CN108801055A - 一种减轻非贯穿性损伤的非金属防弹头盔及其制造方法 - Google Patents

一种减轻非贯穿性损伤的非金属防弹头盔及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种减轻非贯穿性损伤的非金属防弹头盔及其制造方法。包括盔壳和布置在盔壳内表面的缓冲悬挂件，盔壳中高强PE纤维无纬布占盔壳主要部分，碳纤维无纬布插叠入高强PE纤维无纬布占盔壳的中间或者最外层，且相邻无纬布之间为聚乙烯膜；无纬布和聚乙烯膜交叉叠合后依次热压预成型、冷压预成型得到预成型头盔，预成型头盔铺覆上浸渍有热固性聚合物树脂的玻璃纤维织物再依次热压预成型、冷压预成型得到预制盔壳，电子束辐照处理获得最终盔壳。本发明提高防弹头盔抵抗形变的能力，减小瞬间鼓包，减轻非贯穿性损伤对人的头部所造成的伤害，具有高比模量，高弯曲模量，高压缩强度，高剪切强度等特点。

Description

一种减轻非贯穿性损伤的非金属防弹头盔及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种防弹头盔制造方法，特别是涉及一种减轻非贯穿性损伤的非金属防弹头盔及其制造方法。
背景技术
目前世界各国军警使用的非金属防弹头盔大都采用芳香族聚酰胺纤维(简称芳纶)或超高分子量聚乙烯纤维(简称高强PE)与热固性或热塑性树脂加热模压复合而成。例如中国专利CN10733913A、CN1669766A以及CN2770927Y公布了超高分子量聚乙烯纤维(简称高强PE)与热固性或热塑性树脂加热模压复合而成。如图1所示，当高速子弹3击中头盔的盔壳1时，巨大的动能在瞬间要转化为热能，树脂的破碎能，树脂与纤维之间的剥离能，高强纤维的断裂能和形变能等。
其中形变能又分为弹性形变能和永久形变能两种。弹性形变表现为弹击时头盔内层的瞬间鼓包5，瞬间鼓包5达到5cm，永久形变表现为弹击后头盔里层产生的保留鼓包6(如图1所示)。虽然芳纶或高强PE的拉伸强度较高，但其拉伸模量，弯曲模量等较低，致使头盔弹击时变形产生的瞬间鼓包6较大。虽然头盔并未被击穿，只留下了较小的保留鼓包5，但不可避免地使人头部4产生了非贯穿性损伤。
发明内容
为了解决背景技术中提及的问题，本发明提出了一种减轻非贯穿性损伤的非金属防弹头盔及其制造方法，利用碳纤维高比强度
如图2所示，本发明所采用的技术方案是：
一、一种减轻非贯穿性损伤的非金属防弹头盔：
头盔包括盔壳和布置在盔壳内表面的缓冲悬挂件，所述盔壳主要由高强PE纤维无纬布、碳纤维无纬布和聚乙烯膜搭配制成。
所述的高强PE纤维无纬布占盔壳主要部分，碳纤维无纬布插叠入高强PE纤维无纬布占盔壳的中间或者最外层，且相邻无纬布之间为聚乙烯膜。
所述的碳纤维无纬布为1K-12K小集束高强型T系列碳纤维、高模型M系列碳纤维(石墨纤维)和高强高模型MJ系列(石墨纤维)碳纤维。
二、一种减轻非贯穿性损伤的非金属防弹头盔的制造方法：在盔壳内表面固定缓冲悬挂件制成，所述盔壳采用以下步骤制备而成：
(1)将高强PE纤维无纬布和碳纤维无纬布根据所需头盔的形状和大小进行裁剪，剪裁后与聚乙烯膜交叉叠合；
(2)放入热压预成型模具中，升温至100～120℃，压力10～20MPa，保温保压5～10分钟使无纬布中的聚乙烯膜软化；
(3)取出迅速放入冷压预成型模具中，压力5～10MPa，保持20～30分钟，得到预成型头盔；
(4)在预成型头盔的内外表面铺覆上浸渍有热固性聚合物树脂的高强玻璃纤维织物，玻璃纤维织物作为加固材料通过热固性聚合物树脂粘附到预成型头盔的内外表面；
(5)将铺覆上加固材料的头盔放入热压成型模具中，升温至120～125℃，升压至20～30MPa，恒温恒压保持30～45分钟；
(6)取出迅速放入冷压成型模具中冷却定型，压力25～30MPa，保持10～15分钟，制得预制盔壳；
(7)制得预制盔壳后再用电子束辐照方法对整个预制盔壳进行辐照处理，辐照剂量为100-200KGy，使聚乙烯膜自交联与无纬布连接形成紧密复合物，获得盔壳。
所述步骤(1)中，28～33层高强PE纤维无纬布依次层叠，高强PE纤维无纬布中设置有连续的1-3层碳纤维无纬布，1-3层碳纤维无纬布布置在高强PE纤维无纬布的中间或者最外层，且任意相邻两层无纬布之间布置聚乙烯膜以进行交联固接，从而使得高强PE纤维无纬布、碳纤维无纬布和聚乙烯膜共同交叉叠合。
所述的碳纤维无纬布和聚乙烯膜在进行步骤(1)前均采用电晕辐照设备进行表面活化处理，电晕辐照的电压为6-15kV、距离为0.5-3cm，时间为30-60min这样能提高碳纤维无纬布与低分子量聚乙烯膜的粘结性能。
所述的碳纤维无纬布为1K-12K小集束高强型T系列碳纤维、高模型M系列碳纤维(石墨纤维)和高强高模型MJ系列(石墨纤维)碳纤维。
本发明通过实施测试发现通过上述方法制造获得的头盔能够被高速子弹3击中时，变形仅产生小的瞬间鼓包6，基本不留下保留鼓包5，不会对人头部4产生非贯穿性损伤，从而提高防弹头盔抵抗形变的能力。
本发明采用碳纤维织物部分代替高强PE织物，穿插入高强PE织物中，采用碳纤维减轻高强PE头盔的非贯穿性损伤。
本发明的有益效果是：
本发明提高防弹头盔抵抗形变的能力，减小瞬间鼓包，从而减轻非贯穿性损伤对人的头部所造成的伤害，具有高比模量，高弯曲模量，高压缩强度，高剪切强度等特点，通过本发明的方法，使头盔瞬间鼓包的高度从4-5cm下降到2-3cm。
附图说明
图1是弹击后头盔里层产生的保留鼓包示意图；
图2是本发明方法的无纬布与低分子量聚乙烯膜复合工艺图。
图中：盔壳1、缓冲悬挂件2、高速子弹3、人头部4、保留鼓包5、瞬间鼓包6。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明的实施例如下：
实施例1
如图2所示，碳纤维无纬布与低分子量聚乙烯膜采用电晕辐照处理，电晕辐照的电压为6kV、距离为0.5cm，时间为30min。
然后，将30层高强SK76PE纤维无纬布和3层碳纤维无纬布根据所需头盔的形状和大小进行裁剪，连续的3层碳纤维无纬布放置在30层高强PE纤维无纬布的中间层，并在相邻无纬布之间放置低分子量聚乙烯膜交叉整齐叠合。
处理后放入热压预成型模具中，升温至100℃，压力10MPa，保温保压5分钟使高强PE纤维无纬布和碳纤维无纬布中的低分子量聚乙烯膜软化。
取出后迅速放入冷压预成型模具中，压力5MPa，保持20分钟，使头盔得到预成型头盔。在预成型头盔的内外表面铺覆上玻璃纤维织物，玻璃纤维织物表面浸渍有热固性聚合物树脂，玻璃纤维织物通过热固性聚合物树脂粘附到预成型头盔的内外表面。
将铺覆玻璃纤维织物的头盔放入热压成型模具中，升温至120℃，升压至20MPa，恒温恒压保持30分钟。
然后取出迅速放入冷压成型模具中冷却定型，压力25MPa，保持10分钟。最后再用电子束辐照方法对整个盔进行辐照处理，辐照剂量为100Kgy，制得盔壳1。在盔壳1内表面固定上缓冲悬挂件2，获得完整头盔。经试验测试，同样的高速子弹3击中头盔的盔壳1后，头盔瞬间鼓包的高度在3cm。
实施例2
碳纤维无纬布与低分子量聚乙烯膜采用电晕辐照处理，电晕辐照的电压为10kV、距离为1.5cm，时间为45min。
然后，将28层高强SK78PE纤维无纬布和2层碳纤维无纬布根据所需头盔的形状和大小进行裁剪，连续的2层碳纤维无纬布放置在28层高强PE纤维无纬布的中间层，并在相邻无纬布之间放置低分子量聚乙烯膜交叉整齐叠合。
处理后放入热压预成型模具中，升温至110℃，压力15MPa，保温保压7分钟使高强PE纤维无纬布和碳纤维无纬布中的热塑性聚合物树脂软化。
取出后迅速放入冷压预成型模具中，压力8MPa，保持25分钟，使头盔得到预成型头盔。在预成型头盔的内外表面铺覆上玻璃纤维织物，玻璃纤维织物表面浸渍有热固性聚合物树脂，玻璃纤维织物通过热固性聚合物树脂粘附到预成型头盔的内外表面。
将铺覆玻璃纤维织物的头盔放入热压成型模具中，升温至122℃，升压至25MPa，恒温恒压保持40分钟。然后取出迅速放入冷压成型模具中冷却定型，压力27MPa，保持13分钟。最后再用电子束辐照方法对整个盔进行辐照处理，辐照剂量为150KGy，制得盔壳1。在盔壳1内表面固定上缓冲悬挂件2，获得完整头盔。经试验测试，同样的高速子弹3击中头盔的盔壳1后，头盔瞬间鼓包的高度2cm。
实施例3
碳纤维无纬布与低分子量聚乙烯膜采用电晕辐照处理，电晕辐照的电压为15kV、距离为3cm，时间为60min。
然后，将33层高强SK76PE纤维无纬布和1层碳纤维无纬布根据所需头盔的形状和大小进行裁剪，连续的1层碳纤维无纬布放置在33层高强PE纤维无纬布的中间层，并在相邻无纬布之间放置低分子量聚乙烯膜交叉整齐叠合。
处理后放入热压预成型模具中，升温至120℃，压力20MPa，保温保压10分钟使高强PE纤维无纬布和碳纤维无纬布中的热塑性聚合物树脂软化。
取出后迅速放入冷压预成型模具中，压力10MPa，保持30分钟，使头盔得到预成型头盔。在预成型头盔的内外表面铺覆上玻璃纤维织物，玻璃纤维织物表面浸渍有热固性聚合物树脂，玻璃纤维织物通过热固性聚合物树脂粘附到预成型头盔的内外表面。
将铺覆玻璃纤维织物的头盔放入热压成型模具中，升温至125℃，升压至30MPa，恒温恒压保持45分钟。然后取出迅速放入冷压成型模具中冷却定型，压力30MPa，保持15分钟。最后再用电子束辐照方法对整个盔进行辐照处理，辐照剂量为200KGy，制得盔壳1。在盔壳1内表面固定上缓冲悬挂件2，获得完整头盔。经试验测试，同样的高速子弹3击中头盔的盔壳1后，头盔瞬间鼓包的高度2.5cm。

Claims (7)

1.一种减轻非贯穿性损伤的非金属防弹头盔，其特征在于：包括盔壳(1)和布置在盔壳(1)内表面的缓冲悬挂件(2)，所述盔壳(1)主要由高强PE纤维无纬布、碳纤维无纬布和聚乙烯膜搭配制成。
2.根据权利要求1所述的一种减轻非贯穿性损伤的非金属防弹头盔，其特征在于：所述的高强PE纤维无纬布占盔壳(1)主要部分，碳纤维无纬布插叠入高强PE纤维无纬布占盔壳(1)的中间或者最外层，且相邻无纬布之间为聚乙烯膜。
3.根据权利要求1所述的一种减轻非贯穿性损伤的非金属防弹头盔，其特征在于：所述的碳纤维无纬布为1K-12K小集束高强型T系列碳纤维、高模型M系列碳纤维和高强高模型MJ系列碳纤维。
4.一种减轻非贯穿性损伤的非金属防弹头盔的制造方法，其特征在于：在盔壳(1)内表面固定缓冲悬挂件(2)制成，所述盔壳(1)采用以下步骤制备而成：
(1)将高强PE纤维无纬布和碳纤维无纬布根据所需头盔的形状和大小进行裁剪，剪裁后与聚乙烯膜交叉叠合；
(2)放入热压预成型模具中，升温至100～120℃，压力10～20MPa，保温保压5～10分钟使无纬布中的聚乙烯膜软化；
(3)取出放入冷压预成型模具中，压力5～10MPa，保持20～30分钟，得到预成型头盔；
(4)在预成型头盔的内外表面铺覆上浸渍有热固性聚合物树脂的玻璃纤维织物，玻璃纤维织物作为加固材料通过热固性聚合物树脂粘附到预成型头盔的内外表面；
(5)将铺覆上加固材料的头盔放入热压成型模具中，升温至120～125℃，升压至20～30MPa，恒温恒压保持30～45分钟；
(6)取出放入冷压成型模具中冷却定型，压力25～30MPa，保持10～15分钟，制得预制盔壳；
(7)制得预制盔壳后再用电子束辐照方法对整个预制盔壳进行辐照处理，辐照剂量为100-200KGy，使聚乙烯膜自交联与无纬布连接形成紧密复合物，获得盔壳。
5.根据权利要求4所述的一种减轻非贯穿性损伤的非金属防弹头盔的制造方法，其特征在于：所述步骤(1)中，28～33层高强PE纤维无纬布依次层叠，高强PE纤维无纬布中设置有连续的1-3层碳纤维无纬布，1-3层碳纤维无纬布布置在高强PE纤维无纬布的中间或者最外层，且任意相邻两层无纬布之间布置聚乙烯膜以进行交联固接，从而使得高强PE纤维无纬布、碳纤维无纬布和聚乙烯膜共同交叉叠合。
6.根据权利要求4或5所述的一种减轻非贯穿性损伤的非金属防弹头盔的制造方法，其特征在于：所述的碳纤维无纬布和聚乙烯膜在进行步骤(1)前均采用电晕辐照设备进行表面活化处理，电晕辐照的电压为6-15kV、距离为0.5-3cm，时间为30-60min这样能提高碳纤维无纬布与低分子量聚乙烯膜的粘结性能。
7.根据权利要求4所述的一种减轻非贯穿性损伤的非金属防弹头盔的制造方法，其特征在于：所述的碳纤维无纬布为1K-12K小集束高强型T系列碳纤维、高模型M系列碳纤维和高强高模型MJ系列碳纤维。
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