CN114001591A - 一种多层防弹头盔结构及其成型方法 - Google Patents

一种多层防弹头盔结构及其成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多层防弹头盔结构及其成型方法，包括表面涂层、刚性防弹层、柔性防弹层、支撑层；其中，刚性防弹层和柔性防弹层均为超高分子量聚乙烯制成，两者按照一定比例或规律层间相互交错分布，通过压制形成防弹头盔主体；支撑层由碳纤维制成，通过胶黏剂粘接在防弹头盔主内表面；表面涂层为聚脲弹性体材料，喷涂在防弹头盔主体内外表面，形成本发明多层结构。本发明与传统的单一材料的非金属防弹头盔相比，具有良好的防弹性能和刚性，很好的解决了超高分子量聚乙烯等非金属复合材料弹击后的残余变形问题。

Description

一种多层防弹头盔结构及其成型方法
技术领域
本发明属于非金属防弹、非金属防爆、非金属防护装备技术领域，涉及一种多层防弹头盔结构及其成型方法。
背景技术
头盔是为人体头部提供保护的一种护具。按照头盔的用途大致可将其分为防弹头盔、防爆头盔、防护头盔三类，按照材料属性可将头盔分为金属头盔和非金属头盔，金属头盔多采用冲压成型，非金属头盔多采用注塑、压制(层压)、热压罐、手糊等工艺成型。传统的非金属防弹头盔多采用单一材料压制而成，如芳纶、超高分子量聚乙烯等，其中芳纶应用最为普遍，超高分子量聚乙烯则由于非极性材料本身的不稳定性，使得其防弹头盔在高温、刚性、残余变形等方面受限较大，但是超高分子量聚乙烯自身的低密度及高强度等方面的优势却明显优于芳纶，特别是对钢芯弹的防护，因此解决好超高分子量聚乙烯在残余变形及刚性方面的问题，会使得超高分子量聚乙烯在防弹头盔的应用方面迈向新的台阶。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是：打破传统非金属防弹头盔由单一材料构成的理念，采用同一种材料不同的预浸料制备及多种非金属材料通过不同工艺结合而成的多层防弹头盔结构，利用预浸料制备工艺、叠层工艺、压制工艺、热压罐复合工艺、喷涂工艺等多种工艺融合，将胶黏剂优异的粘接性能、超高分子量聚乙烯优异的防弹性能、碳纤维优异的刚性、聚脲涂料优异的韧性和弹性充分的结合起来，实现重量轻、性能优的防弹头盔。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种多层防弹头盔结构包括支撑层2、内表面涂层1、外表面涂层3、刚性防弹层4、柔性防弹层5，刚性防弹层4和柔性防弹层5按照设定规律层间相互交错分布，通过压制形成防弹头盔主体；支撑层2通过胶黏剂粘接在防弹头盔主体内表面；内表面涂层1喷涂在支撑层2内表面，外表面涂层3喷涂在防弹头盔主体外表面。
其中，刚性防弹层4是用热固性改性酚醛树脂制备的超高分子量聚乙烯平纹机织布预浸料，裁成设计好的样板；柔性防弹层5是用热塑性聚氨酯树脂制备的超高分子量聚乙烯UD布，裁成设计好的样板，两者按照设定规律层间相互交错分布，通过模压工艺，将其制成防弹头盔主体。
内表面涂层1、外表面涂层3所用的材料为聚脲弹性体，喷涂厚度在1mm～1.5mm。
支撑层2由碳纤维制成，采用碳纤维平纹布预浸料裁成设计好的样板，然后通过模压工艺，将其压制成约2mm厚；防弹头盔主体通过胶黏剂，用热压罐成型工艺，与支撑层2粘接在一起。
上述多层防弹头盔结构的成型方法过程如下：
步骤一：制备刚性防弹层
先用超高分子量聚乙烯纤维编织成平纹机织布，然后通过制膜法将热固性改性酚醛树脂制成胶膜，再通过中温压制转移，将胶膜复在高分子量聚乙烯平纹机织布表面，制备成超高分子量聚乙烯平纹机织布预浸料，裁成刚性防弹层的样板。
步骤二：制备柔性防弹层
用热塑性聚氨酯树脂将超高分子量聚乙烯纤维制成UD布，裁成柔性防弹层的样板。
步骤三：制备防弹层主体层
将超高分子量聚乙烯平纹机织布预浸料和超高分子量聚乙烯纤维制成UD布裁剪成的样板按照每个单循环由6张风叶轮构成，刚性防弹层为2张风叶轮，柔性防弹层为4张风叶轮，每张风叶轮旋转10°的规律叠成若干个单循环由构成防弹层主体层；
步骤四：制备防弹头盔主体
然后将多个循环组合好的叠层放入模具之中，然后升温至70℃，排气3次；再升温至90℃，排气三次；当温度升至125℃，将压力升至20MPa，保压20min；降温至50℃，起模，制成防弹头盔主体；
步骤五：制备支撑层
之后将碳纤维平纹机织布预浸料叠层放入模具内，温度升至125℃，将压力升至15MPa，保压20min，制成2mm厚的碳纤维支撑层；再次在刚性防弹层和柔性防弹层构成的防弹层主体内表面铺上胶膜，然后将支撑层放入防弹层主体内表面，放入制备好的真空袋内，接好热压罐管路，抽真空，之后放入热压罐内，以每分钟2℃的速率升温，当温度升至110℃时，保压15min，然后降温至50℃时，打开热压罐，取出坯体；
步骤六：喷涂内、外表面涂层
最后将头盔坯体的边沿去除毛刺，修平正，粘上橡胶防护圈，用高压喷枪在坯体表面喷涂1mm～1.5mm厚的聚脲涂层，完成多层防弹头盔。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的多层防弹头盔结构及其成型方法，将胶黏剂优异的粘接性能、超高分子量聚乙烯优异的防弹性能、碳纤维优异的刚性、聚脲涂料优异的韧性和弹性充分的结合利用起来，通过预浸料制备工艺、叠层工艺、压制工艺、热压罐复合工艺、喷涂工艺等多种工艺融合，制备成了多层防弹头盔，充分体现了复合材料的工艺设计性，所发明的结构制品具有重量轻、性能优等优点。
附图说明
图1为本发明的多层防弹头盔结构示意图；
图2为图1中的局部放大图
图3为本发明的叠层样板示意图。
图中，1-内表面涂层，2-支撑层，3-外表面涂层，4-刚性防弹层，5-柔性防弹层。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
参照图1和图2所示，本实施例多层防弹头盔结构包括支撑层2、内表面涂层1、外表面涂层3、刚性防弹层4、柔性防弹层5，刚性防弹层4和柔性防弹层5按照设定规律层间相互交错分布，通过压制形成防弹头盔主体；支撑层2通过胶黏剂粘接在防弹头盔主体内表面；内表面涂层1喷涂在支撑层2内表面，外表面涂层3喷涂在防弹头盔主体外表面。
其中，刚性防弹层4是用热固性改性酚醛树脂制备的超高分子量聚乙烯平纹机织布预浸料，裁成设计好的样板；柔性防弹层5是用热塑性聚氨酯树脂制备的超高分子量聚乙烯UD布，裁成设计好的样板，两者按照设定规律层间相互交错分布，通过模压工艺，将其制成防弹头盔主体。
内表面涂层1、外表面涂层3所用的材料为聚脲弹性体，喷涂厚度在1mm～1.5mm。
支撑层2由碳纤维制成，采用碳纤维平纹布预浸料裁成设计好的样板，然后通过模压工艺，将其压制成约2mm厚；防弹头盔主体通过胶黏剂，用热压罐成型工艺，与支撑层2粘接在一起。
上述多层防弹头盔结构的成型方法过程如下：
步骤一：制备刚性防弹层
先用超高分子量聚乙烯纤维编织成平纹机织布，然后通过制膜法将热固性改性酚醛树脂制成胶膜，再通过中温压制转移，将胶膜复在高分子量聚乙烯平纹机织布表面，制备成超高分子量聚乙烯平纹机织布预浸料，裁成刚性防弹层的样板。
步骤二：制备柔性防弹层
用热塑性聚氨酯树脂将超高分子量聚乙烯纤维制成UD布，裁成柔性防弹层的样板。
步骤三：制备防弹层主体层
将超高分子量聚乙烯平纹机织布预浸料和超高分子量聚乙烯纤维制成UD布裁剪成的样板按照每个单循环由6张风叶轮构成，刚性防弹层为2张风叶轮，柔性防弹层为4张风叶轮，每张风叶轮旋转10°的规律叠成若干个单循环由构成防弹层主体层；
步骤四：制备防弹头盔主体
如图3所示，然后将多个循环组合好的叠层放入模具之中，然后升温至70℃，排气3次；再升温至90℃，排气三次；当温度升至125℃，将压力升至20MPa，保压20min；降温至50℃，起模，制成防弹头盔主体；
步骤五：制备支撑层
之后将碳纤维平纹机织布预浸料叠层放入模具内，温度升至125℃，将压力升至15MPa，保压20min，制成2mm厚的碳纤维支撑层；再次在刚性防弹层和柔性防弹层构成的防弹层主体内表面铺上胶膜，然后将支撑层放入防弹层主体内表面，放入制备好的真空袋内，接好热压罐管路，抽真空，之后放入热压罐内，以每分钟2℃的速率升温，当温度升至110℃时，保压15min，然后降温至50℃时，打开热压罐，取出坯体；
步骤六：喷涂内、外表面涂层
最后将头盔坯体的边沿去除毛刺，修平正，粘上橡胶防护圈，用高压喷枪在坯体表面喷涂1mm～1.5mm厚的聚脲涂层，完成多层防弹头盔。
此次本申请人利用了超高分子量聚乙烯优异的重量优势和防弹性能优势，通过不同胶黏剂的配合使用，提高的超高分子量聚乙烯刚性；充分利用了碳纤维高模、高弹的硬度优势作为支撑，降低超高分子量聚乙烯受弹击后的变形；充分利用了聚脲涂料的韧性和弹性，能够很好的保证碳纤维支撑层受弹击后的破碎和碎片的飞溅。分别采用了预浸料制备工艺、叠层工艺、压制工艺、热压罐复合工艺、喷涂工艺等多种工艺融合，制成了多层防弹头盔结构，与传统的单一复合材料防弹头盔相比，具有重量轻、性能优等优点，从工艺和结构上弥补了超高分子量聚乙烯刚性差的缺点。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多层防弹头盔结构，其特征在于，包括：支撑层(2)、内表面涂层(1)、外表面涂层(3)、刚性防弹层(4)、柔性防弹层(5)，刚性防弹层(4)和柔性防弹层(5)按照设定规律层间相互交错分布，通过压制形成防弹头盔主体；支撑层(2通过胶黏剂粘接在防弹头盔主体内表面；内表面涂层(1)喷涂在支撑层(2)内表面，外表面涂层(3)喷涂在防弹头盔主体外表面。
2.如权利要求1所述的多层防弹头盔结构，其特征在于，所述刚性防弹层(4)用热固性改性酚醛树脂制备的超高分子量聚乙烯平纹机织布预浸料，裁成设计好的样板；柔性防弹层(5)用热塑性聚氨酯树脂制备的超高分子量聚乙烯UD布，裁成设计好的样板，两者按照设定规律层间相互交错分布，通过模压工艺，制成防弹头盔主体。
3.如权利要求2所述的多层防弹头盔结构，其特征在于，所述内表面涂层(1)、外表面涂层(3)所用的材料为聚脲弹性体，喷涂厚度在1mm～1.5mm。
4.如权利要求3所述的多层防弹头盔结构，其特征在于，所述支撑层(2)由碳纤维制成，采用碳纤维平纹布预浸料裁成设计好的样板，然后通过模压工艺，将其压制成设定厚度；防弹头盔主体通过胶黏剂，用热压罐成型工艺，与支撑层(2)粘接在一起。
5.一种多层防弹头盔结构成型方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：制备刚性防弹层
使用用热固性改性酚醛树脂制备的超高分子量聚乙烯平纹机织布预浸料制备刚性防弹层；
步骤二：制备柔性防弹层
使用热塑性聚氨酯树脂制备的超高分子量聚乙烯UD布制备柔性防弹层；
步骤三：制备防弹层主体层
将超高分子量聚乙烯平纹机织布预浸料和超高分子量聚乙烯纤维制成UD布裁剪成的样板按照每个单循环由6张风叶轮构成，刚性防弹层为2张风叶轮，柔性防弹层为4张风叶轮，每张风叶轮旋转10°的规律叠成若干个单循环，构成防弹层主体层；
步骤四：制备防弹头盔主体
将多个单循环组合好的防弹层主体层放入模具之中，制成防弹头盔主体；
步骤五：制备支撑层
通过胶黏剂在防弹头盔主体内表面粘接支撑层；
步骤六：喷涂内、外表面涂层
在步骤五形成在结构上喷涂内、外表面涂层。
6.如权利要求5所述的多层防弹头盔结构成型方法，其特征在于，步骤一中，先用超高分子量聚乙烯纤维编织成平纹机织布，然后通过制膜法将热固性改性酚醛树脂制成胶膜，再通过中温压制转移，将胶膜复在高分子量聚乙烯平纹机织布表面，制备成超高分子量聚乙烯平纹机织布预浸料，裁成刚性防弹层的样板。
7.如权利要求6所述的多层防弹头盔结构成型方法，其特征在于，步骤二中，用UD布裁成柔性防弹层的样板。
8.如权利要求7所述的多层防弹头盔结构成型方法，其特征在于，步骤四中，将多个单循环组合好的防弹层主体层放入模具之中，然后升温至70℃，排气3次；再升温至90℃，排气三次；当温度升至125℃，将压力升至20MPa，保压20min；降温至50℃，起模，制成防弹头盔主体。
9.如权利要求8所述的多层防弹头盔结构成型方法，其特征在于，步骤五中，将碳纤维平纹机织布预浸料叠层放入模具内，温度升至125℃，将压力升至15MPa，保压20min，制成2mm厚的碳纤维支撑层；再次在刚性防弹层和柔性防弹层构成的防弹层主体内表面铺上胶膜，然后将支撑层放入防弹层主体内表面，放入制备好的真空袋内，接好热压罐管路，抽真空，之后放入热压罐内，以每分钟2℃的速率升温，当温度升至110℃时，保压15min，然后降温至50℃时，打开热压罐，取出头盔坯体。
10.如权利要求9所述的多层防弹头盔结构成型方法，其特征在于，步骤六中，将头盔坯体的边沿去除毛刺，修平正，粘上橡胶防护圈，用高压喷枪在头盔坯体内、外表面喷涂1mm～1.5mm厚的聚脲涂层，完成多层防弹头盔。
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