CN116294813A - 一种可变刚度的材料结构、防护装备 - Google Patents

一种可变刚度的材料结构、防护装备 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种可变刚度的材料结构,包括第一结构层和第二结构层,在所述第一结构层与第二结构层任意一外侧设置有驱动件,所述第一结构层与第二结构层之间的连接关系配置为能在所述驱动件的作用下从第一状态切换至第二状态,当处于第一状态时,所述第一结构层与第二结构层之间的连接处以松散啮合的方式连接使两者之间处于柔性状态,当处于第二状态时,所述第一结构层与第二结构层通过紧密啮合的方式连接以使两者之间处于刚性状态。本发明还提供了一种防护装备。通过本发明方案,结构简单,刚性和柔性之间切换速度快,用户体验好。

Description

一种可变刚度的材料结构、防护装备
技术领域
本发明涉及复合材料和防护装备技术领域,具体而言,涉及一种可变刚度的材料结构、防护装备。
背景技术
在现有的防护装备中,常用陶瓷板、钢板、高分子塑料等硬度、刚度很大的材料作为护甲,但是这种高刚度材料会极大地影响装备的活动性以及舒适度,同时在受到冲击时,由于刚度大的原因,冲击时产生的冲击波会直接传导至人体或是被保护仪器,造成伤害;另外一种类型的护甲是使用厚橡胶垫或其他较软的高分子材料,橡胶或高分子垫片虽然具备一定的形变能力,但由于刚度不够,无法承受较大的冲击力。
发明内容
本发明公开了一种可变刚度的材料结构,结构简单,操作便利,旨在改善现有的防护装备存在影响活动性以及无法承受较大冲击力的问题。问题。
本发明采用了如下方案:
本申请提供了一种可变刚度的材料结构,包括:第一结构层和第二结构层,在所述第一结构层与第二结构层任意一外侧设置有驱动件,所述第一结构层与第二结构层之间的连接关系配置为能在所述驱动件的作用下从第一状态切换至第二状态,当处于第一状态时,所述第一结构层与第二结构层之间的连接处于以松散啮合的方式连接使两者之间处于柔性状态,当处于第二状态时,所述第一结构层与第二结构层通过紧密啮合的方式连接以使第一结构层与第二结构层之间处于刚性状态。
进一步地,所述第一结构层包括有第一柔性材料以及固定设置在所述第一柔性材料上的第一啮合块组,所述第二结构层包括有第二柔性材料以及固定设置在所述第二柔性材料上的第二啮合块组,所述第一啮合块组与第二啮合块组配置为能在所述驱动件的作用下紧密啮合形成板式结构,使所述材料结构处于刚性状态。
进一步地,所述第一啮合块组和所述第二啮合块组采用金属材料或者硬质塑料。
进一步地,所述第一柔性材料和第二柔性材料为不透气材料或者织物或者高分子薄膜。
进一步地,所述第一结构层与第二结构层之间设置有弹性物,所述弹性物配置为能在所述驱动件取消对第一结构层和第二结构层的作用时,促使所述第一结构层与第二结构层之间的连接处由紧密啮合状态切换成松散状态。
进一步地,所述弹性物为弹性薄膜。
进一步地,所述驱动器为气囊体,所述气囊体适于通过气体量的改变以使所述第一结构层和第二结构层在刚性状态和柔性状态之间切换,当所述气囊体内的气体达到第一气量时,所述第一结构层与第二结构层紧密啮合以使材料结构处于刚性状态,当所述气囊体的气体减少至第二气量时,所述第一结构层与第二结构层的连接处由紧密啮合状态切换成松散啮合状态以使材料结构处于柔性状态。
进一步地,还包括充气模块,所述充气模块连接所述气囊体以对所述气囊体进行充气。
本发明还提供了一种防护装备,包括上述任意一项所述的可变刚度的材料结构。
本发明具有以下有益效果:
1.提供一种具有柔软度的可变刚度材料,在用于防护装备时,气囊体未充气状态时具有一定的柔软性,大大增加的穿着的舒适度和活动空间,例如安装于前胸、后背、关节等部位。
2.对气囊体充气后可以形成高刚度的整体材料,结构层相互啮合(类似于木工行业的卯榫结构),可以吸收冲击力。
3.采用充气的设计可以瞬间实现材料的刚度变化,非常适用于突发情况的冲击。
4.材料设计有气囊体,气囊体充气后形成空气垫,进一步吸收冲击力,且提供舒适的体验。
5.本材料可以反复使用。
6.可以制作任意大小的结构,可以适用人体或者仪器,适用范围极广。
附图说明
图1是本发明实施例一种可变刚度的材料结构的结构示意图;
图2是本发明实施例一种可变刚度的材料结构在柔性状态下的结构示意图;
图3是本发明实施例一种可变刚度的材料结构在刚性状态下的结构示意图;
图标:第一结构层1、第一柔性材料11、第一啮合块组12、第二结构层2、第二柔性材料21、第二啮合块组22、弹性物3、驱动件4。
具体实施方式
实施例
本发明实施例提供了一种防护装备,一种可变刚度的材料结构。
结合图1至图3所示,上述所述的可变刚度的材料结构,包括:第一结构层1和第二结构层2,在所述第一结构层1与第二结构层2任意一外侧设置有驱动件4,所述第一结构层1与第二结构层2之间的连接关系配置为能在所述驱动件4的作用下从第一状态切换至第二状态,当处于第一状态时,所述第一结构层1与第二结构层2之间的连接处于以松散啮合的方式连接使两者之间处于柔性状态,当处于第二状态时,所述第一结构层1与第二结构层2通过紧密啮合的方式连接以使第一结构层与第二结构层之间处于刚性状态。
在本实施例中,通过设置驱动件4的方式改变第一结构层1和第二结构层2之间的连接关系,即通过驱动件4驱动其中的第一结构层1或者第二结构层2相互靠近并在狭小的空间内形成紧密的啮合关系,使得第一结构层1与第二结构层2之间的空间被挤压消失后能形成一个板式结构,从而具有一定的硬度,即刚性状态;而在驱动件4取消对第一结构层1或者第二结构层2的作用力后,第一结构层1与第二结构层2在失去外力时会取消紧密啮合的连接关系,切换为松散啮合,两者之间具有一定的活动空间,整体可以一定范围的弯曲,即柔性状态。需要解释的是,这里第一状态即柔性状态,第二状态即刚性状态,所述板式结构即第一结构层1和第二结构层2的啮合结构相互啮合后,第一结构层1与第二结构层2之间形成一个类似于平板一样的结构,该结构下整体的结构密实,具有较高的强度。
所述驱动件4可以使用气囊体利用气压提供啮合力,或者其他可以提供第一结构层1和第二结构层2之间的啮合力的驱动方式,例如可以通过电磁驱动或者液压驱动之类的其他形式提供。为了更方便阐述本发明的工作原理,下面驱动件4以气囊体为例进行说明。
在本实施例中,气囊体进行充气使气囊体膨胀,从而使第一结构层1与第二结构层2在较小的空间内被瞬间挤压,两者相互啮合以形成刚性的结构,从而能够吸收一定的冲击力,而当气囊体放气时,取消了对第一结构层1和第二结构层2的挤压效果,两者之间相对松散地啮合,则可以使材料结构有一定的柔软性,便于穿戴等动作。应当注意的是,本实施例中,所述第一结构层1、第二结构层2和气囊体应该被固定在相对固定和狭小的空间内,例如通过织布围成的空间。所述防护装备可以是护甲或者其他用于防护的结构,不局限于护甲。本实施例中所述的气囊体内的气体量通过充气模块进行增减,当气体量内的容量通过充气达到一定的压力值时(即第一气量),气囊体膨胀挤压第一结构层1和第二结构层2,具体的压力值根据实际的材料和产品的大小进行设定,这里不多加限定,其压力足以使第一结构层1和第二结构层2紧密啮合即可。同样,当气囊体内的空气放出时(即第二气量),气囊体不再挤压第一结构层1和第二结构层2时,处于柔性状态。这里气体可以是空气或者惰性气体。
所述气囊体为现有技术产品,其平铺在第一结构层1或者第二结构层2的其中一外侧,优选地,其设置在靠近用户的一侧,从而可以提供缓冲作用,气囊体同时可作为柔软的气垫,进一步分摊冲击力。所述气囊体也可以设置在第一结构层1和第二结构层2的同一空间内,从而在气囊体充气膨胀时,为第一结构层1或者第二结构层2提供均匀的压力,使可以完全啮合的结构在充气状态下完全啮合。本发明实施例中还设置有充气模块(未图示),所述充气模块与所述气囊体连接,所述充气模块还可以连接有控制模块(未图示),充气模块可为自动或手动开关,用户可以通过充气模块控制气囊体的充气和放气,由于充气可以瞬间完成,刚度变化可以在极短的时间内完成。所述充气模块和控制模块为现有技术,这里不多加阐述。
结合图2所示,在另一实施例中,所述第一结构层1包括有第一柔性材料11以及附着在所述第一柔性材料11上的第一啮合块组12,所述第二结构层2包括有第二柔性材料21以及附着在所述第二柔性材料21上的第二啮合块组22,所述第一啮合块与第二啮合块配置为能在所述气囊体内的气体量达到第一气量时相互啮合以使所述第一结构层1和第二结构层2紧密连接形成刚性状态。具体地,所述第一柔性材料11可以使用不透气材料,例如芳纶布等作为基体层,其具有低弹性且耐磨的特性。所述第二柔性材料21可以使用与所述第一柔性材料11相同的不透气材料,例如芳纶布等,当然,两者也可以使用不相同的材质,且所述第一柔性材料11和第二柔性材料21可以缝合起来,使两个织布组合成一个整体,并将第一啮合块组12和第二啮合块组22包裹在内。值得注意的是,所述第一柔性材料和第二柔性材料不局限于上述所述的不透气材料,还可以采用其他织物、高分子薄膜等。所述第一啮合块组12和第二啮合块组22为结构相同的三棱柱组合或者四棱锥组合,其尖角部分相对设置,使得上下啮合块之间能够相互啮合,当使用三棱柱块体形式的结构层时,能提供垂直于柱体方向的柔软性;当使用四棱锥块体形式的结构层时,可以提供多个方向的柔软性。具体地,在所述第一柔性材料11和第二柔性材料21的相对侧均固定有多个所述啮合块,形成紧密排列的啮合块组,使得上下的啮合块组可以相互啮合,啮合后第一结构层1与第二结构层2之间没有活动的缝隙,从而将第一结构层1和第二结构层2固定,以形成具有刚性材料,这里啮合块采用高硬度材料,例如金属材料、复合材料或者具有一定硬度的硬质塑料等,使第一结构层和第二结构层在紧密啮合后就有较大的强度。在第一结构层1和第二结构层2之间的啮合块组没有相互啮合时,由于第一柔性材料11和第二柔性材料21均具有一定的柔度,可以进行一定的折叠或者弯曲,以提高在穿戴时的柔软性。同时,由于第一啮合块组12与第二啮合块组22在啮合状态下不会凸出,使得穿戴时贴紧用户的柔性材料平整,在受到冲击时也不会对刺伤用户。应当注意的是,在非紧密啮合的状态下,第一啮合块组12与第二啮合块组22之间处于半啮合状态,即啮合块位于对侧的啮合位置之间,从而一方面可以提高啮合速度,另一方面可以防止在非紧密啮合时跑偏。应当注意的是,这里第一啮合块组12与第二啮合块组22的结构不局限于三棱柱和四棱锥,其他能实现紧密啮合的啮合结构均在本发明的保护范围内。
继续结合图1至图3所示,在优选实施例中,所述第一结构层1与第二结构层2之间设置有弹性物3,所述弹性物3配置为能在所述气囊体释放气体使气体量达到第二状态时,促使所述第一结构层1与第二结构层2之间的连接处由紧密状态切换成松散状态。这里所述弹性物3为弹性薄膜,在气囊体充气后,其能被所述第一啮合块组12和第二啮合块组22挤压,以镶嵌在第一啮合块组12和第二啮合块组22之间,一方面不影响啮合块组之间的啮合,另一方面在啮合过程中,还能促进啮合更加紧密,从而提高啮合度,以提高刚性度。当气囊体放气时,此时用于使第一结构层1和第二结构层2之间的压力减小,弹性薄膜在自身材料性质的作用下,慢慢恢复原来状态,从而恢复展开状态,使第一结构层1和第二结构层2分离,取消啮合状态,产生活动空间提高了在柔性状态和刚性状态下的转换速度。这里弹性薄膜处于上下两层之间,可以用于隔离上下两层,使上下两层保持一定的活动空间。所述弹性薄膜可以是高分子薄膜,但不局限于此,其为现有技术产品,这里不多加阐述。
本实施例中,通过气囊体提供均匀的压力,使可以完全啮合的结构在充气状态下完全啮合,两层结构的啮齿部分为高硬度材料制作的块体,当两层结构完全啮合后形成了一块紧密的板材,从而提供具有硬度的护甲。当未充气时,弹性薄膜将两层结构隔离,两层结构没有完全啮合,两层结构之间留有空间,这样结构层具有了弯曲的活动空间。充气模块为两层结构提供所需要的力,使其能够相互啮合。使用时,只需打开充气模块,便可使具有一定柔软度的结构瞬间变成高刚性的结构,且可以反复使用。
应当理解的是:以上仅是本发明的优选实施方式,本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例,凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。
上面对实施方式中所使用的附图介绍仅示出了本发明的某些实施例,不应被看作是对范围的限定,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

Claims (9)

1.一种可变刚度的材料结构,其特征在于,包括:第一结构层和第二结构层,在所述第一结构层与第二结构层任意一外侧设置有驱动件,所述第一结构层与第二结构层之间的连接关系配置为能在所述驱动件的作用下从第一状态切换至第二状态,当处于第一状态时,所述第一结构层与第二结构层之间的连接处以松散啮合的方式连接使两者之间处于柔性状态,当处于第二状态时,所述第一结构层与第二结构层通过紧密啮合的方式连接以使两者之间处于刚性状态。
2.根据权利要求1所述的可变刚度的材料结构,其特征在于,所述第一结构层包括有第一柔性材料以及固定设置在所述第一柔性材料上的第一啮合块组,所述第二结构层包括有第二柔性材料以及固定设置在所述第二柔性材料上的第二啮合块组,所述第一啮合块组与第二啮合块组配置为能在所述驱动件的作用下紧密啮合形成板式结构,使所述材料结构处于刚性状态。
3.根据权利要求2所述的可变刚度的材料结构,其特征在于,所述第一柔性材料和第二柔性材料为不透气材料或者织物或者高分子薄膜。
4.根据权利要求2所述的可变刚度的材料结构,其特征在于,所述第一啮合块组和所述第二啮合块组采用金属材料或者硬质塑料。
5.根据权利要求2所述的可变刚度的材料结构,其特征在于,所述第一结构层与第二结构层之间设置有弹性物,所述弹性物配置为能在所述驱动件取消对第一结构层和第二结构层的作用时,促使所述第一结构层与第二结构层之间的连接处由紧密啮合状态切换成松散状态。
6.根据权利要求5所述的可变刚度的材料结构,其特征在于,所述弹性物为弹性薄膜。
7.根据权利要求1所述的可变刚度的材料结构,其特征在于,所述驱动器为气囊体,所述气囊体适于通过气体量的改变以使所述第一结构层和第二结构层在刚性状态和柔性状态之间切换,当所述气囊体内的气体达到第一气量时,所述第一结构层与第二结构层紧密啮合以使材料结构处于刚性状态,当所述气囊体的气体减少至第二气量时,所述第一结构层与第二结构层的连接处由紧密啮合状态切换成松散啮合状态以使材料结构处于柔性状态。
8.根据权利要求7所述的可变刚度的材料结构,其特征在于,还包括充气模块,所述充气模块连接所述气囊体以对所述气囊体进行充气。
9.一种防护装备,其特征在于,包括权利要求1-8任意一项所述的可变刚度的材料结构。
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