CN110145967B - 一种防弹头盔用镂空式内衬及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及防弹头盔技术领域，具体涉及一种防弹头盔用镂空式内衬及其应用。包括“十”字形骨架、刚性环和增强筋；所述“十”字形骨架由两条圆弧形的复合材料交叉形成，且两者在交叉点处固定；所述“十”字形骨架的四个端点分别固定在刚性环上的前额、后脑、左、右耳对应的位置，所述交叉点与头顶部位对应；所述增强筋设置在“十”字形骨架和刚性环的连接处，具体为：增强筋的一端插接在“十”字形骨架中，增强筋的另一端插接在刚性环中，从而形成了由“十”字形骨架、刚性环和增强筋组成的三角形结构。本发明在重点防护部位设计三角增强筋，与镂空结构的主体部件构成三角稳定结构，进一步强化头盔的防弹性能，提高了防弹头盔的抗变形能力。

Description

一种防弹头盔用镂空式内衬及其应用

技术领域

本发明涉及防弹头盔技术领域，具体的，涉及一种防弹头盔用镂空式内衬及其应用。

背景技术

本发明背景技术中，公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

复合材料材质的防弹头盔是目前单兵、单警个体头部防护所用的主要装备，在处理危险事件或者军事作战任务过程中，可有效保护士兵或警员个体的生命安全。目前随着复合材料中增强纤维特性的不断提高，对于复合材料材质头盔的综合性能也提出了更高的要求，其中除了有效的防护所要求的弹丸侵彻的基本性能之外，还需要具备较强的抵抗变形能力、较大的轻量化要求、较强的耐冲击变形能力以及稳定的使用寿命。而目前列装的复合材料头盔基本为 UHWMPE纤维复合材料材质或芳纶复合材料材质，这两种材质由于纤维自身的物理特性的瓶颈问题，致使头盔也存在抗蠕变特性差、寿命不稳定、耐高低温特性差以及耐紫外线性能弱等问题，在长期使用过程中，单一纤维材质复合材料头盔的这些问题需要通过多种材料混杂组合发挥多材质综合物化特性的方式来解决。

发明内容

本发明认为：为了尽可能克服上述的不足，并且降低头盔产品制备过程中的成型组合工艺复杂等的问题，需要选择一种内衬结构来配合目前的UHWMPE纤维复合材料材质或芳纶复合材料材质头盔，将其装配在头盔内部来实现上述问题的解决。为此，本发明提供一种防弹头盔用镂空式内衬及其应用。本发明在重点防护部位设计三角增强筋，与镂空结构的主体部件构成三角稳定结构，进一步强化头盔的防弹性能，提高了防弹头盔的抗变形能力。

为实现上述目的，本发明公开了下述技术方案：

首先，本发明公开一种防弹头盔用镂空式内衬，包括：“十”字形骨架、刚性环和增强筋，所述“十”字形骨架由两条圆弧形的复合材料交叉形成，且两者在交叉点处固定；所述“十”字形骨架的四个端点分别固定在刚性环上的前额、后脑、左、右耳对应的位置，所述交叉点与头顶部位对应，所述增强筋设置在“十”字形骨架和刚性环的连接处，具体为：增强筋的一端插接在“十”字形骨架中，增强筋的另一端插接在刚性环中，从而形成了由“十”字形骨架、刚性环和增强筋组成的三角形结构；所述交叉点处也设置有增强筋，具体为增强筋的两端分别插接在相邻的两部分圆弧形的复合材料中，从而形成了由两条圆弧形的复合材料和增强筋组成的三角形结构；所述“十”字形骨架、刚性环均由包括表面耐冲击层、中间多孔缓冲层和内部刚性结构层构成。

所述表面耐冲击层主要由热塑性树脂内部与增强填料复合构成，其中，所述热塑性树脂可选用聚酰胺、聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚苯硫醚树脂等其中的任意一种且不局限于上述种类，所述增强填料包括石墨、短切碳纤维、短切陶瓷纤维等中的任意一种。表面耐冲击层的主要作用是利用热塑性树脂与增强填料的特性提供第一道防护。

作为进一步的技术方案，所述增强填料的添加量为表面耐冲击层质量的 30-60％；所述表面耐冲击层的厚度根据内衬结构设计要求灵活掌握。石墨、短切碳纤维和短切陶瓷纤维具有良好的抗震性能和冲击力分散能力，能够在头盔受到弹丸冲击时起到良好的缓冲，抵消一部分收冲击能降低对头部的冲击力。热塑性树脂从分子结构上来说是线性结构，从微观形态来说具有相互交联形成的网状结构，这种结构既有助于增强填料的均匀分布，又有助于在受到冲击时起到通过充分的收缩、扩张对冲击力进行吸收、缓冲和分散。

所述中间多孔缓冲层包括泡沫铝、泡沫钛中的任意一种构成，可选地，所述中间多孔缓冲层采用开孔或者闭孔结构均可。中间多孔缓冲层的主要作用是利用其特性提供第二道防护。

优选地，所述孔隙率控制在60-90％范围内，中间多孔缓冲层的厚度根据内衬结构要求灵活设计。将孔隙率控制在上述范围内时，即可以保证中间多孔缓冲层具备一定的强度，又可以保证具有良好的吸能缓冲作用。泡沫铝、泡沫钛具有密度低(便于内衬部件的轻量化)、高比强度和良好的韧性(便于内衬部件在强度和吸能方面的兼顾)等特点，非常适合用做内衬部件的结构性材料。

所述的内部刚性结构层由增强纤维和混杂纤维编织后浸渍热固性树脂复合而成。

作为进一步的技术方案，所述增强纤维包括碳纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维中的任意一种。

作为进一步的技术方案，所述混杂纤维包括UHMWPE纤维、芳纶纤维、PBO 纤维等中的任意一种。

作为进一步的技术方案，所述热固性树脂包括但不限于：不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂、聚醚醚酮树脂等中的任意一种。

作为进一步的技术方案，所述热固性树脂的含量为内部刚性结构总质量的 40-60％，且所述内部刚性结构层中，以增强纤维为主体，以混杂纤维为辅助，混杂比例根据设计要求灵活确定；所述内部刚性结构层的厚度根据要求灵活设计。

作为进一步的技术方案，所述增强筋有碳纤维浸渍热固性树脂后固化复合而成。可选地，所述碳纤维包括T300、T700、T800、T1000中的任意一种；所述热固性树脂包括环氧树脂、酚醛树脂等。

作为进一步的技术方案，所述增强纤维和混杂纤维的编织结构可采用二维 (如平纹、斜纹或缎纹等)织物结构进行叠层组合形成，也可选用三维编织形成预制体织物结构。

作为进一步的技术方案，所述中间多孔缓冲层通过粘合剂直接与表面耐冲击层固定在一起。

作为进一步的技术方案，所述的内部刚性结构层通过粘合剂与中间多孔缓冲层固定在一起。

作为进一步的技术方案，所述内衬的宽度可控制在10-50mm范围内。

其次，本发明公开所述防弹头盔用镂空式内衬在头盔中的应用。

安装时，将所述的表面耐冲击层直接贴覆复合材料头盔的内表面，刚性环弹着点重点防护部位(前额、后脑、左耳、右耳)绕头围一周设置，将设计了增强筋3的部位分别与头盔上前额、后脑、左、右耳和头顶所在的位置对应，必要时，还可在适当位置通过机械螺栓连接方式对内衬和头盔进行固定。

与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：

(1)本发明利用表面耐冲击层中热塑性树脂与增强填料的特性提供第一道防护。

(2)本发明利用中间多孔缓冲层的特性提供第二道防护。泡沫铝、泡沫钛具有密度低、高比强度和良好的韧性，便于内衬部件的轻量化以及在强度和吸能方面的兼顾，非常适合用做内衬部件的结构性材料。

(3)本发明在重点防护部位设置了增强筋，不仅能够通过形成具有稳定特性的三角形结构提高头盔的防护性能，而且利用增强筋本身的结构、材料特点能够进一步弹丸对降低重点部位的冲击，加强对重点部位的保护。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1-3中“十”字形骨架、刚性环和增强筋3的结构示意图。

图2为本发明实施例1-3中防弹头盔用镂空式内衬的布置示意图。

附图中标记分别代表：1-“十”字形骨架、2-刚性环、3-增强筋、4-表面耐冲击层、5-中间多孔缓冲层、6-内部刚性结构层。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明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发明的示例性实施方式。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。

正如背景技术所述，目前随着复合材料中增强纤维特性的不断提高，对于复合材料材质头盔的综合性能也提出了更高的要求，其中除了有效的防护所要求的弹丸侵彻的基本性能之外，还需要具备较强的抵抗变形能力、较大的轻量化要求、较强的耐冲击变形能力以及稳定的使用寿命。因此，本发明提出了一种防弹头盔用镂空式内衬，现结合附图和具体实施方式对本发明进一步进行说明。

实施例1

一种防弹头盔用镂空式内衬，参考图1，包括：“十”字形骨架1、刚性环2和增强筋3，所述“十”字形骨架1由两条圆弧形的复合材料交叉形成，且两者在交叉点处固定；所述“十”字形骨架1的四个端点分别固定在刚性环 2上的前额、后脑、左、右耳对应的位置，所述交叉点与头顶部位对应，所述增强筋3设置在“十”字形骨架和刚性环2的连接处，具体为：增强筋3的一端插接在“十”字形骨架中，增强筋3的另一端插接在刚性环2中，从而形成了由“十”字形骨架、刚性环2和增强筋3组成的三角形结构；所述交叉点处也设置有增强筋3，具体为增强筋3的两端分别插接在相邻的两部分圆弧形的复合材料中，从而形成了由两条圆弧形的复合材料和增强筋3组成的三角形结构；所述“十”字形骨架1、刚性环2和增强筋3均由包括表面耐冲击层4、中间多孔缓冲层5和内部刚性结构层6构成(参考图2)。

所述表面耐冲击层4的厚度为10mm，采用聚酰胺树脂与T700短切碳纤维复合而成，所述碳纤维平均长度为15mm，且碳纤维的含量为表面耐冲击层4 质量的50％的。

所述中间多孔缓冲层5与表面耐冲击层之间用采用环氧树脂粘合固定，中间多孔缓冲层5为厚度10mm、孔隙率60％的泡沫铝。

所述内部刚性结构层6与中间多孔缓冲层5之间通过环氧树脂粘合固定，内部刚性结构层采用混杂比例(主体纤维：混杂纤维)为3:1的、厚度为10mm 的平纹织物叠层结构的预制体，其中T700碳纤维为主体纤维，UHMWPE纤维为混杂纤维，混杂增强织物结构浸渍固含量为60％的不饱和聚酯树脂热固化成型后，形成刚性结构层。

所述增强筋3由T300碳纤浸渍维环氧树脂后固化形成，且增强筋的厚度为30mm。

实施例2

一种防弹头盔用镂空式内衬，同实施例1，区别在于：所述表面耐冲击层 4的厚度为12mm，采用聚苯硫醚树脂与T800短切碳纤维复合而成，所述碳纤维平均长度为10mm，且碳纤维的含量为表面耐冲击层4质量的40％的。

所述中间多孔缓冲层5与表面耐冲击层之间用采用环氧树脂粘合固定，中间多孔缓冲层5为厚度12mm、孔隙率90％的泡沫铝。

所述内部刚性结构层6与中间多孔缓冲层5之间通过环氧树脂粘合固定，内部刚性结构层采用混杂比例(主体纤维：混杂纤维)为4:1的、厚度为12mm 的平纹织物叠层结构的预制体，其中玻璃纤维为主体纤维，PBO纤维为混杂纤维，混杂增强织物结构浸渍固含量为55％的聚醚醚酮树脂热固化成型后，形成刚性结构层。

所述增强筋3由T1000碳纤浸渍维环氧树脂后固化形成，且增强筋的厚度为36mm。

实施例3

一种防弹头盔用镂空式内衬，同实施例1，区别在于：所述表面耐冲击层 4的厚度为6mm，采用聚丙烯树脂与碳化硅纤维复合而成，所述碳纤维平均长度为10mm，且碳纤维的含量为表面耐冲击层4质量的50％的。

所述中间多孔缓冲层5与表面耐冲击层之间用采用环氧树脂粘合固定，中间多孔缓冲层5为厚度6mm、孔隙率85％的泡沫钛。

所述内部刚性结构层6与中间多孔缓冲层5之间通过环氧树脂粘合固定，内部刚性结构层采用混杂比例(主体纤维：混杂纤维)为5:1的、厚度为6mm 的平纹织物叠层结构的预制体，其中玄武岩纤维为主体纤维，芳纶纤维为混杂纤维，混杂增强织物结构浸渍固含量为54％的环氧树脂热固化成型后，形成刚性结构层。

所述增强筋3由T800碳纤浸渍维环氧树脂后固化形成，且增强筋的厚度为18mm。

实施例4

一种防弹头盔用镂空式内衬，同实施例1，区别在于：所述表面耐冲击层 4的厚度为9mm，采用聚碳酸酯树脂与石墨复合而成，所述碳纤维平均长度为 10mm，且碳纤维的含量为表面耐冲击层4质量的45％的。

所述中间多孔缓冲层5与表面耐冲击层之间用采用环氧树脂粘合固定，中间多孔缓冲层5为厚度6mm、孔隙率85％的泡沫钛。

所述内部刚性结构层6与中间多孔缓冲层5之间通过环氧树脂粘合固定，内部刚性结构层采用混杂比例(主体纤维：混杂纤维)为6:1的、厚度为9mm 的平纹织物叠层结构的预制体，其中玄武岩纤维为主体纤维，UHMWPE纤维为混杂纤维，混杂增强织物结构浸渍固含量为50％的聚氨酯树脂热固化成型后，形成刚性结构层。

所述增强筋3由T700碳纤浸渍维环氧树脂后固化形成，且增强筋的厚度为27mm。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (21)

1.一种防弹头盔用镂空式内衬，其特征在于，包括：“十”字形骨架、刚性环和增强筋；

所述“十”字形骨架由两条圆弧形的复合材料交叉形成，且两者在交叉点处固定；所述“十”字形骨架的四个端点分别固定在刚性环上的前额、后脑、左、右耳对应的位置，所述交叉点与头顶部位对应；

所述增强筋设置在“十”字形骨架和刚性环的连接处，具体为：增强筋的一端插接在“十”字形骨架中，增强筋的另一端插接在刚性环中，从而形成了由“十”字形骨架、刚性环和增强筋组成的三角形结构；

所述交叉点处也设置有增强筋，具体为增强筋的两端分别插接在相邻的两部分圆弧形的复合材料中，从而形成由两条圆弧形的复合材料和增强筋组成的三角形结构；

所述“十”字形骨架、刚性环和增强筋均由包括表面耐冲击层、中间多孔缓冲层和内部刚性结构层构成。

2.如权利要求1所述的防弹头盔用镂空式内衬，其特征在于，所述表面耐冲击层主要由热塑性树脂内部与增强填料复合构成，其中，所述热塑性树脂选用聚酰胺、聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚苯硫醚树脂其中的任意一种，所述增强填料包括石墨、短切碳纤维、短切陶瓷纤维中的任意一种。

3.如权利要求2所述的防弹头盔用镂空式内衬，其特征在于，所述增强填料的添加量为表面耐冲击层质量的30-60％。

4.如权利要求1所述的防弹头盔用镂空式内衬，其特征在于，所述中间多孔缓冲层包括泡沫铝、泡沫钛中的任意一种构成。

5.如权利要求4所述的防弹头盔用镂空式内衬，其特征在于，所述中间多孔缓冲层采用开孔或者闭孔结构。

6.如权利要求5所述的防弹头盔用镂空式内衬，其特征在于，孔隙率控制在60-90％范围内。

7.如权利要求1所述的防弹头盔用镂空式内衬，其特征在于，所述的内部刚性结构层由增强纤维和混杂纤维编织后浸渍热固性树脂复合而成。

8.如权利要求7所述的防弹头盔用镂空式内衬，其特征在于，所述增强纤维包括碳纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维中的任意一种。

9.如权利要求7所述的防弹头盔用镂空式内衬，其特征在于，所述混杂纤维包括UHMWPE纤维、芳纶纤维、PBO纤维中的任意一种。

10.如权利要求7所述的防弹头盔用镂空式内衬，其特征在于，所述热固性树脂包括：不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂、聚醚醚酮树脂中的任意一种。

11.如权利要求10所述的防弹头盔用镂空式内衬，其特征在于，所述热固性树脂的含量为内部刚性结构总质量的40-60％，且所述内部刚性结构层中，以增强纤维为主体，以混杂纤维为辅助。

12.如权利要求7所述的防弹头盔用镂空式内衬，其特征在于，所述增强纤维和混杂纤维的编织结构采用二维织物结构进行叠层组合形成。

13.如权利要求12所述的防弹头盔用镂空式内衬，其特征在于，所述二维织物结构包括平纹、斜纹或缎纹中的任意一种。

14.如权利要求7所述的防弹头盔用镂空式内衬，其特征在于，所述增强纤维和混杂纤维的编织结构采用三维编织形成预制体织物结构。

15.如权利要求4所述的防弹头盔用镂空式内衬，其特征在于，所述中间多孔缓冲层通过粘合剂直接与表面耐冲击层固定在一起。

16.如权利要求4所述的防弹头盔用镂空式内衬，其特征在于，所述的内部刚性结构层通过粘合剂与中间多孔缓冲层固定在一起。

17.如权利要求1所述的防弹头盔用镂空式内衬，其特征在于，所述内衬的宽度控制在10-50mm范围内。

18.如权利要求1-17任一项所述的防弹头盔用镂空式内衬，其特征在于，所述增强筋由碳纤维浸渍热固性树脂后固化复合而成。

19.如权利要求8所述的防弹头盔用镂空式内衬，其特征在于，所述碳纤维包括T300、T700、T800、T1000中的任意一种。

20.如权利要求7所述的防弹头盔用镂空式内衬，其特征在于，所述热固性树脂包括环氧树脂、酚醛树脂中的任意一种。

21.如权利要求1-20任一项所述的防弹头盔用镂空式内衬在头盔中的应用。

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