CN114683578B - 基于多元耦合仿生的柞蚕碳纤维复合材料头盔及制备方法 - Google Patents
基于多元耦合仿生的柞蚕碳纤维复合材料头盔及制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114683578B CN114683578B CN202210475531.0A CN202210475531A CN114683578B CN 114683578 B CN114683578 B CN 114683578B CN 202210475531 A CN202210475531 A CN 202210475531A CN 114683578 B CN114683578 B CN 114683578B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- carbon fiber
- bionic
- helmet
- tussah
- design
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 title claims abstract description 64
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 title claims abstract description 64
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 64
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 44
- 235000001968 nicotinic acid Nutrition 0.000 title claims abstract description 20
- 230000008878 coupling Effects 0.000 title claims abstract description 17
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 13
- 239000011664 nicotinic acid Substances 0.000 claims abstract description 72
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims abstract description 20
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 claims abstract description 16
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 50
- 239000004744 fabric Substances 0.000 claims description 32
- 238000000465 moulding Methods 0.000 claims description 20
- 238000003475 lamination Methods 0.000 claims description 18
- 229920002430 Fibre-reinforced plastic Polymers 0.000 claims description 17
- 239000011324 bead Substances 0.000 claims description 17
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 16
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 claims description 13
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 12
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 claims description 9
- 238000007731 hot pressing Methods 0.000 claims description 9
- 239000011347 resin Substances 0.000 claims description 8
- 229920005989 resin Polymers 0.000 claims description 8
- 241000254173 Coleoptera Species 0.000 claims description 6
- 239000006087 Silane Coupling Agent Substances 0.000 claims description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 5
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 claims description 4
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 claims description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 3
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims description 3
- 238000007598 dipping method Methods 0.000 claims description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims description 3
- 239000011152 fibreglass Substances 0.000 claims description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 abstract description 9
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 7
- 230000008023 solidification Effects 0.000 description 7
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 6
- 230000003592 biomimetic effect Effects 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 239000004918 carbon fiber reinforced polymer Substances 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 239000004677 Nylon Substances 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000003733 fiber-reinforced composite Substances 0.000 description 1
- 238000009863 impact test Methods 0.000 description 1
- 239000010985 leather Substances 0.000 description 1
- 229920001778 nylon Polymers 0.000 description 1
- 239000011208 reinforced composite material Substances 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 229920005792 styrene-acrylic resin Polymers 0.000 description 1
- 238000012549 training Methods 0.000 description 1
- 238000009941 weaving Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
- B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
- B29C70/28—Shaping operations therefor
- B29C70/30—Shaping by lay-up, i.e. applying fibres, tape or broadsheet on a mould, former or core; Shaping by spray-up, i.e. spraying of fibres on a mould, former or core
- B29C70/34—Shaping by lay-up, i.e. applying fibres, tape or broadsheet on a mould, former or core; Shaping by spray-up, i.e. spraying of fibres on a mould, former or core and shaping or impregnating by compression, i.e. combined with compressing after the lay-up operation
- B29C70/345—Shaping by lay-up, i.e. applying fibres, tape or broadsheet on a mould, former or core; Shaping by spray-up, i.e. spraying of fibres on a mould, former or core and shaping or impregnating by compression, i.e. combined with compressing after the lay-up operation using matched moulds
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A42—HEADWEAR
- A42B—HATS; HEAD COVERINGS
- A42B3/00—Helmets; Helmet covers ; Other protective head coverings
- A42B3/04—Parts, details or accessories of helmets
- A42B3/0406—Accessories for helmets
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
- B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
- B29C70/28—Shaping operations therefor
- B29C70/54—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations, e.g. feeding or storage of prepregs or SMC after impregnation or during ageing
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29L—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASS B29C, RELATING TO PARTICULAR ARTICLES
- B29L2031/00—Other particular articles
- B29L2031/48—Wearing apparel
- B29L2031/4807—Headwear
- B29L2031/4814—Hats
- B29L2031/4821—Helmets
Abstract
本发明公开了基于多元耦合仿生的柞蚕碳纤维复合材料头盔及制备方法，包括头盔壳体和多元仿生要素，所述头盔壳体包括增强层，其中增强层的内壁粘接有柞蚕丝碳纤维混杂复合材料层，而柞蚕丝碳纤维混杂复合材料层的内壁粘接有缓冲层，最终制备出具有增强层，混杂复合材料层，缓冲层三种层层包裹的头盔壳体；多元仿生要素共四种：指数刚度梯度结构、跨尺度多级波浪界面形态、可控孔隙含量、尺寸和空间分布结构、软硬相协同仿生结构。本发明解决了现有的头盔在受到外部作用力后，容易造成头盔的凹陷，严重时造成头盔的损坏，不能够对冲击力进行有效的吸收，不能够保证使用者头部的安全，存在一定安全隐患的问题。
Description
技术领域
本发明涉及头盔技术领域，具体为基于多元耦合仿生的柞蚕碳纤维复合材料头盔及制备方法。
背景技术
头盔是保护头部的装具，是军人训练、作战时戴的帽子，是人们交通中不可或缺的工具，分为军用头盔、警用头盔和民用头盔等，它多呈半圆形，主要由外壳、衬里和悬挂装置三部分组成，外壳分别用特种钢、玻璃钢、增强塑料、皮革、尼龙等材料制作，以抵御弹头、弹片和其他打击物对头部的伤害。
现有的头盔结构单一，抗冲击性能差，头盔在受到外部作用力后，容易造成头盔的凹陷，头盔的损伤面积大，严重时造成头盔的损坏，不能够对冲击力进行有效的吸收，不能够保证使用者头部的安全，存在一定的安全隐患。
发明内容
本发明的目的在于提供基于多元耦合仿生的柞蚕碳纤维复合材料头盔及制备方法，具备头盔在受到外部作用力后不会产生凹陷，对冲击力进行有效吸收，最大化程度的减小头盔的损伤面积，保证使用者头部安全的优点，解决了现有的头盔结构单一，抗冲击性能差，头盔在受到外部作用力后，容易造成头盔的凹陷，头盔的损伤面积大，严重时造成头盔的损坏，不能够对冲击力进行有效的吸收，不能够保证使用者头部的安全，存在一定安全隐患的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于多元耦合仿生的柞蚕碳纤维复合材料头盔，包括头盔壳体和多元仿生要素，所述头盔壳体包括增强层，所述增强层的内壁粘接有柞蚕丝碳纤维混杂复合材料层，所述柞蚕丝碳纤维混杂复合材料层的内壁粘接有缓冲层；
多元仿生要素共四种：指数刚度梯度结构、跨尺度多级波浪界面形态、可控孔隙结构、软硬相协同仿生结构。
优选的，所述对指数刚度梯度结构的设计包括：通过对不同面密度的织物进行铺层设计，获得具有指数刚度梯度的层合板结构，最外二层采用面密度为260kg m-2碳纤维织物，次外二层采用面密度为200kg m-2的碳纤维织物，内层分别采用135kg m-2和90kg m-2的柞蚕丝纤维织物，该设计以甲壳虫鞘翅的梯度结构为仿生模板。
优选的，所述对跨尺度多级波浪界面形态的设计包括：通过具有单向/双向波浪形态的模具成型，利用VARTM进行预固化；进而采用平整形态模具进行二次固化成型，形成表面平整、内部波浪形态的层合板结构，该设计以动物犄角的波浪层合界面为仿生模板。
优选的，所述对可控孔隙结构的设计包括：采用硅烷偶联剂对玻璃微珠进行表面预处理，添加1.5wt％中空玻璃微珠模拟动物体内孔隙结构，该设计以动物犄角的孔隙结构为仿生模板。
优选的，所述对软硬相协同仿生结构的设计包括：利用蚕丝织物的高韧性和碳纤维的高刚度实现软硬相协同仿生增韧设计，该设计以珍珠母软硬交错结构为仿生模板。
优选的，所述对“自上而下”的仿生结构的构造包括：与各类“自下而上”的化学仿生手段不同，本方法利用蚕丝纤维/玻璃微珠预处理+真空辅助树脂模塑成型进行大尺寸仿生制造，可实现短周期、低成本、批量化、跨尺度微孔仿生复合材料制备。
优选的，所述对仿生波浪结构模具中的预浸料叠层进行热压浸渍和固化包括：将放置有预浸料叠层设置于自制的VARTM装置中，上下采用仿生波浪结构模具，进而进行固化成型，此时所述装置控制温度从室温升至60℃，提供的压力为0.1MPa，保压2小时，通过装置进行热压固化，上下采用平整结构模具，进而进行固化成型，此时所述固化装置控制温度升至80℃，提供的压力为0.1MPa，保压8小时。
基于多元耦合仿生的柞蚕碳纤维复合材料头盔制备方法，所述包括以下步骤：
A：对蚕丝和碳纤维预浸料布进行裁剪，按预设的铺层角依次叠放铺设；
B：将预浸料叠层放置于预设的波浪结构模具中，并在所述预浸料叠层与仿生波浪结构模具的接触面均匀涂抹脱模剂；
C：通过热压浸渍和固化装置，结合真空辅助树脂模塑成型(VARTM)技术进行固化，脱模得到柞蚕丝碳纤维混杂复合材料头盔。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明具备对冲击力进行有效吸收，最大化程度的减小头盔的损伤面积，保证使用者头部安全的优点，解决了现有的头盔结构单一，抗冲击性能差，头盔在受到外部作用力后，容易造成头盔的凹陷，头盔的损伤面积大，严重时造成头盔的损坏，不能够对冲击力进行有效的吸收，不能够保证使用者头部的安全，存在一定安全隐患的问题。
2、本发明通过对本头盔壳体结构进行抗冲击性能测试，其抗冲击性能指标如冲击力、能量吸收值、凹坑深度、损伤面积和冲击力衰减系数，均达标准所规定范围，通过独特结构设计及工艺操作，实现了轻量化和抗冲击性能的提升，冲击强度(220kJ/m2)超过大部分碳纤维复合材料头盔，重量优势，蚕丝密度只有1.3g/cm3。
附图说明
图1为本发明立体结构示意图；
图2为本发明立体结构仰视示意图；
图3为本发明局部结构剖视示意图；
图4为本发明柞蚕丝的分子结构示意图；
图5为本发明材料实验统计图；
图6为本发明VARTM制造工艺示意图。
图中：1头盔壳体、2增强层、3柞蚕丝碳纤维混杂复合材料层、4缓冲层。
具体实施方式
请参阅图1-图6，基于多元耦合仿生的柞蚕碳纤维复合材料头盔，包括头盔壳体1和多元仿生要素，头盔壳体1包括增强层2，增强层2的内壁粘接有柞蚕丝碳纤维混杂复合材料层3，柞蚕丝碳纤维混杂复合材料层3的内壁粘接有缓冲层4；
多元仿生要素共四种：指数刚度梯度结构、跨尺度多级波浪界面形态、可控孔隙(含量、尺寸和空间分布)结构、软硬相协同仿生结构。
对指数刚度梯度结构的设计包括：通过对不同面密度的织物进行铺层设计，获得具有指数刚度梯度的层合板结构，最外二层采用面密度为260kg m-2碳纤维织物，次外二层采用面密度为200kg m-2的碳纤维织物，内层分别采用135kg m-2和90kg m-2的柞蚕丝纤维织物，该设计以甲壳虫鞘翅的梯度结构为仿生模板。
对跨尺度多级波浪界面形态的设计包括：通过具有单向/双向波浪形态的模具成型，利用VARTM进行预固化(60℃2小时)；进而采用平整形态模具进行二次固化成型(80℃8小时)，形成表面平整、内部波浪形态的层合板结构，该设计以动物犄角的波浪层合界面为仿生模板。
对可控孔隙(含量、尺寸和空间分布)结构的设计包括：采用硅烷偶联剂对玻璃微珠进行表面预处理，添加1.5wt％中空玻璃微珠模拟动物体内孔隙结构，该设计以动物犄角的孔隙结构为仿生模板。
对软硬相协同仿生结构的设计包括：利用蚕丝织物的高韧性和碳纤维的高刚度实现软硬相协同仿生增韧设计，该设计以珍珠母软硬交错结构为仿生模板。
对“自上而下”的仿生结构的构造包括：与各类“自下而上”的化学仿生手段不同，本方法利用蚕丝纤维/玻璃微珠预处理+真空辅助树脂模塑成型(VARTM)进行大尺寸仿生制造，可实现短周期、低成本、批量化、跨尺度微孔仿生复合材料制备。
对仿生波浪结构模具中的预浸料叠层进行热压浸渍和固化包括：将放置有预浸料叠层设置于自制的VARTM装置中，上下采用仿生波浪结构模具，进而进行固化成型，此时装置控制温度从室温升至60℃，提供的压力为0.1MPa，保压2小时，通过装置进行热压固化，上下采用平整结构模具，进而进行固化成型，此时固化装置控制温度升至80℃，提供的压力为0.1MPa，保压8小时。
实施例一：
基于多元耦合仿生的柞蚕碳纤维复合材料头盔，包括头盔壳体1和多元仿生要素，头盔壳体1包括增强层2，增强层2的内壁粘接有柞蚕丝碳纤维混杂复合材料层3，柞蚕丝碳纤维混杂复合材料层3的内壁粘接有缓冲层4；
多元仿生要素共四种：指数刚度梯度结构、跨尺度多级波浪界面形态、可控孔隙(含量、尺寸和空间分布)结构、软硬相协同仿生结构。
对指数刚度梯度结构的设计包括：通过对不同面密度的织物进行铺层设计，获得具有指数刚度梯度的层合板结构，最外二层采用面密度为260kg m-2碳纤维织物，次外二层采用面密度为200kg m-2的碳纤维织物，内层分别采用135kg m-2和90kg m-2的柞蚕丝纤维织物，该设计以甲壳虫鞘翅的梯度结构为仿生模板。
对跨尺度多级波浪界面形态的设计包括：通过具有单向/双向波浪形态的模具成型，利用VARTM进行预固化(60℃2小时)；进而采用平整形态模具进行二次固化成型(80℃8小时)，形成表面平整、内部波浪形态的层合板结构，该设计以动物犄角的波浪层合界面为仿生模板。
对可控孔隙(含量、尺寸和空间分布)结构的设计包括：采用硅烷偶联剂对玻璃微珠进行表面预处理，添加1.5wt％中空玻璃微珠模拟动物体内孔隙结构，该设计以动物犄角的孔隙结构为仿生模板。
对软硬相协同仿生结构的设计包括：利用蚕丝织物的高韧性和碳纤维的高刚度实现软硬相协同仿生增韧设计，该设计以珍珠母软硬交错结构为仿生模板。
对“自上而下”的仿生结构的构造包括：与各类“自下而上”的化学仿生手段不同，本方法利用蚕丝纤维/玻璃微珠预处理+真空辅助树脂模塑成型(VARTM)进行大尺寸仿生制造，可实现短周期、低成本、批量化、跨尺度微孔仿生复合材料制备。
对仿生波浪结构模具中的预浸料叠层进行热压浸渍和固化包括：将放置有预浸料叠层设置于自制的VARTM装置中，上下采用仿生波浪结构模具，进而进行固化成型，此时装置控制温度从室温升至60℃，提供的压力为0.1MPa，保压2小时，通过装置进行热压固化，上下采用平整结构模具，进而进行固化成型，此时固化装置控制温度升至80℃，提供的压力为0.1MPa，保压8小时。
实施例二：
基于多元耦合仿生的柞蚕碳纤维复合材料头盔，包括头盔壳体1和多元仿生要素，头盔壳体1包括增强层2，增强层2的内壁粘接有柞蚕丝碳纤维混杂复合材料层3，柞蚕丝碳纤维混杂复合材料层3的内壁粘接有缓冲层4；
多元仿生要素共四种：指数刚度梯度结构、跨尺度多级波浪界面形态、可控孔隙(含量、尺寸和空间分布)结构、软硬相协同仿生结构。
对指数刚度梯度结构的设计包括：通过对不同面密度的织物进行铺层设计，获得具有指数刚度梯度的层合板结构，最外二层采用面密度为260kg m-2碳纤维织物，次外二层采用面密度为200kg m-2的碳纤维织物，内层分别采用135kg m-2和90kg m-2的柞蚕丝纤维织物，该设计以甲壳虫鞘翅的梯度结构为仿生模板。
对跨尺度多级波浪界面形态的设计包括：通过具有单向/双向波浪形态的模具成型，利用VARTM进行预固化(60℃2小时)；进而采用平整形态模具进行二次固化成型(80℃8小时)，形成表面平整、内部波浪形态的层合板结构，该设计以动物犄角的波浪层合界面为仿生模板。
对可控孔隙(含量、尺寸和空间分布)结构的设计包括：采用硅烷偶联剂对玻璃微珠进行表面预处理，添加1.5wt％中空玻璃微珠模拟动物体内孔隙结构，该设计以动物犄角的孔隙结构为仿生模板。
对软硬相协同仿生结构的设计包括：利用蚕丝织物的高韧性和碳纤维的高刚度实现软硬相协同仿生增韧设计，该设计以珍珠母软硬交错结构为仿生模板。
对“自上而下”的仿生结构的构造包括：与各类“自下而上”的化学仿生手段不同，本方法利用蚕丝纤维/玻璃微珠预处理+真空辅助树脂模塑成型(VARTM)进行大尺寸仿生制造，可实现短周期、低成本、批量化、跨尺度微孔仿生复合材料制备。
实施例三：
基于多元耦合仿生的柞蚕碳纤维复合材料头盔，包括头盔壳体1和多元仿生要素，头盔壳体1包括增强层2，增强层2的内壁粘接有柞蚕丝碳纤维混杂复合材料层3，柞蚕丝碳纤维混杂复合材料层3的内壁粘接有缓冲层4；
多元仿生要素共四种：指数刚度梯度结构、跨尺度多级波浪界面形态、可控孔隙(含量、尺寸和空间分布)结构、软硬相协同仿生结构。
对指数刚度梯度结构的设计包括：通过对不同面密度的织物进行铺层设计，获得具有指数刚度梯度的层合板结构，最外二层采用面密度为260kg m-2碳纤维织物，次外二层采用面密度为200kg m-2的碳纤维织物，内层分别采用135kg m-2和90kg m-2的柞蚕丝纤维织物，该设计以甲壳虫鞘翅的梯度结构为仿生模板。
对跨尺度多级波浪界面形态的设计包括：通过具有单向/双向波浪形态的模具成型，利用VARTM进行预固化(60℃2小时)；进而采用平整形态模具进行二次固化成型(80℃8小时)，形成表面平整、内部波浪形态的层合板结构，该设计以动物犄角的波浪层合界面为仿生模板。
对可控孔隙(含量、尺寸和空间分布)结构的设计包括：采用硅烷偶联剂对玻璃微珠进行表面预处理，添加1.5wt％中空玻璃微珠模拟动物体内孔隙结构，该设计以动物犄角的孔隙结构为仿生模板。
对软硬相协同仿生结构的设计包括：利用蚕丝织物的高韧性和碳纤维的高刚度实现软硬相协同仿生增韧设计，该设计以珍珠母软硬交错结构为仿生模板。
基于多元耦合仿生的柞蚕碳纤维复合材料头盔制备方法，包括以下步骤：
A：对蚕丝和碳纤维预浸料布进行裁剪，按预设的铺层角依次叠放铺设；
B：将预浸料叠层放置于预设的波浪结构模具中，并在预浸料叠层与仿生波浪结构模具的接触面均匀涂抹脱模剂；
C：通过热压浸渍和固化装置，结合真空辅助树脂模塑成型(VARTM)技术进行固化，脱模得到柞蚕丝碳纤维混杂复合材料头盔。
增强层2的材质为碳纤维，柞蚕丝碳纤维混杂复合材料层3为柞蚕丝纤维织物和碳纤维织物编织叠合而成，缓冲层4可采用软橡胶材质。
Charpy摆锤冲击试验得出的冲击强度
CFRP:碳纤维增强复合材料
SFRP:柞蚕丝纤维增强复合材料
仿生-HFRP:具有多元耦合仿生结构的混杂纤维复合材料
在无缺口Charpy摆锤冲击实验中，本发明中柞蚕丝碳纤维混杂复合材料层合板的冲击强度提升至220kJ m-2，根据联合国标准ECE 22.05—2002《关于核准摩托车和轻便摩托车驾驶员和乘客防护头盔及其护目镜的统一规定》以及GB 811—2010《摩托车乘员头盔》中相关规定，通过对本头盔壳体结构进行抗冲击性能测试，其抗冲击性能指标如冲击力、能量吸收值、凹坑深度、损伤面积和冲击力衰减系数，均达标准所规定范围。
综上所述：该基于多元耦合仿生的柞蚕碳纤维复合材料头盔及制备方法，解决了现有的头盔结构单一，抗冲击性能差，头盔在受到外部作用力后，容易造成头盔的凹陷，头盔的损伤面积大，严重时造成头盔的损坏，不能够对冲击力进行有效的吸收，不能够保证使用者头部的安全，存在一定安全隐患的问题。
Claims (3)
1.基于多元耦合仿生的柞蚕碳纤维复合材料头盔，包括头盔壳体（1）和多元仿生要素，其特征在于：所述头盔壳体（1）包括增强层（2），所述增强层（2）的内壁粘接有柞蚕丝碳纤维混杂复合材料层（3），所述柞蚕丝碳纤维混杂复合材料层（3）的内壁粘接有缓冲层（4）；
多元仿生要素共四种：指数刚度梯度结构、跨尺度多级波浪界面形态、可控孔隙结构、软硬相协同仿生结构；
所述指数刚度梯度结构的设计包括：通过对不同面密度的织物进行铺层设计，获得具有指数刚度梯度的层合板结构，最外二层采用面密度为260 kg m-2碳纤维织物，次外二层采用面密度为200kg m-2的碳纤维织物，内层分别采用135kg m-2和90 kg m-2的柞蚕丝纤维织物，该设计以甲壳虫鞘翅的梯度结构为仿生模板；
所述跨尺度多级波浪界面形态的设计包括：通过具有单向双向波浪形态的模具成型，利用VARTM进行预固化；进而采用平整形态模具进行二次固化成型，形成表面平整、内部波浪形态的层合板结构，该设计以动物犄角的波浪层合界面为仿生模板；
所述可控孔隙结构的设计包括：采用硅烷偶联剂对玻璃微珠进行表面预处理，添加1.5wt%中空玻璃微珠模拟动物体内孔隙结构，该设计以动物犄角的孔隙结构为仿生模板；
所述软硬相协同仿生结构的设计包括：利用蚕丝织物的高韧性和碳纤维的高刚度实现软硬相协同仿生增韧设计，该设计以珍珠母软硬交错结构为仿生模板。
2.根据权利要求1所述的基于多元耦合仿生的柞蚕碳纤维复合材料头盔，其特征在于：其采用“自上而下”的仿生结构，与各类“自下而上”的化学仿生手段不同，本方法利用蚕丝纤维玻璃微珠预处理+真空辅助树脂模塑成型进行大尺寸仿生制造，可实现短周期、低成本、批量化、跨尺度微孔仿生复合材料制备。
3.根据权利要求1所述的基于多元耦合仿生的柞蚕碳纤维复合材料头盔的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
A：对蚕丝和碳纤维预浸料布进行裁剪，按预设的铺层角依次叠放铺设；
B：将预浸料叠层放置于单向双向波浪形态的模具中，并在所述预浸料叠层与单向双向波浪形态的模具的接触面均匀涂抹脱模剂；单向双向波浪形态的模具中的预浸料叠层进行热压浸渍和固化包括：预浸料叠层设置于自制的VARTM装置中，进而进行固化成型，此时控制所述VARTM装置温度从室温升至60℃，提供的压力为0.1MPa，保压2小时，进行热压固化；再利用平整结构模具，二次进行固化成型，此时控制温度升至80℃，提供的压力为0.1MPa，保压8小时；
C：通过热压浸渍和固化装置，结合真空辅助树脂模塑成型技术进行固化，脱模得到柞蚕丝碳纤维混杂复合材料头盔。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210475531.0A CN114683578B (zh) | 2022-04-29 | 2022-04-29 | 基于多元耦合仿生的柞蚕碳纤维复合材料头盔及制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210475531.0A CN114683578B (zh) | 2022-04-29 | 2022-04-29 | 基于多元耦合仿生的柞蚕碳纤维复合材料头盔及制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114683578A CN114683578A (zh) | 2022-07-01 |
| CN114683578B true CN114683578B (zh) | 2023-11-28 |
Family
ID=82145649
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210475531.0A Active CN114683578B (zh) | 2022-04-29 | 2022-04-29 | 基于多元耦合仿生的柞蚕碳纤维复合材料头盔及制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114683578B (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001072160A1 (en) * | 2000-03-30 | 2001-10-04 | Dong Seon Lee | Safety helmet formed of hybrid composite material and method for manufacturing the same |
| US6969478B1 (en) * | 2000-10-12 | 2005-11-29 | Lion Apparel, Inc. | Fiberglass composite firefighting helmet and method for making a fiberglass composite firefighting helmet |
| CN102313492A (zh) * | 2011-08-26 | 2012-01-11 | 山东三达科技发展公司 | 一种复合材料防弹头盔及其制造方法 |
| CN104236393A (zh) * | 2014-09-16 | 2014-12-24 | 山东大学 | 一种多功能复合材料防弹头盔及其制造方法 |
| CN110845826A (zh) * | 2019-11-15 | 2020-02-28 | 北京航空航天大学 | 一种基于天然蚕丝的抗冲击混杂纤维复合材料的制备方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8117679B2 (en) * | 2006-03-22 | 2012-02-21 | Fox Head, Inc. | Molded articles and molding methods particularly for a protective helmet |
-
2022
- 2022-04-29 CN CN202210475531.0A patent/CN114683578B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001072160A1 (en) * | 2000-03-30 | 2001-10-04 | Dong Seon Lee | Safety helmet formed of hybrid composite material and method for manufacturing the same |
| US6969478B1 (en) * | 2000-10-12 | 2005-11-29 | Lion Apparel, Inc. | Fiberglass composite firefighting helmet and method for making a fiberglass composite firefighting helmet |
| CN102313492A (zh) * | 2011-08-26 | 2012-01-11 | 山东三达科技发展公司 | 一种复合材料防弹头盔及其制造方法 |
| CN104236393A (zh) * | 2014-09-16 | 2014-12-24 | 山东大学 | 一种多功能复合材料防弹头盔及其制造方法 |
| CN110845826A (zh) * | 2019-11-15 | 2020-02-28 | 北京航空航天大学 | 一种基于天然蚕丝的抗冲击混杂纤维复合材料的制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114683578A (zh) | 2022-07-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104401277B (zh) | 一种汽车防撞结构件及其制备方法 | |
| CN104766934B (zh) | 一种用于轻量化电池箱的三明治结构的制备方法 | |
| CN102848622B (zh) | 一种具有pmi泡沫芯材的夹芯材料及其制备方法 | |
| KR20140127828A (ko) | 외향 개구를 가지는 내부 공동이 구비되는 복합 재료로 이루어지는 본체를 제조하기 위한 방법 및 장치 | |
| KR20130132763A (ko) | 외부 층을 갖는 발포성 매질을 사용하는 금형-내-발포 방법, 및 그로부터 수득가능한 플라스틱 성형물 | |
| CN103963319A (zh) | 一种复合材料加筋壁板的预浸料/树脂膜熔渗共固化成型方法 | |
| CN112757740B (zh) | 一种高强度轻量化车厢板及其制备方法 | |
| CN108183181A (zh) | 一种电动汽车电池包的制作方法及电池包 | |
| CN111516303A (zh) | 一种车厢板及其制备方法 | |
| CN103600536A (zh) | 一种用于防弹头盔的复合材料及其制备方法 | |
| CN114683578B (zh) | 基于多元耦合仿生的柞蚕碳纤维复合材料头盔及制备方法 | |
| CN116373401A (zh) | 一种电池包底护板及其制备方法 | |
| CN109037507A (zh) | 一种新能源汽车电池pack轻量化上盖及其制作方法 | |
| CN109780936B (zh) | 一种复合刚性强化防弹头盔 | |
| CN106584881B (zh) | 一种镂空帽形米字加筋全碳纤维结构及其制备方法 | |
| US11504922B2 (en) | Multi-layered composite structures and methods for the preparation thereof | |
| CN111114480B (zh) | 一种新型汽车吸能盒及其制备方法 | |
| CN111391437A (zh) | 一种车厢板及其制备方法 | |
| US10913218B2 (en) | Mold and method for manufacturing front wheel disc of carbon fiber composite wheel | |
| CN105109159B (zh) | 高强度防弹热塑性尼龙复合板材及其制造方法 | |
| CN107081917A (zh) | 一种大曲率复合材料泡沫夹层结构成型工艺方法 | |
| CN113696509B (zh) | 一种超混杂面板/三维编织中空夹层复合材料的一体化成型方法 | |
| CN110481127A (zh) | 一种发动机底护板及其生产工艺 | |
| CN113752668B (zh) | 一种叶脉仿生负泊松比结构的纤维金属层板制备方法 | |
| CN111909489B (zh) | 一种纤维树脂复合材料及其制备方法与应用 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |