为8-12Mpa，且上模具与下模具采用从上至下逐级升温至100℃方式对头盔壳体进行模压复合；
f)在35℃-55℃范围内成型固化。
其中，步骤e)中所述逐级升温方式具体为：
在下模具及上模具上从上至下各划分六个加热温区，每两个并行为一组同步控制，分组从上至下逐步从80℃升温至100℃。
具体实施方式优选为，在上模具6内侧及下模具的外侧分别均匀排列设置六个大小不一的加热圈7，上下模具的从上至下相对应的加热圈并行为一组同步控制其温度，最上面的加热圈加热温度为80℃，自上至下逐步温和升温至最下面加热圈的加热温度100℃。
对比例
现有技术中按普通成型工艺加工得到的超高分子量聚乙烯头盔，制作步骤如下：
a)将20层超高分子量聚乙烯纤维预浸料根据所需头盔的形状和大小进行裁剪成头盔壳体，其中预浸料的胶粘剂含量为20wt％；
b)将叠合好的头盔壳体放入普通的热压预成型模具中进行热固模压，热固模压的温度为110℃-130℃，压力为4MPa-6MPa，热固模压时间为12min-20min；
c)将上述制得的坯件从热压预成型模具取出后，放入普通的冷压预成型模具中在室温条件下进行冷固模压，冷固模压时的压力2MPa-3MPa，模压时间为12min-20min，冷固模压后得到防弹头盔。
将实施例1～2制得的防弹头盔与对比例中的防弹头盔进行实弹测试，测试结果如表1。
表1实弹测试结果
从表1可以看出，本发明所述的防弹头盔在进行实弹测试之后的凹陷深度明显比对比例低，即本发明的防弹头盔对人体的二次钝伤减小，这样在很大程度上提高了人员的安全系数，且实施例2的凹陷深度相比实施例1具有更好的防凹陷性能，添加加固层并经过特殊成型方法的的防弹头盔，经多枪打击的防弹效果更加优良，原因是由于该防弹头盔粘结强度提高，且经过特殊成型方法后其胶粘剂分布更加均匀，且内部无微小气泡存在，当受到子弹冲击时，一方面壳体外层吸收了大量的冲击能量，另一方面壳体外层与内层分离时吸收的能量提高，从而消耗大量的子弹冲击能，因此提高了头盔的抗弹效果，同时聚氨酯加固层的增加还有利于子弹能量的迅速传递，达到分散应力的作用。
以上所述的仅为本发明的优选实施例，所应理解的是，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的思想和原则之内所做的任何修改、等同替换等等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种特殊结构设计的芳纶复合防弹头盔的成型方法，包括步骤：
a)将若干层高含胶量纤维织物预浸料叠加作为壳体内层，然后在壳体内层上继续叠加若干层低含胶量纤维织物预浸料，将铺叠好的头盔壳体放入80-100℃的第一模具内，4-8MPa压力下开始保压，1-3分钟后开模放气，放气次数是2-5次，每次的放气时间1-3分钟，继续保压5-10分钟，然后取出；
b)将上述头盔放入150-160℃的第二模具内，所述第二模具比第一模具的模腔厚0.5～2mm，在14-18Mpa的压力下，保压15-20分钟，即可固化成型为壳体成品；
其中，所述高含胶量纤维织物预浸料为含胶量为18％～30％重量比的芳纶无纬布或芳纶机织布或碳纤维织物或S级玻璃纤维织物预浸料；
所述低含胶量纤维织物预浸料为含胶量为10％～17％重量比的芳纶无纬布或芳纶机织布预浸料。
2.一种特殊结构设计的芳纶复合防弹头盔的成型方法，包括步骤：
a)将若干层高含胶量纤维织物预浸料叠加作为壳体内层，将铺叠好的壳体内层放入80-90℃的第一模具内，4-8MPa压力下开始保压，1-3分钟后开模放气，放气次数是2-5次，每次的放气时间1-3分钟，继续保压5-10分钟，然后取出；
b)将若干层低含胶量纤维织物预浸料叠加作为壳体外层，将铺叠好的壳体外层放入90-100℃的第一模具内，4-8MPa压力下开始保压，1-3分钟后开模放气，放气次数是2-5次，每次的放气时间1-3分钟，继续保压5-10分钟，然后取出；
c)在上述壳体内层的上侧及壳体外层的下侧上分别均匀涂刷聚氨酯粘胶剂，涂刷量为壳体内层与壳体外层总重量的2％～6％；
d)叠合壳体内层和壳体外层，将叠合好的头盔壳体在温度为100～120℃、压力小于0.3kpa的真空条件下保温30～60min；
e)将真空处理后的头盔壳体放入头盔形状的下模具内，将上模具压下，压力为8-12Mpa，且上模具与下模具采用从上至下逐级升温至100℃方式对头盔壳体进行模压复合；
f)在35℃-55℃范围内成型固化；
其中，所述高含胶量纤维织物预浸料为含胶量为18％～30％重量比的芳纶无纬布或芳纶机织布或碳纤维织物或S级玻璃纤维织物预浸料；
所述低含胶量纤维织物预浸料为含胶量为10％～17％重量比的芳纶无纬布或芳纶机织布预浸料。
3.根据权利要求2所述的一种特殊结构设计的芳纶复合防弹头盔的成型方法，其特征在于：
步骤e)中所述逐级升温方式具体为：在下模具及上模具上从上至下各划分六个加热温区，每两个并行为一组同步控制，分组从上至下逐步从80℃升温至100℃。
4.一种根据权利要求1或2所述的成型方法制备的特殊结构设计的芳纶复合防弹头盔，包括壳体、喷漆层及悬挂件，其特征在于：壳体包括内层和外层，内层由若干层高含胶量纤维织物预浸料组成，外层由若干层低含胶量纤维织物预浸料组成。
5.根据权利要求4所述的一种特殊结构设计的芳纶复合防弹头盔，其特征在于：所述高含胶量纤维织物预浸料的层数为1～4层。
6.根据权利要求4所述的一种特殊结构设计的芳纶复合防弹头盔，其特征在于：所述低含胶量纤维织物预浸料的层数为12-16层。
7.根据权利要求4所述的一种特殊结构设计的芳纶复合防弹头盔，其特征在于：所述壳体内层和外层之间设有一层聚氨酯粘胶加固层。
8.根据权利要求4所述的一种特殊结构设计的芳纶复合防弹头盔，其特征在于：所述壳体外层外侧还附有一层阻燃纤维织物层，所述壳体内层外侧设有海绵缓冲防护垫。
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