CN214340234U - 一种蜂窝式抗冲击复合结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种蜂窝式抗冲击复合结构，包括：底部片材和多个阵列元件，多个阵列元件固定设置于底部片材上，多个阵列元件排列后构成蜂窝结构，每个阵列元件至少包括侧壁和中空结构，剪切增稠液体均匀填充于中空结构中，复合结构还包括与多个阵列元件的顶部固定设置的顶部片材或者每个阵列元件还包括顶壁，使得剪切增稠液体位于封闭结构中。本新型抗冲击结构将剪切增稠液体与轻质蜂窝结构相结合，获得一种具有剪切增稠效应的新型轻质抗冲击复合结构。
Description
技术领域
本实用新型涉及抗冲击材料技术领域，具体为一种蜂窝式抗冲击复合结构。
背景技术
随着社会的发展和人民生活水平的提高，以及运动意识的普及，人们对身体健康的重视程度越来越大，伴随而来的是体育用户群体的急剧增加，随之而来的运动损伤与防护问题越来越引起关注。
运动护具是指在运动过程中预防和避免运动者受伤害的一类工具，人们在运动过程中有意识的通过穿戴运动装备来达到防护人体受损的目的。其中，防碰撞抗冲击类运动护具在各种运动护具中最为典型，如轮滑、滑雪、赛车等运动中使用的护膝、护肘、头盔等，目的均为防止重要关节及头部等关键部位受到撞击或碰到硬物而受到伤害。
在现有技术中，有的抗冲击防护材料的性能随着温度的变化而变化，有的缓冲性能和刚性太弱，有的复合型抗冲击结构中的气囊容易爆破，爆破后气囊中的危险性气体被排出，极易给人带来的害。既增加了材料制作成本又浪费了资源，而有的则达不到防护要求，给运动者带来不必要的损伤，甚至给他们的生活带来很大的影响。
因此，本发明致力于研发新型个人运动防护结构，优化防护性能，符合人体运动规律，满足碰撞防护需求，可以有效预防运动损伤，降低关节等受损的程度，满足运动安全性要求。
随着日新月异科技的发展，剪切增稠流体(Shear Thickening Fluid，STF)为一种在一定剪切应变率下迅速提高自身粘度的非牛顿流体材料。其在低应变率下呈可缓慢流动的凝胶状态，在冲击条件下，材料会迅速变硬表现出固体特性，粘度急剧上升，呈现出剪切增稠性质，展现出来的特征就是液态-固态的迅速转变，STF材料的粘度可以提高2～3个数量级。在这个过程中，液体内部分子发生团簇，能够吸收大量的冲击能量，具备优良的抗冲击性能，已经在液体防弹衣等产品中初步应用，本发明基于上述剪切增稠流体提出一种新型的蜂窝式抗冲击的复合结构。
发明内容
针对上述问题，本实用新型提出一种新型的基于剪切增稠流体的蜂窝式抗冲击的复合结构，这种新型结构同时具有轻质性、稳定性和优异的抗冲击吸能性能。
为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种蜂窝式抗冲击复合结构，其特征在于，所述复合结构包括：底部片材和多个阵列元件，其中，所述多个阵列元件固定设置于所述底部片材上，所述多个阵列元件排列后构成蜂窝结构，每个所述阵列元件至少包括侧壁和中空结构，剪切增稠液体均匀填充于所述中空结构中，所述复合结构还包括与多个所述阵列元件的顶部固定设置的顶部片材或者每个所述阵列元件还包括顶壁，使得所述剪切增稠液体位于封闭结构中。
进一步地，所述阵列元件与所述底部片材或所述顶部片材的固定方式为胶粘、热压或焊接。
进一步地，所述抗冲击复合结构可用于制作护膝、护肘、护腿、头盔、护背、护胸、护腕、护颈和护踝。
进一步地，所述阵列元件为PVC、聚氨酯、硅橡胶材质。
进一步地，所述抗冲击复合结构可用于赛车或汽车的防撞结构。
进一步地，所述阵列元件为铝合金、不锈钢、钛合金材质。
本实用新型与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1.本实用新型基于剪切增稠流体，在冲击条件下，材料会迅速变硬表现出固体特性，粘度急剧上升，液态-固态的迅速转变，STF材料的粘度可以提高2～3个数量级。在这个过程中，液体内部分子发生团簇，能够吸收大量的冲击能量，实现优良的抗冲击性能。
2.本实用新型将剪切增稠流体具体应用于蜂窝结构的复合结构中，既可用于制作护膝等各种运动护具，也可以用于赛车或汽车等的防撞结构。由于设置有阵列的蜂窝结构，在受到剪切力时，由于蜂窝结构的六边形柱状形状可以顺着剪切力方向弯曲吸收剪切力，不会相互牵扯。同时，由于剪切增稠流体具有流动性，新型抗冲击复合结构也具有形状的自适应性，可以随着人体运动时关节的收缩和伸展进行随体的结构适应和调整，更加贴合关节表面，在多种关节角度工况下起到最佳的防护效果。在运动防撞护具、汽车防撞等多种领域有着重要的应用价值。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本实用新型的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。
图1：本实用新型的抗冲击复合结构的分解结构示意图；
图2：本实用新型的抗冲击复合结构的侧面剖视图；
图3：本实用新型的抗冲击复合结构的立体示意图；
图4：抗冲击实验数据对比图。
其中，图中的附图标记的含义如下：1.底部片材；2.阵列元件；3.顶部片材；4.侧壁；5.剪切增稠液体。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。
需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1-4所示，本实用新型的抗冲击复合结构各个示意图可参考。
一种蜂窝式抗冲击复合结构，包括：底部片材1和多个阵列元件2，多个阵列元件2固定设置于底部片材1上，多个阵列元件2排列后构成蜂窝结构，每个阵列元件至少包括侧壁4和中空结构，剪切增稠液体5均匀填充于中空结构中，复合结构还包括与多个阵列元件2的顶部固定设置的顶部片材3或者每个阵列元件2还包括顶壁，使得剪切增稠液体位于封闭结构中。
阵列元件2与底部片材1或顶部片材3的固定方式为胶粘、热压或焊接。顶部片材可以为顶板或者顶片，底部片材可以为底板或者底片。
抗冲击复合结构在运动防撞护具的应用场景下，可用于护膝、护肘、护腿、头盔、护背、护胸、护腕、护颈和护踝等各种运动护具，优先选择PVC、聚氨酯、硅橡胶等护具中常用的弹性软质材料，可以保证对关节等人体结构的贴合舒适性。在一些其他工业领域，如赛车或汽车或飞机或轮船等碰撞防护领域等，也可以根据需要选择金属材料(如铝合金、不锈钢、钛合金等)。
对于剪切增稠流体，可以选择聚乙二醇/SiO2体系和聚硼硅氧烷(PBDMS)体系，并且按照材料的密度要求、抗冲击吸能性能要求等适当调整原材料的工艺配比，获得优化的抗冲击吸能性能和轻量化设计，如可以在聚乙二醇/SiO2体系中适当提高SiO2的质量分数来提高其剪切增稠性能，以提高其抗冲击吸能性能，但随着SiO2的质量分数增加，材料密度也会增加，结构的总质量会上升。
剪切增稠流体具有多种材料体系，最典型的为聚乙二醇/SiO2体系，制备的基本方法为聚乙二醇与亚微米/纳米SiO2按照一定比例物理混合，充分搅拌后即可获得典型的STF悬浮液；这种聚乙二醇/SiO2体系的STF已经在液体防弹衣等产品中初步应用。
另一种体系为剪切增稠凝胶材料，最典型的为聚硼硅氧烷(PBDMS)，其在低应变率下呈可缓慢流动的凝胶状态，当受到冲击时，材料会迅速变硬表现出固体特性，粘度急剧上升，呈现出剪切增稠性质，吸收大量的能量，具备优良的抗冲击性能。
具体制备工艺介绍：
第一步，将底部片材与阵列元件使用胶粘、热压、焊接等方式固定，形成底部密封但上部中空可填充的结构；第二步，将剪切增稠液体均匀填充于阵列元件之中；第三步，将填充好的蜂窝结构进行封盖，将顶部片材与阵列元件壁面的上表面利用胶粘、热压、焊接等方式进行固定，最终形成新型抗冲击复合结构。
获得的新型抗冲击复合结构可以结合缝纫等工艺添加布面、绑带等，形成完整的新型运动防护用具，如护膝、护肘、头盔等。
利用落锤冲击试验台等试验手段，获得新型复合结构的冲击吸能曲线等性能表征，可以针对性的调节蜂窝结构的面板厚度、片材尺寸及阵列元件壁厚、高度等结构尺寸，进行结构的性能优化工作，获取特定工况下的最优方案。
参见图4的抗冲击实验结果对比图可知，本发明的抗冲击复合结构能够吸收可观的冲击能量，且载荷分布更加均匀：在典型冲击工况(M＝5kg，V＝4.5m/s)下，新型护膝防护的膝部所受峰值冲击载荷和峰值应力，比无防护工况降低了40％与35％，比EVA橡胶垫防护工况降低了23％与20％，新型护膝结构能够起到明显得冲击防护效果。同时由于剪切增稠凝胶材料可流动，具有可随着身体自由运动的结构自适应能力。
以上所述的具体实施方法，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则的内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本实用新型的保护范围的内。
Claims (6)
1.一种蜂窝式抗冲击复合结构，其特征在于，所述复合结构包括：底部片材和多个阵列元件，其中，所述多个阵列元件固定设置于所述底部片材上，所述多个阵列元件排列后构成蜂窝结构，每个所述阵列元件至少包括侧壁和中空结构，剪切增稠液体均匀填充于所述中空结构中，所述复合结构还包括与多个所述阵列元件的顶部固定设置的顶部片材或者每个所述阵列元件还包括顶壁，使得所述剪切增稠液体位于封闭结构中。
2.如权利要求1所述的蜂窝式抗冲击复合结构，其特征在于：所述阵列元件与所述底部片材或所述顶部片材的固定方式为胶粘、热压或焊接。
3.如权利要求1或2所述的蜂窝式抗冲击复合结构，其特征在于：所述抗冲击复合结构可用于制作护膝、护肘、护腿、头盔、护背、护胸、护腕、护颈和护踝。
4.如权利要求3所述的蜂窝式抗冲击复合结构，其特征在于：所述阵列元件为PVC、聚氨酯、硅橡胶材质。
5.如权利要求1或2所述的蜂窝式抗冲击复合结构，其特征在于：所述抗冲击复合结构可用于赛车或汽车防撞结构。
6.如权利要求5所述的蜂窝式抗冲击复合结构，其特征在于：所述阵列元件为铝合金、不锈钢、钛合金材质。
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