CN108143036A - 基于非晶合金改性碳纤维的头盔外壳、头盔及其制作方法 - Google Patents

基于非晶合金改性碳纤维的头盔外壳、头盔及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于非晶合金改性碳纤维的头盔外壳、头盔及其制作方法，头盔外壳的制作方法包括：步骤A、将非晶合金丝根据头盔外壳尺寸编织成网状结构，并浸入环氧树脂，得到改性非晶合金丝网；步骤B、在所述改性非晶合金丝网内外两面分别布置碳纤维，得到三层结构的夹层材料；步骤C、将所述夹层材料在头盔模具内于120～130℃下热压成型，得到基于非晶合金改性碳纤维的头盔外壳。本发明的方法制作的头盔外壳，不仅强度高，而且在碰撞破损时，能将头盔外壳碎片紧固并保持在一起，能吸收更多的冲击能量，给用户提供更好的保护；本发明的头盔外壳经过一次热压成型即可，制备方法简单。

Description

基于非晶合金改性碳纤维的头盔外壳、头盔及其制作方法
技术领域
本发明涉及防护器材领域，尤其涉及一种基于非晶合金改性碳纤维的头盔外壳、头盔及其制作方法。
背景技术
驾驶F1赛车时需要佩戴头盔，以保护驾驶员的安全。现有头盔外部壳体大多是热塑性材料制作的，比如PVC、ABS或PC等，也有采用碳纤维制作。外壳作为第一道保护层，其强度和冲击吸收能决定了头盔的质量，上述热塑性材料综合力学性能较差，而纯碳纤维的产品太脆、横向耐冲力差，上述材料均难以对赛车手提供足够的保护。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于非晶合金改性碳纤维的头盔外壳、头盔及其制作方法，旨在解决现有的头盔外壳综合力学性能较差的问题。
本发明的技术方案如下：
一种头盔外壳的制作方法，包括：
步骤A、将非晶合金丝根据头盔外壳尺寸编织成网状结构，并浸入环氧树脂，得到改性非晶合金丝网；
步骤B、在所述改性非晶合金丝网内外两面分别布置碳纤维，得到三层结构的夹层材料；
步骤C、将所述夹层材料在头盔模具内于120～130 ℃下热压成型，得到基于非晶合金改性碳纤维的头盔外壳。
所述的头盔外壳的制作方法，其中，所述步骤A中，所述非晶合金丝的制作方法为：将熔融合金在保护气氛中喷射到旋转的轧辊上，并以10～104 K·s-1的冷却速度冷却，得到非晶合金丝。
所述的头盔外壳的制作方法，其中，所述步骤A中，所述非晶合金丝的直径为30～50μm。
所述的头盔外壳的制作方法，其中，所述步骤A中，所述非晶合金丝的成分，按照原子百分比计包括：
Zr 50～80%，
Cu 5～15%，
Ni 10～20%，
Al 5～15%。
所述的头盔外壳的制作方法，其中，所述步骤A中，所述非晶合金丝的成分，按照原子百分比计为Zr70.5Cu7.5Ni15Al7。
所述的头盔外壳的制作方法，其中，在所述步骤A之后，所述步骤B之前还包括：
步骤B01、将所述碳纤维预先浸染环氧树脂。
所述的头盔外壳的制作方法，其中，在所述步骤A之后，所述步骤B01之前还包括：
步骤B00、将所述碳纤维预先浸泡到纳米材料溶液中进行改性。
一种非晶合金改性碳纤维的头盔外壳，由如上所述的头盔外壳的制作方法制作而成。
所述的非晶合金改性碳纤维的头盔外壳，其中，抗拉强度≥2GPa。
一种头盔，包括如上所述的非晶合金改性碳纤维的头盔外壳。
有益效果：本发明提供了一种如上所述的头盔外壳的制作方法，将非晶合金丝编织成网状结构，可以在三维空间上对头盔外壳的强度进行加强，并且头盔外壳在碰撞破损时，非晶合金丝网骨架能将头盔外壳大部分已经碎裂的碎片紧固并保持在一起，有助于吸收冲击的能量，给用户提供更好的保护；并且将非晶合金丝网浸染树脂，可以改善其与碳纤维的结合，碳纤维的加入有利于降低头盔的重量；本发明的头盔外壳经过一次热压成型即可，制备方法简单。
附图说明
图1为本发明的头盔的一种结构示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种基于非晶合金改性碳纤维的头盔外壳、头盔及其制作方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供的一种头盔外壳的制作方法的较佳实施例，包括：
步骤A、将非晶合金丝根据头盔外壳尺寸编织成网状结构，并浸入环氧树脂，得到改性非晶合金丝网；
步骤B、在所述改性非晶合金丝网内外两面分别布置碳纤维，得到三层结构的夹层材料；
步骤C、将所述夹层材料在头盔模具内于120～130 ℃下热压成型，得到基于非晶合金改性碳纤维的头盔外壳。
本发明将非晶合金与碳纤维复合来制作头盔外壳，其中，首先将非晶合金丝编织成网状结构，可以在三维空间上对头盔外壳的强度进行加强，并且头盔外壳在碰撞破损时，非晶合金丝网骨架能将头盔外壳大部分已经碎裂的碎片紧固并保持在一起，有助于吸收冲击的能量，给用户提供更好的保护；并且将非晶合金丝网浸染树脂，可以改善其与碳纤维的结合，同时，碳纤维的加入在不明显降低强度的情况下，可以显著减轻头盔重量；本发明的头盔外壳经过一次热压成型即可，制备方法简单。
优选地，所述步骤A中，所述非晶合金丝采用真空快淬技术制备，具体为：将熔融合金在保护气氛中喷射到旋转的轧辊上，并以10～104 K·s-1的冷却速度冷却，得到非晶合金丝。
优选地，所述步骤A中，所述非晶合金丝的直径为30～50μm。
优选地，所述步骤A中，所述非晶合金丝的成分，按照原子百分比计包括：
Zr 50～80%，
Cu 5～15%，
Ni 10～20%，
Al 5～15%。
进一步优选地，所述非晶合金丝的成分，按照原子百分比计为Zr70.5Cu7.5Ni15Al7。
优选地，在所述步骤B之前，还可以将所述碳纤维预先浸染环氧树脂，这样可以进一步改善非晶合金与碳纤维的结合。
优选地，在碳纤维预先浸染环氧树脂之前还可以包括步骤：将所述碳纤维预先浸泡到纳米材料溶液中进行改性。纳米粒子渗透到碳原子的间隙之间，对碳纤维中分子键进行补强，能提高材料的力学性能。
优选地，所述步骤C中，热压成型步骤，热压的压力设置为6～16 MPa，热压时间为10～15 min。
本发明还提供了由上述方法制作的非晶合金改性碳纤维的头盔外壳，根据GB/T3362-2005测试，其抗拉强度≥2GPa。
根据GB/T 1043.1-2008测试，将非晶合金丝和碳纤维做改性以后制得的头盔外壳，相比改性前，抗冲击强度提高30%，耐用度提高10%，反弹性能提高5%。
进一步地，在上述头盔外壳1内依次增加缓冲层2、内衬层3、帽带4等部件，可制成综合力学性能良好的头盔，如图1所示。
下面通过实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
（1）将合金Zr70.5Cu7.5Ni15Al7熔融，并在保护气氛中喷射到以3000 rpm的转速旋转的轧辊上，并以10～104 K·s-1的冷却速度冷却，得到直径为40μm的非晶合金丝；
然后将非晶合金丝根据头盔外壳尺寸编织成网状结构，并浸入环氧树脂，得到改性非晶合金丝网。
（2）配置Ti纳米材料溶液，并将碳纤维在Ti纳米材料溶液中浸泡30 min进行改性，提高碳纤维的力学性能；然后将改性碳纤维浸染环氧树脂，以改善其与非晶合金的结合；
然后在改性非晶合金丝网内外两面分别布置浸染有环氧树脂的碳纤维，得到三层结构的夹层材料，中间层为改性非晶合金丝网，内层和外层为改性碳纤维。
（3）将所述夹层材料置于头盔外壳模具内，采用四柱液压机以11MPa的压力在125℃下热压12 min，冷却后取出，得到基于非晶合金改性碳纤维的头盔外壳。
综上所述，本发明提供了一种基于非晶合金改性碳纤维的头盔外壳、头盔及其制作方法，将非晶合金与碳纤维复合来制作头盔外壳。制作的头盔外壳不仅强度高，而且在碰撞破损时，能将头盔外壳碎片紧固并保持在一起，能吸收更多的冲击能量，给用户提供更好的保护；本发明的头盔外壳经过一次热压成型即可，制备方法简单。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种头盔外壳的制作方法，其特征在于，包括：
步骤A、将非晶合金丝根据头盔外壳尺寸编织成网状结构，并浸入环氧树脂，得到改性非晶合金丝网；
步骤B、在所述改性非晶合金丝网内外两面分别布置碳纤维，得到三层结构的夹层材料；
步骤C、将所述夹层材料在头盔模具内于120～130 ℃下热压成型，得到基于非晶合金改性碳纤维的头盔外壳。
2. 根据权利要求1所述的头盔外壳的制作方法，其特征在于，所述步骤A中，所述非晶合金丝的制作方法为：将熔融合金在保护气氛中喷射到旋转的轧辊上，并以10～104 K·s-1的冷却速度冷却，得到非晶合金丝。
3.根据权利要求1所述的头盔外壳的制作方法，其特征在于，所述步骤A中，所述非晶合金丝的直径为30～50μm。
4.根据权利要求1所述的头盔外壳的制作方法，其特征在于，所述步骤A中，所述非晶合金丝的成分，按照原子百分比计包括：
Zr 50～80%，
Cu 5～15%，
Ni 10～20%，
Al 5～15%。
5.根据权利要求4所述的头盔外壳的制作方法，其特征在于，所述步骤A中，所述非晶合金丝的成分，按照原子百分比计为Zr70.5Cu7.5Ni15Al7。
6.根据权利要求1所述的头盔外壳的制作方法，其特征在于，在所述步骤A之后，所述步骤B之前还包括：
步骤B01、将所述碳纤维预先浸染环氧树脂。
7.根据权利要求6所述的头盔外壳的制作方法，其特征在于，在所述步骤A之后，所述步骤B01之前还包括：
步骤B00、将所述碳纤维预先浸泡到纳米材料溶液中进行改性。
8.一种非晶合金改性碳纤维的头盔外壳，其特征在于，由权利要求1-7任一所述的头盔外壳的制作方法制作而成。
9.根据权利要求8所述的非晶合金改性碳纤维的头盔外壳，其特征在于，抗拉强度≥2GPa。
10.一种头盔，其特征在于，包括权利要求8或9所述的非晶合金改性碳纤维的头盔外壳。
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Application publication date: 20180612

Assignee: SHENZHEN LEQI NETWORK TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Assignor: SHENZHEN University

Contract record no.: X2023980034835

Denomination of invention: Helmet shell, helmet and production method based on amorphous alloy modified carbon fiber

Granted publication date: 20210302

License type: Common License

Record date: 20230417