CN108955385A - 一种局部强化的复合材料防弹头盔 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种局部强化的复合材料防弹头盔，属于复合材料防弹头盔技术领域。所述头盔由外向内依次包括：外层防弹层、中间缓冲层、内部刚性强化层，外层防弹层、中间缓冲层、内部刚性强化层的界面层之间粘接成型；所述外层防弹层主要由纤维浸渍树脂形成的预浸织物叠层热压形成，所述中间缓冲层由蜂窝中空结构的纤维或泡沫结构材料和树脂材料复合形成，所述内部刚性强化层由高模量碳纤维增强热固性树脂的复合材料构成，其中，前额和后脑部位的内部刚性强化层厚度大于其他部位。本发明利用复合材料的特性，通过在防弹头盔内局部设置强化层，保证重点部位的背凸变形高度，很好地解决了弹丸侵彻过程中背凸高度侧壁不稳定的问题。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料防弹头盔技术领域，尤其涉及一种经过局部强化的能够提高弹丸对头盔局部冲击的背凸变形的复合材料防弹头盔。
背景技术
随着高性能纤维的出现和发展，各种高性能特种纤维以其较高的强度、韧性成为复合材料材质头盔的主要增强材料，并且这种复合材料材质的头盔已经逐渐取代钢质头盔成为轻量化头盔的主要产品，纤维增强复合材料防弹头盔主要由UHMWPE纤维、芳纶纤维、PBO纤维等高性能纤维增强特种树脂制成，具有较好的防弹性能。
目前传统单一材质的复合材料防弹头盔虽然比金属头盔有诸多优点，但是由于纤维材质特性的问题，也存在譬如刚性差、耐紫外线性能不稳定、耐高温特性差等问题，而且存在一定的寿命短的问题。如中国专利申请201810102774.3公开了一种层间强化复合材料防弹头盔的制备方法，属于防弹头盔的制备领域。所述层间强化复合材料防弹头盔的制备方法包括二维混杂纤维预浸料的预处理及柱孔定位、复合材料预浸料压制成型、柱塞复合强化、整体刚性外层制备四个步骤。另外，中国专利201410472277.4一种多功能复合材料防弹头盔及其制造方法，该防弹头盔由高性能碳纤维、芳纶纤维与超高分子量聚乙烯纤维中的两种或两种以上制成混杂织物，而后与含特种填料的热固性/热塑性复合树脂胶黏剂制成预浸料，经多材质组合铺层技术模压制成，模压过程在预浸料层间嵌入电子信息部件，该技术成型后的防弹头盔包括刚性加固层、防弹层、防背凸层、缓冲层及嵌入式电子信息模块等多重结构。然而，纤维增强复合材料材质的头盔主要是纤维与树脂浸渍之后形成的预浸料经过剪裁、铺层和热压工艺成型形成，尤其在压制过程中目前均使用整体性模具成型，在头盔侧壁的压制过程中会出现与头盔顶部压力不均衡的必然情况，而这也是头盔成型过程中不可避免的问题，会带来弹丸侵彻过程中背凸高度侧壁不稳定的问题。
可以看出，现有技术制备的复合材料防弹头盔仍然存在背凸高度侧壁性能不稳定的问题，为此，需要研究一种新的复合材料防弹头盔。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明旨在提供一种局部强化的复合材料防弹头盔。所述头盔包括外层防弹层、中间缓冲层以及内部刚性强化层三层结构，本发明利用复合材料的特性，通过在防弹头盔内局部设置强化层以提供刚性支撑，保证重点部位的背凸变形高度，很好地解决了弹丸侵彻过程中背凸高度侧壁不稳定的问题。
为实现上述发明目的，具体的，本发明公开了下述技术方案：
本发明公开了一种局部强化的复合材料防弹头盔，由外向内依次包括：外层防弹层、中间缓冲层、内部刚性强化层，外层防弹层、中间缓冲层、内部刚性强化层的界面层之间粘接成型；所述外层防弹层主要由纤维浸渍树脂形成的预浸织物叠层热压形成，所述中间缓冲层由蜂窝中空结构的纤维或泡沫结构材料增强树脂材料复合形成，所述内部刚性强化层由高模量碳纤维增强热固性树脂的复合材料构成，其中，所述防弹头盔的前额和后脑部位的内部刚性强化层厚度大于其他部位。
所述外层防弹层、中间缓冲层、内部刚性强化层之间的层间界面采用粘合剂粘接，优选的，所述粘合剂包括丙烯酸树脂、环氧树脂、酚醛树脂等中的任意一种。
所述粘合剂采用50℃以下的温度进行粘合，粘合时间控制在0.5-1h，粘合压力为-0.06到-0.1MPa范围。
所述外层防弹层中，纤维包括UHMWPE纤维、芳纶纤维、PBO纤维、玻璃纤维中的任意一种；优选的，所述纤维的编织方式包括单向排布、平纹排布、斜纹排布或缎纹排布的任意一种。
所述外层防弹层中，树脂包括聚乙烯、丙烯酸-乙烯基共聚物、聚丙烯、聚氨酯、聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚酰胺等任意一种。
优选的，所述外层防弹层中，树脂含量控制在20-40％之间。
优选的，所述外层防弹层的厚度控制在2-7mm之间。
所述中间缓冲层中，蜂窝中空结构的纤维包括六角型的芳纶纤维、碳纤维、玻璃纤维中的任意一种；优选的，所述碳纤维包括T300、T700、T800。
所述中间缓冲层中，泡沫结构材料包括EVA、聚氨酯泡沫结构材料。
所述中间缓冲层中，树脂材料包括酚醛树脂、环氧树脂中的一种。
优选的，所述中间缓冲层的厚度控制在0.2-1mm范围内。
所述内部刚性强化层采用不等厚度的形式，即前额和后脑部位的厚度大于其他部位，优选的，前额和后脑部位的厚度范围在2-10mm范围内，其他部位的厚度在1-4mm之间；以便于为重点部位提供刚性支撑，保证重点部位的背凸变形高度。
所述内部刚性强化层中，高模量碳纤维包括M40、M40J、M50J、M55、M55J、M60、M60J中的任意一种；优选的，所述高模量碳纤维可采用二维叠层结构或三维编织结构。
所述内部刚性强化层中，热固性树脂包括不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂等其中的任意一种或多种组合类型；优选的，树脂含量控制在40-60％之间。
本发明的外层防弹层的主要作用是为头盔提供防弹防护功能，可有效防止手枪弹丸的侵彻；中间缓冲层的主要作用是在外层防弹层和内部局部强化层之间提供缓冲空间，保证外层防弹层的背凸变形对内部刚性强化层的整体破坏；内部刚性强化层的主要作用是为前额和后脑部位提供刚性支撑，保证重点部位的背凸变形高度。
需要说明的是：本发明的内部刚性强化层由高模量碳纤维浸渍热固性树脂复合成型而成，热固性树脂的特点是加热后产生化学变化，逐渐硬化成型，由于此反应是不可逆的，一经固化，再加压加热也不可能再度软化或流动，也不能溶解，而且由于热固性树脂分子间与高模量碳纤维交联后形成网状结构，因此刚性大、耐温高、硬度高、受压不易变形，这些特点使高模量碳纤维浸渍热固性树脂形成的复合材料非常适用于做前额和后脑等这些重点部位的刚性防护层，因为头盔受到弹头冲击时，一方面，弹头的大部分动能会转换成热能并集中在弹头和防护层的接触位置，这就需要内部刚性强化层在受热时不能软化溶解，否则，内部刚性强化层就失去了防护功能；另一方面，弹头对头盔造成的破坏不仅与热固性树脂抗剪切强度有关，而且与纤维抗拉伸强度有关，而由高模量碳纤维浸渍热固性树脂复合形成的材料的面内抗剪切强度远高于高模量材料和树脂材料本身，这使由高模量碳纤维浸渍热固性树脂复合形成的材料非常适合埋在承受大冲击力的头盔内做加强片，对头盔重点部位进行补强防护，能够很好地解决弹丸侵彻过程中背凸高度侧壁不稳定的问题。
与现有技术相比，本发明取得的有益效果是：
(1)本发明利用复合材料的特性，通过在防弹头盔内局部设置强化层以提供刚性支撑，保证重点部位的背凸变形高度，很好地解决了弹丸侵彻过程中背凸高度侧壁不稳定的问题。
(2)本发明的头盔包括外层防弹层、中间缓冲层依旧内部刚性强化层三层结构，外层防弹层可以为头盔提供防弹防护功能，有效防止手枪弹丸的侵彻；中间缓冲层可以在外层防弹层和内部局部强化层之间提供缓冲空间，保证外层防弹层的背凸变形对内部刚性强化层的整体破坏；而内部刚性强化层可以有效为前额和后脑部位提供刚性支撑，保证重点部位的背凸变形高度，很好地保护了重点部位受到伤害。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明局部强化的复合材料防弹头盔的结构示意图。
图1中附图标记分别代表：1-外层防弹层、2-中间缓冲层、3-内部刚性强化层，4-前额和后脑部位加厚的内部刚性强化层(和内部刚性强化层3相同，但厚度更大)。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，在复合材料防弹头盔压制过程中，目前均使用整体性模具成型，在头盔侧壁的压制过程中会出现与头盔顶部压力不均衡的必然情况，而这也是头盔成型过程中不可避免的问题，会带来弹丸侵彻过程中背凸高度侧壁不稳定的问题。因此，本发明提出一种局部强化的复合材料防弹头盔，下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步的说明。
实施例1
如图1所示，一种局部强化的复合材料防弹头盔，由外向内依次包括：外层防弹层1、中间缓冲层2、内部刚性强化层3、前额和后脑部位加厚的内部刚性强化层4，所述外层防弹层1、中间缓冲层2、内部刚性强化层3、前额和后脑部位加厚的内部刚性强化层4的界面层之间采用丙烯酸树脂粘接成型，粘接温度在50℃以下，粘接时间为1小时，粘合压力为-0.08MPa；所述内部刚性强化层采用不等厚度的形式，即防弹头盔前额和后脑部位的厚度大于其他部位。
所述外层防弹层1为UHMWPE纤维单向排布增强水性聚氨酯树脂浸渍预浸的织物，织物中树脂含量为30％，将该织物叠层61层后热压成型厚度为7mm的复合材料外层防弹层1。
所述中间缓冲层2采用厚度为1mm的六角形T300碳纤维增强环氧树脂复合材料制成，其内部为蜂窝状结构。
所述内部刚性强化层3由三维四向立体编织的M40J碳纤维织物浸渍含胶量为40％的不饱和聚酯树脂固化制备而成，其中该内部刚性强化层3的厚度为2mm，前额和后脑部位加厚的内部刚性强化层4的厚度为5mm。
实施例2
如图1所示，一种局部强化的复合材料防弹头盔，由外向内依次包括：外层防弹层1、中间缓冲层2、内部刚性强化层3、前额和后脑部位加厚的内部刚性强化层4，所述外层防弹层1、中间缓冲层2、内部刚性强化层3、前额和后脑部位加厚的内部刚性强化层4的界面层之间采用酚醛树脂粘接成型，粘接温度在50℃以下，粘接时间为0.5小时，粘合压力为-0.09MPa；所述内部刚性强化层采用不等厚度的形式，即防弹头盔前额和后脑部位的厚度大于其他部位。
所述外层防弹层1为芳纶纤维单向排布增强丙烯酸-乙烯基共聚物树脂浸渍预浸的织物，织物中树脂含量为35％，将该织物叠层50层后热压成型厚度为6.5mm的复合材料外层防弹层1。
所述中间缓冲层2采用厚度为0.5mm的六角形T700碳纤维增强酚醛树脂复合材料制成，其内部为蜂窝结构。
所述内部刚性强化层3采用三维六向立体编织的M50J碳纤维织物浸渍含胶量为45％的环氧树脂固化制备而成，其中该内部刚性强化层3的厚度为1mm，前额和后脑部位加厚的内部刚性强化层4的厚度为8mm。
实施例3
如图1所示，一种局部强化的复合材料防弹头盔，由外向内依次包括：外层防弹层1、中间缓冲层2、内部刚性强化层3、前额和后脑部位加厚的内部刚性强化层4，所述外层防弹层1、中间缓冲层2、内部刚性强化层3、前额和后脑部位加厚的内部刚性强化层4的界面层之间采用丙烯酸树脂粘接成型，粘接温度在50℃以下，粘接时间为1小时，粘合压力为-0.1MPa；所述内部刚性强化层采用不等厚度的形式，即防弹头盔前额和后脑部位的厚度大于其他部位。
所述外层防弹层1为PBO纤维平纹排布增强聚乙烯树脂乳液浸渍预浸的织物，织物树脂含量为25％，将该织物叠层61层后热压成型厚度为7mm的复合材料外层防弹层1。
所述中间缓冲层2采用厚度为0.6mm的六角形T800碳纤维增强环氧树脂复合材料制成，其内部为蜂窝结构。
所述内部刚性强化层3采用三维七向立体编织的M60J碳纤维织物浸渍含胶量为45％的环氧树脂固化制备而成，其中该内部刚性强化层3的厚度为2mm，前额和后脑部位加厚的内部刚性强化层4的厚度为7mm。
实施例4
如图1所示，一种局部强化的复合材料防弹头盔，由外向内依次包括：外层防弹层1、中间缓冲层2、内部刚性强化层3、前额和后脑部位加厚的内部刚性强化层4，所述外层防弹层1、中间缓冲层2、内部刚性强化层3、前额和后脑部位加厚的内部刚性强化层4的界面层之间采用丙烯酸树脂粘接成型，粘接温度在50℃以下，粘接时间为1小时，粘合压力为-0.06MPa；所述内部刚性强化层采用不等厚度的形式，即防弹头盔前额和后脑部位的厚度大于其他部位。
所述外层防弹层1为UHMWPE纤维单向排布增强聚丙烯树脂浸渍预浸的织物，织物树脂含量为33％，将该织物叠层45层后热压成型厚度为5mm的复合材料外层防弹层1。
所述中间缓冲层2采用厚度为0.6mm的六角形T700碳纤维增强酚醛树脂复合材料制成，其内部为蜂窝结构。
所述内部刚性强化层3采用平纹叠层的M55J碳纤维织物浸渍含胶量为60％的酚醛树脂固化制备而成，其中该内部刚性强化层3的厚度为2mm，前额和后脑部位加厚的内部刚性强化层4的厚度为10mm。
实施例5
如图1所示，一种局部强化的复合材料防弹头盔，由外向内依次包括：外层防弹层1、中间缓冲层2、内部刚性强化层3、前额和后脑部位加厚的内部刚性强化层4，所述外层防弹层1、中间缓冲层2、内部刚性强化层3、前额和后脑部位加厚的内部刚性强化层4的界面层之间采用丙烯酸树脂粘接成型，粘接温度在50℃以下，粘接时间为0.5小时，粘合压力为-0.1MPa；所述内部刚性强化层3采用环状结构，其围绕防弹头盔内一圈经过前额和后脑部位。所述内部刚性强化层采用不等厚度的形式，即防弹头盔前额和后脑部位的厚度大于其他部位。
所述外层防弹层1为玻璃纤维斜纹排布增强聚苯硫醚树脂浸渍预浸的织物，织物树脂含量为40％，将该织物叠层25层后热压成型厚度为2mm的复合材料外层防弹层1。
所述中间缓冲层2采用厚度为0.2mm的六角形芳纶纤维增强酚醛树脂复合材料制成，其内部为蜂窝结构。
所述内部刚性强化层3采用平纹叠层的M40碳纤维织物浸渍含胶量为50％的环氧树脂固化制备而成，其中该内部刚性强化层3的厚度为1mm，前额和后脑部位加厚的内部刚性强化层4的厚度为2mm。
实施例6
如图1所示，一种局部强化的复合材料防弹头盔，由外向内依次包括：外层防弹层1、中间缓冲层2、内部刚性强化层3、前额和后脑部位加厚的内部刚性强化层4，所述外层防弹层1、中间缓冲层2、内部刚性强化层3、前额和后脑部位加厚的内部刚性强化层4的界面层之间采用酚醛树脂粘接成型，粘接温度在50℃以下，粘接时间为40min，粘合压力为-0.08MPa；所述内部刚性强化层3采用环状结构，其围绕防弹头盔内一圈经过前额和后脑部位。所述内部刚性强化层采用不等厚度的形式，即防弹头盔前额和后脑部位的厚度大于其他部位。
所述外层防弹层1为芳纶纤维缎纹排布增强聚醚醚酮树脂浸渍预浸的织物，织物中树脂含量为20％，将该织物叠层40层后热压成型厚度为5mm的复合材料外层防弹层1。
所述中间缓冲层2采用厚度为0.4mm的六角形玻璃纤维增强酚醛树脂复合材料制成，其内部为蜂窝结构。
所述内部刚性强化层3采用三维六向立体编织的M55碳纤维织物浸渍含胶量为55％的环氧树脂固化制备而成，其中该内部刚性强化层3的厚度为3mm，前额和后脑部位加厚的内部刚性强化层4的厚度为5mm。
实施例7
如图1所示，一种局部强化的复合材料防弹头盔，由外向内依次包括：外层防弹层1、中间缓冲层2、内部刚性强化层3、前额和后脑部位加厚的内部刚性强化层4，所述外层防弹层1、中间缓冲层2、内部刚性强化层3、前额和后脑部位加厚的内部刚性强化层4的界面层之间采用丙烯酸树脂粘接成型，粘接温度在50℃以下，粘接时间为50min，粘合压力为-0.07MPa；所述内部刚性强化层3采用环状结构，其围绕防弹头盔内一圈经过前额和后脑部位。所述内部刚性强化层采用不等厚度的形式，即防弹头盔前额和后脑部位的厚度大于其他部位。
所述外层防弹层1为UHMWPE纤维单向排布增强水性聚氨酯树脂浸渍预浸的织物，织物中树脂含量为30％，将该织物叠层50层后热压成型厚度为5mm的复合材料外层防弹层1。
所述中间缓冲层2采用厚度为1mm的EVA增强环氧树脂复合材料制成，其内部为蜂窝状结构。
所述内部刚性强化层3由三维四向立体编织的M60碳纤维织物浸渍含胶量为40％的不饱和聚酯树脂固化制备而成，其中该内部刚性强化层3的厚度为2mm，前额和后脑部位加厚的内部刚性强化层4的厚度为7mm。
实施例8
如图1所示，一种局部强化的复合材料防弹头盔，由外向内依次包括：外层防弹层1、中间缓冲层2、内部刚性强化层3、前额和后脑部位加厚的内部刚性强化层4，所述外层防弹层1、中间缓冲层2、内部刚性强化层3、前额和后脑部位加厚的内部刚性强化层4的界面层之间采用丙烯酸树脂粘接成型，粘接温度在50℃以下，粘接时间为1小时，粘合压力为-0.06MPa。所述内部刚性强化层采用不等厚度的形式，即防弹头盔前额和后脑部位的厚度大于其他部位。
所述外层防弹层1为玻璃纤维平纹排布增强聚酰胺树脂浸渍预浸的织物，织物树脂含量为35％，将该织物叠层40层后热压成型厚度为4.5mm的复合材料外层防弹层1。
所述中间缓冲层2采用厚度为0.6mm的聚氨酯泡沫增强酚醛树脂复合材料制成，其内部为蜂窝结构。
所述内部刚性强化层3采用平纹叠层的M55J碳纤维织物浸渍含胶量为60％的酚醛树脂固化制备而成，其中该内部刚性强化层3的厚度为4mm，前额和后脑部位加厚的内部刚性强化层4的厚度为6mm。
以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种局部强化的复合材料防弹头盔，其特征在于：由外向内依次包括：外层防弹层、中间缓冲层、内部刚性强化层，外层防弹层、中间缓冲层、内部刚性强化层的界面层之间粘接成型；所述外层防弹层主要由纤维浸渍树脂形成的预浸织物叠层热压形成，所述中间缓冲层由蜂窝中空结构的纤维或泡沫结构材料增强树脂材料复合形成，所述内部刚性强化层由高模量碳纤维增强热固性树脂的复合材料构成，其中，所述防弹头盔前额和后脑部位的内部刚性强化层厚度大于其他部位。
2.如权利要求1所述的局部强化的复合材料防弹头盔，其特征在于：所述外层防弹层中，纤维包括UHMWPE纤维、芳纶纤维、PBO纤维、玻璃纤维中的任意一种；优选的，所述纤维的编织方式包括单向排布、平纹排布、斜纹排布或缎纹排布中的任意一种。
3.如权利要求1所述的局部强化的复合材料防弹头盔，其特征在于：所述外层防弹层中，树脂包括聚乙烯、丙烯酸-乙烯基共聚物、聚丙烯、聚氨酯、聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚酰胺中的任意一种。
4.如权利要求1所述的局部强化的复合材料防弹头盔，其特征在于：所述外层防弹层中，树脂含量控制在20-40％之间；优选的，所述外层防弹层的厚度控制在2-7mm之间。
5.如权利要求1所述的局部强化的复合材料防弹头盔，其特征在于：所述中间缓冲层中，蜂窝中空结构的纤维包括六角型的芳纶纤维、碳纤维、玻璃纤维中的任意一种；优选的，所述碳纤维包括T300、T700、T800。
6.如权利要求1所述的局部强化的复合材料防弹头盔，其特征在于：所述中间缓冲层中，泡沫结构材料包括EVA、聚氨酯泡沫结构材料；或，树脂材料包括酚醛树脂、环氧树脂中的一种；或，所述中间缓冲层的厚度控制在0.2-1mm范围内。
7.如权利要求1所述的局部强化的复合材料防弹头盔，其特征在于：所述内部刚性强化层采用不等厚度的形式，即前额和后脑部位的厚度大于其他部位，优选的，前额和后脑部位的厚度范围在2-10mm范围内，其他部位的厚度在1-4mm之间。
8.如权利要求1所述的局部强化的复合材料防弹头盔，其特征在于：所述内部刚性强化层中，高模量碳纤维包括M40、M40J、M50J、M55、M55J、M60、M60J中的任意一种；优选的，所述高模量碳纤维采用二维叠层结构或三维编织结构。
9.如权利要求1所述的局部强化的复合材料防弹头盔，其特征在于：所述内部刚性强化层中，热固性树脂包括不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂等其中的任意一种或多种组合类型；优选的，树脂含量控制在40-60％之间。
10.如权利要求1-9任一项所述的局部强化的复合材料防弹头盔，其特征在于：所述外层防弹层、中间缓冲层、内部刚性强化层之间的层间界面采用粘合剂粘接，优选的，所述粘合剂包括丙烯酸树脂、环氧树脂、酚醛树脂中的任意一种；优选的，所述粘合剂采用50℃以下的温度进行粘合，粘合时间控制在0.5-1h，粘合压力为-0.06到-0.1MPa范围。
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