CN107048566A - 一种使用合金骨架强化的消防头盔 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种消防头盔，包括：合金框架，合金框架为镂空结构，合金框架的抗压强度为100～800MPa；包覆合金框架的壳体，所述壳体由纤维布和树脂形成；所述合金框架和壳体形成头盔盔体；设置于头盔盔体外表面的耐热层；设置于头盔盔体内表面的隔热层。与现有技术相比，本发明使用合金框架提高纤维布的整体刚度，并将隔热层和耐热层设置在头盔内外表面，在减轻头盔重量的基础上，使得到的头盔具有良好的防护性能。本发明采用树脂、纤维布、合金等多种材料复合减震的方式制备新型消防头盔，与酚醛玻璃钢材质的消防头盔相比，能够更有效的保护人体，减少人体在火灾现场受到的伤害，而且头盔质量轻、佩戴方便。

Description

一种使用合金骨架强化的消防头盔

技术领域

本发明涉及头盔技术领域，尤其涉及一种使用合金骨架强化的消防头盔。

背景技术

在火灾扑救和抢险救援中，消防员的头部往往会受到来自火场的热、烟、毒、辐射、电击、外力冲击等的伤害。消防头盔可以对消防员的头部进行整体防护。火场环境对消防员头部伤害一般可分为热环境伤害、机械外力伤害以及电泄漏伤害，机械外力伤害包括物体打击、高处坠落。

有研究表明，盔-头-颈系统是非线性的，其响应也是非线性的，当作用力增大时，颈部受力，盔-头相对位移及头部加速度都非线性增大。头盔受到越坚硬的物块撞击，其冲击力作用时间就越短。撞击物刚度和硬度越小，冲击力作用时间就越长。同一大小冲击力作用于盔顶，作用时间越长，盔-头相对位移大，但颈部受力和头部加速度就小。悬挂刚度越大，缓冲能力就越差，传到颈部的力就越大，完全起不到缓冲作用，头部加速度也随着刚度变大而增大。盔-头相对位移则随着刚度变大而减小。头质量大的人，盔-头相对位移就大，颈部受力变小，即头质量大的人能承受更大的冲击力。颈部刚度大的人，传到颈部的力也大，而头部加速度变化很小，即颈部粗的人对抗脑震荡并不有利。

基于以上原则，消防头盔的抗冲击设计需注意以下几点：1.头盔帽壳要有足够的强度能直接阻挡冲击物，不使其刺穿帽壳，直接击打到头部。2.头盔外壳材料要尽量采用厚而轻的材料。3.要使悬挂装置在头顶与盔顶空间位置构成能量吸收系统，减少冲击峰值。4.在盔形及其他配件结构相同的情况下，缓冲层的层数是影响头部冲击载荷吸收的最重要因素，层数越多，越能够有效吸收冲击所带来的能量。在缓冲层结构相同并合理的情况下，要尽量增加其层数。5.帽托组与头部接触处要有软垫并留有一定的空间，构成能量吸收系统，并防止颅骨变形。

随着科学技术的发展，老式头盔的防护力和适应性已不能适应现代消防工作的要求。因此，许多国家研制了新式复合材料头盔。目前采用复合材料制备消防头盔方面，国内外均有相关报道：如中国专利，申请号为201420077866.8，发明名称为“一种抗震消防头盔”报道了抗震消防头盔，该头盔主体自外向内依次由阻燃层、硬质防护层、内层缓冲层、头盔内衬层组成。中国专利，申请号为201410114098.3，发明名称为“改进的消防头盔”报道了一种改进的消防头盔，包括盔壳、减震带、下颏带、护披、头围调节扣，其特征是盔壳内设有三级减震机构和双向调节机构，调节机构与减震机构互为连接并装置于盔壳内。中国专利，申请号为201120172779.7，发明名称为“一种新型消防头盔”报道了一种新型消防头盔，头盔外壳采用具备阻燃效果且防紫外线性能稳定的聚胺纤维制成，整体用荧光剂着色；面罩位于头盔外壳前沿下部，在后部与减震网连接，同时，在减震网的上部还设置有减震件来配合减震网进行头部保护；在头盔外壳下，还设置有一个防护披肩，防护披肩由阻燃抗辐射复合材料制造，可用按扣或尼龙搭扣将其固定于头盔内；同时，在头盔外壳内设置有头带，且头带上设置有滑动调节器和头带调节器。中国专利，申请号201220010689.2，发明名称为“头部防护结构”公开了一种头部防护结构，包括帽体，具有外表层，外表层内部设入有内衬层，于所述外表层与内衬层之间形成有容置空间。

现有的消防头盔设计大多采用酚醛树脂玻璃钢、聚胺纤维等材料加工成头盔盔体使用。这类头盔存在过重问题，长期佩戴会对人体颈椎造成压迫，但如果减少酚醛树脂的使用，会造成头盔强度的下降。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种消防头盔，本发明提供的消防头盔为使用合金骨架强化的消防头盔，在重量较轻的基础之具有良好的抗冲击性能。

本发明提供了一种使用合金骨架强化的消防头盔，包括：

合金框架，合金框架为镂空结构，合金框架的抗压强度为100～800MPa；

包覆合金框架的壳体，壳体由纤维布和树脂形成；

合金框架和壳体形成头盔盔体；

设置于头盔盔体外表面的耐热层；

设置于头盔盔体内表面的隔热层。

优选的，所述合金框架的材质选自镁合金、铝合金、钛合金和高强钢中的一种或几种。

优选的，所述壳体由多层纤维布和树脂形成。

优选的，所述纤维布选自碳纤维布、玻璃纤维布、凯夫拉纤维布、聚酰胺类纤维布和陶瓷纤维布中的一种或几种。

优选的，所述树脂为环氧树脂或酚醛树脂。

优选的，所述耐热层的成分包括：

硅铝酸盐、碳化硼、稀土发光粉和气凝胶。

优选的，所述硅铝酸盐、碳化硼、稀土发光粉和气凝胶的质量比为A：B：C：D；

0＜A≤70，0＜B≤30，0＜C≤20，0＜D≤50。

优选的，所述耐热层的厚度为0.3～2mm。

优选的，所述隔热层的材质为气凝胶。

优选的，所述隔热层的厚度为2～20mm。

与现有技术相比，本发明提供了了一种使用合金骨架强化的消防头盔，使用合金框架提高纤维布的整体刚度，并将隔热层和耐热层设置在头盔内外表面，在减轻头盔重量的基础上，使得到的头盔具有良好的防护性能。本发明采用树脂、纤维布、合金等多种材料复合减震的方式制备新型消防头盔，与酚醛玻璃钢材质的消防头盔相比，能够更有效的保护人体，减少人体在火灾现场受到的伤害，而且头盔质量轻、佩戴方便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的合金框架的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的消防头盔的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

本发明提供了一种消防头盔，包括：

合金框架，合金框架为镂空结构，合金框架的抗压强度为100～800MPa；

包覆合金框架的壳体，壳体由纤维布和树脂形成；

合金框架和壳体形成头盔盔体；

设置于头盔盔体外表面的耐热层；

设置于头盔盔体内表面的隔热层。

本发明提供的消防头盔包括合金框架，合金框架为镂空结构。在本发明中，合金框架中合金或合金框架的抗压强度为100～800MPa，优选为200～700MPa，更优选为300～600MPa，最优选为400～500MPa。在本发明中，所述合金框架的材质优选为轻质合金，如镁合金、铝合金、钛合金和高强钢中的一种或几种。

在本发明中，合金框架的结构优选为图1所示的结构，图1为本发明实施例提供的合金框架的结构示意图，至少包括：纵向主筋1，与纵向主筋1在头盔顶部交叉的横向主筋2，与纵向主筋1和横向主筋2交叉的后向主筋3，头盔轮廓的边缘筋4。在本发明中，所述合金框架中的骨架筋优选为条形，骨架筋的横向横截面积优选为8～100mm²，更优选为10～80mm²，更优选为30～60mm²，最优选为40～50mm²；骨架筋的宽度优选为10～15mm，厚度优选为2～4mm。

本发明对合金框架的制备方法没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的框架的制备技术如铸造或压铸工艺整体成型或采用焊接工艺制备得到即可。

本发明提供的头盔包括包覆合金框架的壳体。在本发明中，所述壳体由纤维布和树脂形成；优选由多层纤维布和树脂形成。在本发明中，所述多层纤维布优选为5～20层，更优选为10～15层。在本发明中，所述纤维布优选选自碳纤维布、玻璃纤维布、凯夫拉纤维布、聚酰胺纤维布和陶瓷纤维布中的一种或几种。在本发明中，可以将同种材质的纤维布进行叠加形成多层纤维布，也可以将不同材质的纤维进行叠加形成多层纤维布。在本发明中，所述树脂优选为环氧树脂或酚醛树脂。

在本发明中，所述合金框架和壳体形成头盔盔体，优选采用真空导流法制备头盔盔体。真空导流是一种用于生产纤维增强制件的层合工艺。将干性材料(毡，织物，缝合毡和泡沫芯)叠在一个阳模或阴模表面，使用薄的塑料真空袋或半刚性的对模沿着部件的周围密封。采用真空泵抽真空，施加大气压力，压实干性材料，并产生一个“真空间隙”。然后，放置树脂注胶管道将树脂注入间隙。真空间隙和外部大气压力之间的压力差将树脂压入，直到完全浸润。真空始终保持，直到该部件固化，确保密实。

在本发明中，所述头盔盔体的制备方法优选为：

将外层纤维布放入模具中；

将合金框架放在外层纤维布上面；

将内层纤维布放在合金框架上面；

使用真空塑封袋将模具密封；

采用真空导流法将树脂注入塑封袋内，将纤维布和合金框架定型；

加热使树脂凝固，使合金框架固定在粘结的纤维布之间。

在本发明中，外层纤维布的层数优选为5～20层，更优选为10～15层。在本发明中，内层纤维布的层数优选为0～10层，更优选为2～8层，最优选为3～6层。

本发明在加热固化过程中优选在树脂中添加固化剂，如采用环氧树脂以聚酰胺为固化剂。在本发明中，为提高头盔盔体的耐热性，还可在树脂中添加芳胺及其衍生物。

本发明提供的消防头盔包括设置在头盔盔体外表面的耐热层。在本发明中，所述耐热层的成分优选包括：硅铝酸盐、碳化硼、稀土发光粉和气凝胶。在本发明中，所述硅铝酸盐优选为硅铝酸盐无机高温胶，可由市场购买获得，如可采用双键耐高温无机胶DR5013，好粘牌HN958无机高温胶等。在本发明中，所述硅铝酸盐无机高温胶优选可耐1200℃高温。在本发明中，所述碳化硼优选为碳化硼陶瓷粉，可由市场购买获得。在本发明中，所述稀土发光粉可以市场购买获得。在本发明中，所述气凝胶优选为气凝胶颗粒，为二氧化硅气凝胶，可由市场购买获得，如金纳牌或双邻牌气凝胶。

在本发明中，所述硅铝酸盐、碳化硼、稀土发光粉和气凝胶的质量比优选为A：B：C：D；0＜A≤70，0＜B≤30，0＜C≤20，0＜D≤50；更优选为(10～60)：(10～20)：(5～15)：(10～40)，最优选为(20～50)：(14～16)：(8～12)：(20～30)。在本发明中，耐热层可以起到防水、防电、耐高温、隔热的作用，而且稀土发光材料还能使消防头盔在缺少照明的环境下发光。

在本发明中，所述耐热层的厚度优选为0.3～2mm，更优选为0.5～1.5mm，最优选为0.8～1.2mm。

在本发明中，所述耐热层的制备方法优选为通过将耐热层的制备原料进行浆料喷涂至头盔盔体外表面。

本发明提供消防头盔包括设置于头盔盔体内表面的隔热层。在本发明中，所述隔热层的材质优选为气凝胶。气凝胶是一种固体物质形态，是世界上密度很小的固体之一。密度为3千克每立方米，仅为空气密度的2.75倍。由于气凝胶中80％以上是空气，具有非常好的隔热效果，一寸厚的气凝胶相当20至30块普通玻璃的隔热功能。即使把气凝胶放在玫瑰与火焰之间，玫瑰也会丝毫无损。气凝胶貌似“弱不禁风”，其实非常坚固耐用。它可以承受相当于自身质量几千倍的压力，在温度达到1200摄氏度时才会熔化。此外它的导热性和折射率也很低，绝缘能力比最好的玻璃纤维还要强39倍。

在本发明中，所述隔热层的厚度优选为2～20mm，更优选为5～15mm，最优选为8～12mm。本发明对所述隔热层的制备方法没有特殊的限制，如本领域技术人员可购买市售的气凝胶产品将其剪裁为合适的尺寸贴合于头盔盔体内表面即可，也可将板状气凝胶分块拼接，使其覆盖在头盔盔体内表面。

本发明提供的使用合金骨架强化的消防头盔结构如图2所示，图2为本发明实施例提供的消防头盔的结构示意图，包括合金框架3，包覆合金框架3的外壳层2，包覆合金框架的内壳层4，设置在外壳层2表面的耐热层1，设置在内壳层4表面的隔热层2。

本发明对所述消防头盔的制备方法没有特殊的限制，按照头盔的结构将上述技术方案所述的合金框架、壳体(头盔盔体)、耐热层和隔热层进行组装即可，所述合金框架、壳体(头盔盔体)、耐热层和隔热层的制备方法与上述技术方案所述的方法一致，在此不再赘述。

本发明可以将合金框架、壳体(头盔盔体)、耐热层和隔热层进行粘接，制备得到消防头盔，也可以将它们采用铆钉进行铆接制备得到消防头盔。在本发明中，可采用环氧树脂胶粘剂进行粘接。

本发明制备得到消防头盔后优选对消防头盔的内外表面进行涂装，如可采用水玻璃涂装。

现有技术大多采用酚醛树脂玻璃钢、聚胺纤维等材料制备消防头盔，这类材料在火场极端条件下存在高温强度降低和高温老化现象，防护能力有限。本发明提供的使用合金骨架强化的消防头盔使用多种材料复合的减震方式，在减重的基础之上提升消防头盔的耐热性能、高温抗冲击性能。在同等防护能力下，本发明的头盔重量低于现有技术重量；与现有技术头盔重量相同的条件下，本发明头盔的防护能力优于现有技术的头盔。

本发明以下实施例所用到的原料均为市售商品。

实施例1

采用压铸方式整体制备AZ91镁合金骨架，合金骨架结构如图1所示，包括一条纵向主筋，一条与纵向主筋交叉于头盔顶部的横向主筋，一条与纵向主筋交叉于头盔后部的后向主筋，一条轮廓筋。合金骨架筋的宽度为15mm，厚度为5mm，骨架整体重量为230g。

使用真空导流法制备头盔盔体，并将合金骨架镶嵌其中：

将环氧树脂加热成流体状，并加入聚酰胺固化剂；

使用水性脱模剂擦拭模具；

将剪裁好的高弹性模量T700碳纤维布(共7层)叠加放在模具内，作为外层；

将T700碳纤维布(内层)及合金骨架整体放入模具中，并使用真空塑封袋密封。

采用真空导流法将环氧树脂和聚酰胺固化剂引入塑封袋内，将纤维布与合金骨架一次定型。

随后加热，加热温度150℃，加热时间4小时，使合金骨架固定在粘结的碳纤维层之间，得到头盔盔体。

在盔体外表面喷涂耐热层，厚度为2mm，成分为质量比为70:20:20:50的硅铝酸盐高温胶、碳化硼陶瓷粉体、稀土发光粉和气凝胶颗粒。

在头盔盔体内表面使用环氧树脂胶粘剂粘接气凝胶层，厚度为20mm，得到消防头盔。

经测量，本发明实施例1制备得到的消防头盔的重量为607克。

依照GA 44-93《消防头盔国家标准》对本发明实施例1制备得到的消防头盔进行穿透性能、导电性能和耐热性能检测。检测结果为，帽顶部、侧部、前部、后部的最大冲击加速度均达到400g_n，符合防护要求；在2.2千伏、保持5分钟的测试条件下不导电；采用800℃火焰喷灯燃烧帽壳15秒后移开火焰，火焰随即熄灭；头盔达到国家标准中的防护要求上限。

将本发明实施例1制备得到的消防头盔与美国MSA梅思安F2XTREM消防头盔进行重量比较，在相同防护面积下，F2XTREM消防头盔盔体重量约为750克，本发明头盔减重明显。在超标准测试环境下(标准条件是使用5kg重的钢球自1m高度落下，保证头盔下人体模型的安全，头盔即便变形也不触碰模型上的传感器)，使用5kg重锤自2米高高度进行冲击实验，本发明头盔完好，F2XTREM消防头盔出现一定程度的破损，结果表明，本发明头盔性能优越。

实施例2

按照实施例1所述的方法制备得到合金骨架。

使用真空导流法制备头盔盔体，并将合金骨架镶嵌其中：

将环氧树脂加热成流体状，并加入聚酰胺固化剂；

使用水性脱模剂擦拭模具；

将剪裁好的高弹性模量T700碳纤维布(共5层)叠加放在模具内，作为外层；

将玻璃纤维布(内层)及合金骨架整体放入模具中，并使用真空塑封袋密封。

采用真空导流法将环氧树脂和聚酰胺固化剂引入塑封袋内，将纤维布与合金骨架一次定型。

随后加热，加热温度175℃，加热时间3小时，使合金骨架固定在粘结的纤维层之间，得到头盔盔体。

在盔体外表面喷涂耐热层，厚度为0.3mm，成分为质量比为5:5:5:5的硅铝酸盐高温胶、碳化硼陶瓷粉体、稀土发光粉和气凝胶颗粒。

在头盔盔体内表面使用环氧树脂胶粘剂粘接气凝胶层，厚度为2mm，得到消防头盔。

在消防头盔的内外表面涂装水玻璃。

经测量，本发明实施例2制备得到的消防头盔重量490克。

依照GA 44-93《消防头盔国家标准》对本发明实施例2制备得到的消防头盔进行穿透性能、导电性能和耐热性能检测。检测结果为，帽顶部、侧部、前部、后部的最大冲击加速度均达到400g_n，符合防护要求；在2.2千伏、保持5分钟的测试条件下不导电；采用800℃火焰喷灯燃烧帽壳15秒后移开火焰，火焰随即熄灭；达到国家标准中的防护要求上限。

将本发明实施例2制备得到的消防头盔与美国MSA梅思安F2XTREM消防头盔进行重量比较，在相同防护面积下，F2XTREM消防头盔盔体重量约为750克，本发明头盔减重明显。在超标准测试环境下(测试条件同实施例1)，使用5kg重锤自2米高高度进行冲击实验，本发明头盔完好，F2XTREM消防头盔出现一定程度的破损，结果表明，本发明头盔性能优越。

实施例3

按照实施例1的方法制备得到合金骨架，与实施例1不同的是，在实施例1的基础上在横、纵方向上增加三条宽度为4mm的辅助筋。骨架整体重量为250g。

按照实施例2的方法制备得到头盔盔体。

在盔体外表面喷涂耐热层，厚度为1mm，成分为质量比为35:15:10:25的硅铝酸盐高温胶、碳化硼陶瓷粉体、稀土发光粉和气凝胶颗粒。

在头盔盔体内表面使用环氧树脂胶粘剂粘接气凝胶层，厚度为10mm，得到消防头盔。

将得到的消防头盔采用水玻璃进行内外表面的涂装。

经测量，本发明实施例3制备得到的消防头盔的重量520克。

依照GA 44-93《消防头盔国家标准》对本发明实施例3制备得到的消防头盔进行穿透性能、导电性能和耐热性能检测。检测结果为，帽顶部、侧部、前部、后部的最大冲击加速度均达到400g_n，符合防护要求；在2.2千伏、保持5分钟的测试条件下不导电；采用800℃火焰喷灯燃烧帽壳15秒后移开火焰，火焰随即熄灭；头盔达到国家标准中的防护要求上限。

将本发明实施例3制备得到的消防头盔与美国MSA梅思安F2XTREM消防头盔进行重量比较，在相同防护面积下，F2XTREM消防头盔重量约为750克，本发明头盔减重明显。在超标准测试环境下(测试条件同实施例1)，使用5kg重锤自2米高高度进行冲击实验，本发明头盔完好，F2XTREM消防头盔出现一定程度的破损，结果表明，本发明头盔性能优越。

由以上实施例可知，本发明提供了一种使用合金骨架强化的消防头盔，包括：合金框架，合金框架为镂空结构，合金框架的抗压强度为100～800MPa；包覆合金框架的壳体，所述壳体由纤维布和树脂形成；所述合金框架和壳体形成头盔盔体；设置于头盔盔体外表面的耐热层；设置于头盔盔体内表面的隔热层。与现有技术相比，本发明使用合金框架提高纤维布的整体刚度，并将隔热层和耐热层设置在头盔内外表面，在减轻头盔重量的基础上，使得到的头盔具有良好的防护性能。本发明采用树脂、纤维布、合金等多种材料复合减震的方式制备新型消防头盔，与酚醛玻璃钢材质的消防头盔相比，能够更有效的保护人体，减少人体在火灾现场受到的伤害，而且头盔质量轻、佩戴方便。

Claims (10)

1.一种消防头盔，包括：

合金框架，合金框架为镂空结构，合金框架的抗压强度为100～800MPa；

包覆合金框架的壳体，壳体由纤维布和树脂形成；

合金框架和壳体形成头盔盔体；

设置于头盔盔体外表面的耐热层；

设置于头盔盔体内表面的隔热层。

2.根据权利要求1所述的消防头盔，其特征在于，所述合金框架的材质选自镁合金、铝合金、钛合金和高强钢中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的消防头盔，其特征在于，所述壳体由多层纤维布和树脂形成。

4.根据权利要求3所述的消防头盔，其特征在于，所述纤维布选自碳纤维布、玻璃纤维布、凯夫拉纤维布、陶瓷纤维布和聚酰胺类纤维布中的一种或几种。

5.根据权利要求1所述的消防头盔，其特征在于，所述树脂为环氧树脂或酚醛树脂。

6.根据权利要求1所述的消防头盔，其特征在于，所述耐热层的成分包括：

硅铝酸盐、碳化硼、稀土发光粉和气凝胶。

7.根据权利要求6所述的消防头盔，其特征在于，所述硅铝酸盐、碳化硼、稀土发光粉和气凝胶的质量比为A：B：C：D；

0＜A≤70，0＜B≤30，0＜C≤20，0＜D≤50。

8.根据权利要求1所述的消防头盔，其特征在于，所述耐热层的厚度为0.3～2mm。

9.根据权利要求1所述的消防头盔，其特征在于，所述隔热层的材质为气凝胶。

10.根据权利要求1所述的消防头盔，其特征在于，所述隔热层的厚度为2～20mm。