TWM655251U

TWM655251U - 防彈頭盔殼體

Info

Publication number: TWM655251U
Application number: TW111210098U
Authority: TW
Inventors: 佽倖何
Original assignee: 荷蘭商帝斯曼知識產權資產管理有限公司
Priority date: 2016-12-21
Filing date: 2017-12-20
Publication date: 2024-05-11

Abstract

本新型係關於一種防彈頭盔殼體，其包含由數個單向排列抗彈纖維及一黏合劑的層體構成之一硬固堆疊體，其特徵在於：該防彈頭盔殼體在冠部具有自3.5mm至5.5mm的一平均厚度，在前部和後部各具有自4.5mm至6.5mm的一平均厚度，及在左部和右部具有自4.5mm至7.5mm的一平均厚度；且其中該冠部處的該平均厚度小於該前部處的該平均厚度。

Description

防彈頭盔殼體

本新型係關於一種防彈頭盔殼體。特定地說，其有關用於一防彈頭盔之一輕量殼體。

習知技術已知的是，防彈頭盔具有一殼體，其包含數個單向排列抗彈(anti-ballistic)纖維以及一黏合劑的層體之一硬固堆疊體。例如WO2007/107359。此種頭盔的缺點是它們可能沉重。此外，防彈頭盔的現今使用涉及諸如通訊設備、護目鏡和夜視鏡的設備之附加。總重量會對頭盔配戴者造成頭盔不必要的不舒適，尤其是當於挑戰條件下配戴或長期配戴。頭盔的重量大部分源自於頭盔殼體本身。

本新型之一目標是要提供一防彈頭盔，其提供一高標準的子彈防護，但比習知的頭盔殼體輕。一更進一步的目標是欲提供具有一較高防彈程度的一頭盔殼體。

本新型係提出防彈頭盔殼體。依據本創作之一實施例，提出一種防彈頭盔殼體，其包含由數層單向排列抗彈纖維及一黏合劑的層體構成之一硬固堆疊體，其特徵在於，該防彈頭盔殼體在冠部具有自3.5mm至5.5mm的一平均厚度，在前部和後部各具有自4.5mm至6.5mm的一平均厚度，及在左部和右部具有自4.5mm至7.5mm的一平均厚度；以及其中在該冠部的該平均厚度係小於在該前部的該平均厚度。

本新型亦提出一種防彈頭盔，其包含防彈頭盔殼體。

1:MICH型頭盔

2:冠部

3:前部

4:後部

5:左部

6:右部

圖1繪示一MICH型頭盔設計。

一頭盔殼體是一頭盔的基礎結構，並提供防彈性能。該殼體排除襯墊、皮帶、零件、裝飾及配件。

于本文中使用時，一硬固堆疊體表示於提升的溫度壓製在一起來產生一單一物品之多個層。

單向排列抗彈纖維及一黏合劑的層體一詞表示單向定向的抗彈纖維以及基本上使該等纖維固持在一起的一黏合劑之一層纖維狀網絡。該等纖維在該層內係實質上定向成彼此平行。

「抗彈纖維」一詞不僅包含單絲，也包含多絲紗或一平坦條帶及其他。一平坦條帶的寬度較佳地介於2mm和100mm之間，更佳地介於5mm和60mm之間，最佳地界於10mm和40mm之間。一平坦條帶的厚度較佳地介於10μm和200μm之間，更佳地介於25μm和100μm之間。

于本文中使用時，平均厚度係藉由從所定義的區域(前部、後部、左部、右部、冠部)內採取三次量測，每個量測與其他量測間隔至少2cm，並計算平均值。

冠部2係定義成自該頭盔殼體的頂部中心直徑為15cm之一區域。該頂部中心為徑向面和冠狀面的交點。前部3係定義成在該頭盔殼體的前面、且自該徑向面不超過5cm、且在基礎面上方不超過10cm之一區域。後部4係定義成在該頭盔殼體的後面、且自該徑向面不超過5cm、且在基礎面上方不超過10cm之一區域。左部5係定義成在該頭盔殼體的左側、且自該冠狀面不超過7.5cm、且在基礎面上方不超過5cm之一區域。右部6係定義成在該頭盔殼體的右側、且自該冠狀面不超過7.5cm、且在基礎面上方不超過5cm之一區域。針對前部、後部、左部和右部的這些定義對應用於NIJ-0106-01之目標區域。

此一頭盔殼體可藉由堆疊包含單向定向的抗彈纖維和一黏合劑的多層之一程序來製造，藉此在堆疊體中，在一層內的纖維方向對在一鄰接層的纖維方向係處於一角度α。典型上，α係介於5和90度之間，更佳地介於45和90度之間，且最佳地介於75和90度之間。

為了製造該頭盔殼體，該堆疊體係放置在一開放模具中，該模具由一凹(female)部分(亦稱母部)和一凸(male)部分(亦稱公部)所構成，以及隨後，該堆疊體被夾鉗於該模具的一部分，通常是該凹部分。此夾鉗動作係經由一所謂的控制構件來作，且下述的方式來作，該方式為將該堆疊體朝該凹模具部分固定於其位置，但該堆疊體仍能在該模具的關閉期間內滑動和移動，即，該凸部分移入母模具部分時。經由該控制構件之此夾鉗動作可藉由擠壓在其外部區該堆疊體抵住該凹模具部分相配地作成。該控制構件被夾鉗至該模具的一部分之力，範圍較佳地介於50和5000N，較佳地介於100和3000N，且能夠由一熟於此技者透過某些常規實驗來最佳化。

在該堆疊體被夾鉗至該模具的一部分之後，該模具例如藉由將該凸部分移入該凹模具部分而關閉，以及該堆疊體係在溫度和壓力下被硬固成頭盔殼體之形狀。該硬固堆疊體係較佳地在該模具中冷卻，但仍處在壓力下。一旦該硬固堆疊體已被冷卻至典型上為80℃或50℃之一溫度，則該模具就能被開啟，且該硬固堆疊體自該模具鬆釋。此外，該硬固堆疊體可進一步透過如切鋸、研磨、鑽除等已知機械技術來被處理成想要的最終尺寸。

在硬固期間的溫度係選成低於抗彈纖維由於例如熔化而喪失其高機械特性之溫度。在例如通常具有155℃的一熔化溫度之HPPE纖維的情況下，通常使用低於135℃之一模具溫度。最低溫度通常選成能獲得一合理硬固速度。在這方面而言，50℃是一合適的較低溫度限制，較佳地此較低限制為至少75℃，更佳地為至少95℃，最佳地為115℃。

在硬固期間的壓力典型上至少為7MPa、更佳地為至少10MPa，甚至更佳地為至少15MPa，以及最佳地為至少20MPa。以此方式，達到一較佳的抗彈效能。可選地，一低壓力預塑型步驟可預先於此硬固動作。在此預塑型步驟期間的壓力可在2MPa和5MPa之間變化。在預塑型動作之後且在硬固動作之前，該模具可開啟，可查驗氣泡之產生，該等氣泡可隨後藉由例如用一銳利物品刺穿來移除。用以避免氣泡的其他選擇包括在模造期間脫氣或利用真空。

針對硬固的理想時間通常範圍自5至120分鐘，端視諸如溫度、壓力和部分硬度之條件而定，並且能透過常規實驗來改變。典型地，該硬固時間係少於90分鐘；且較佳地少於60分鐘。

如同所描述的一頭盔殼體就其重量方面來說可具有非常好的抗彈特性。典型上，本新型之一頭盔殼體能夠阻擋超過380m/s、較佳地超過400m/s、更佳地超過420m/s之9mm FMJ(全金屬被甲彈)彈藥。更進一步地，本新型之頭盔殼體可具有抗1.1g的碎片模擬拋射體(FSP，fragment simulating projectile)至少800m/s、較佳地至少850m/s、更佳地超過900m/s之一V₅₀。

此一頭盔殼體之一優點是其非常輕。典型上，此一頭盔殼體具有低於800g的一質量。較佳地，其具有自650g至750g之一質量。更佳地，其具有自680g至730g之一質量。

該頭盔殼體可為任何合適的設計。舉例來說，其可為地面部隊個人裝甲系統(PASGT)、MICH或本技術領域中習知的其他設計。為了達到特別輕量，該防彈頭盔殼體係適用於模組式整合通訊頭盔(MICH)設計。特別是，其可適於為亞洲人頭型修改之一MICH設計。此修改為技藝中已知，且牽涉一比標準 MICH更高之左-右：前-後距離比。一特別輕量的設計為MICH高切設計。此典型上具有自500g至650g、更佳地自550g至600g之一質量。頭盔殼體典型上製造成小型、中型和大型尺寸頭盔殼體。本文參照者較佳為中型尺寸的頭盔殼體。一個大的頭盔殼體可大約3%、5%、7%或甚至10%。一個小的頭盔殼體可小約3%、5%、7%或甚至10%。

該防彈頭盔殼體在冠部具有自3.5mm至5.5mm的一平均厚度。典型上，該冠部之平均厚度係自4mm至5mm。較佳地，該冠部之平均厚度係大約4.5mm。

該防彈頭盔殼體在前部和後部各具有自4.5mm至6.5mm的一平均厚度。典型上，該前部和後部的每一者之平均厚度係自5mm至6mm。較佳地，該前部和後部的每一者之平均厚度係大約5.5mm。

該防彈頭盔殼體在左部和右部具有自4.5mm至7.5mm的一厚度。典型上，該左部和右部各自之平均厚度係自5mm至7mm。較佳地，該左部和右部各自之平均厚度係自5.5mm至6.5mm，最佳地係大約6mm。

本新型中的該等抗彈纖維可為無機或有機纖維。

合適的無機纖維例如為玻璃纖維、碳纖維及陶瓷纖維。較佳地，該等無機纖維為由聚丙烯腈(polyacrylonitrile)所製造的碳纖維。

具有此一高拉伸強度之合適的有機纖維例如為芳香族聚醯胺纖維(所謂的聚芳醯胺纖維)，特別是聚(對苯二甲醯對苯二胺(p-phenylene teraphthalamide))、液晶聚合物和階梯狀聚合物纖維，諸如聚苯并咪唑或聚苯并噁唑，特別是聚(1,4-伸苯基-2,6-苯并二噁唑)(PBO)或聚(2,6-伸二咪唑并[4,5-b-4’,5’-e]吡啶基-1,4-(2,5-二羥基)伸苯)(PIPD，也表示為M5)以及例如聚烯烴、聚乙烯醇和聚丙烯腈之纖維，其係高度定向的，藉由像是例如凝膠紡絲技術來獲得。

合適的聚烯烴特別是乙烯和丙烯之均聚物和共聚物，其亦可包含少量之一或更多其他聚合物，特別是其他的烯-1-聚合物。

若線性聚乙烯(PE)被選作成聚烯烴，則會獲得好的結果。線性聚乙烯在此被理解成意指每100個C原子具有小於1側鏈之聚乙烯，以及較佳為每300個C原子具有小於1側鏈；一側鏈或分支通常含有至少10個C原子。該線性聚乙烯可進一步含有至高5mol%的可與其共聚之一或更多其他烯烴，諸如丙烯、丁烯、戊烯、4-甲基戊烯、辛烯之。較佳地，該線性聚乙烯係由具有至少4dl/g、更佳地為至少8dl/g一固有黏度(IV，如在135℃的十氫萘中之溶液中所測定者)之高莫爾質量。此聚乙烯也表示為超高分子量聚乙烯。固有黏度係針對分子量之一測量，其能比例如M_n和M_w之實際莫耳質量參數更簡單地被檢測。雖然在IV和M_w之間有數個經驗關係，但是此關係係高度依賴於分子量分布。基於方程式M_w=5.37 x 10⁴[IV]^1.37(參歐洲專利公開案第EP 0504954 A1號)，4或8dl/g的一IV會分別等同於大約360或930kg/mol之M_w。較佳地，該等抗彈纖維為超高分子量聚乙烯。

較佳地，該等抗彈纖維具有至少約1.2GPa之一拉伸強度及至少40GPa之一拉伸模數。更佳地，該等纖維具有至少2GPa之一拉伸強度，更佳地為至少2.5GPa或最佳地為至少3GPa。這些纖維的優點是它們具有非常強的拉伸強度，使得他們特別合適於在輕量防彈物件中使用。

「黏合劑」一詞表示使纖維在片層內黏接或維持在一起之一材料，該片層包含單向定向纖維和一黏合劑之數個單層，該黏合劑可包封該等纖維於它們的整體或部分內，使得該單層的結構係在預製片層的處理和製造期間內維持。

在一較佳實施例中，該黏合劑為一聚合性基質材料，且可為一熱固性材料或一熱塑性材料或兩者之混合物。在該基質材料為一熱固性聚合物乙烯基酯的情況中，不飽和聚酯、環氧樹脂或酚樹脂係較佳地被選擇成基質材料。在該基質材料為一熱塑性聚合物的情況中，聚胺基甲酸酯、聚乙烯、聚丙烯酸、聚烯烴或諸如聚異丙烯-聚乙烯-丁烯-聚苯乙烯或聚苯乙烯-聚異戊二烯-聚苯乙烯嵌段共聚物之熱塑性彈性體嵌段共聚物係較佳地被選擇成基質材料。較佳地，該黏合劑係由一熱塑性聚合物構成，該黏合劑較佳地完全塗覆一單層內之該等纖維的各別細絲，以及該黏合劑具有至少75MPa、更佳地至少150MPa、及甚至更佳地至少250MPa、最佳地至少400MPa之一拉伸模數(根據在25℃，美國材料和試驗協會(ASTM)D638來決定)。較佳地，該黏合劑具有至少1000MPa之一拉伸模數。此一黏合劑導致包含一單層的一片層之高可撓性，以及一硬固堆疊體中有夠強的勁度。較佳地，該黏合劑為聚胺脂。

典型地，頭盔殼體中的黏合劑的量為最多30質量百分比、更佳地為該頭盔殼體之質量的最多25%或20%。較佳地，該黏合劑係頭盔殼體的重量之12%至20%的數量存在。更佳地，其以13%至18%之一量存在；最佳地大約在15%至16%。此會導致最佳防彈效能。在該等抗彈纖維為條帶的情況中，黏合劑的量仍可較低，例如該頭盔殼體的質量之最多7%、5%或甚至3%。

隨意而定地，本新型的頭盔殼體可包含至少一層，該層包含一第二抗彈纖維和一黏合劑。此層可安置在數個層的堆疊體之內或外表面上、或是介於該堆疊體的兩層之間或兩者的結合，舉例來說，與數個單向排列抗彈纖維和一黏合劑之層體交替。該第二抗彈纖維可自先前列出範圍的抗彈纖維選出。該第二抗彈纖維的該層可包含選自於先前列出的聚合物之黏合劑。較佳地，該單向排列的抗彈纖維為一有機纖維且該第二抗彈纖維為一無機纖維。最佳地，該第二抗彈纖維為碳纖維。

較佳地，包含一第二抗彈纖維和一黏合劑之該層係靠近本新型的頭盔殼體之外表面(或撞擊面)或在其上。變形部分的撞擊面為產品中面對子彈衝擊的那側。包含一第二抗彈纖維之該層可較該頭盔殼體的表面區域小。舉例而言，其可僅存在穿過部分頭盔之一截面。例如，其可採用小盤狀物的形式，位於靠近該冠部。替代地，其可為存在於該頭盔殼體之前部、後部和側部，但不是在冠部。本文之一優點是，隨著根據本新型的技術而獲得之一定形部分，例如以一頭盔的形式，在側向方向中有一較高的硬度。如此意味著，穿戴此頭盔的一人具有例如當他的耳朵受衝擊時之一更加改良的側部保護。

典型地，本新型之頭盔殼體進一步包含至少一層的碳纖維。較佳地，該至少一層的碳纖維係位在靠近該頭盔殼體的外表面或在其上。一層的碳纖維包含織物或不織物，其包括單向定向的，數個碳纖維和一黏合劑，該黏合劑係選自於前文所列出者。

在根據本新型的技術之較佳實施例中，在數層中最靠近衝擊面的至少一者內之該抗彈纖維或該第二抗彈纖維，係嵌入於一熱固性基質。

該頭盔殼體可進一步包含一塗覆物。舉例來說，賦予抗衝擊之一塗覆物易於裝飾或易於自模具釋下。該塗覆物可為聚醯酰胺或聚乙烯。典型上，本新型之頭盔殼體進一步在外表面上包含一塗覆物，其包含聚脲，例如可從美國阿拉巴馬州亨茨維爾的Line-X®得到的Paxcon®。

圖1繪示一MICH型頭盔1。該較佳的頭盔設計係用於本新型。

本新型中所提到的測試技術，如下所述：IV：固有黏度係根據在十氫萘中於135℃的技術美國材料和試驗協會(ASTM)D1601，溶解時間為16小時，以量為2克/升溶液之2,6-二丁基對甲酚(DBPC)作為抗氧化劑，且係藉由推估在不同濃度至零濃度所測量之黏度來測定；側鏈：在一超高分子量聚乙烯(UHMWPE)樣本中側鏈的數目係藉由在一2mm厚的壓縮模製薄膜上FTIR、藉由基於核磁共振(NMR)測量(如同例如歐洲專利第EP 0269151號)使用一校準曲線量化在1375cm^-1之吸收來決定； (在25℃測量的)拉伸特性和拉伸模數(或模數)係使用500mm的纖維之一公稱標距長度，於如同於美國材料和試驗協會(ASTM)D885M、50%/min的十字頭速度中所指明的複絲紗所定義和決定。基於所測量的應力-應變曲線，該模數被決定為介於0.3%和1%之間的梯度。為了模數和強度，所測量的拉伸力係藉由滴定度劃分，如同藉由稱重10公尺的纖維所決定者；GPa之值係假設0.97g/cm³的強度來計算。

V₅₀ 1.1g FSP(碎片模擬拋射體)係根據MIL-STD-662f(1997)決定：射擊係利用1.1克碎片模擬拋射體(FSP)執行。射擊以一意圖FSP(碎片模擬拋射體)為大約等於預期的V₅₀(680公尺/秒)執行。實際的FSP(碎片模擬拋射體)速度曾在撞擊前測量。若發生一穿孔，則次一射擊的速度會以15公尺/秒之一期望量降低(應注意的是，不可能在先前準確設定FSP(碎片模擬拋射體)速度)。爆炸量和衝進的方式允許只有速度之一預估設定。然而，在衝擊之前之速度的測量係非常準確。如果拋射體被停止，則次一預期的FSP(碎片模擬拋射體)速度以15公尺/秒增加。每個頭盔在該頭盔的邊緣周圍以彼此大約相等距離以及在該頭盔的邊緣之約6公分的距離處(因此排除邊緣影響)遭受八次射擊。最後的V₅₀被決定為具有停止之三個最高速度以及產生一穿孔的三個最低速度之平均。相同數目被用於計算標準偏差。針對關聯性，其他射擊被考量為離V₅₀太遠，於是，這些結果被忽略。

V_STOP 9mm FMJ(全金屬被甲彈)係根據NIJ(美國國家司法學會標準)0106.01等級IIA與等級II來實現。該頭盔殼體配有附件，包括條帶、襯墊和配設的外部設備，旦沒有塗覆和受到子彈測試。射擊係利用9mm 124粒度的FMJ執行。射擊係以大約等於預期的V_STOP(436公尺/秒)之一意圖速度來執行。實際穿孔速度係在衝擊前測量。每個頭盔遭受四次射擊。V_STOP被判定為具有一停止之三個最高速度之平均。相同數目被用於計算標準偏差。

範例

一頭盔殼體根據下述程序來製作：

具有53公分乘53公分的尺寸之方形堆疊體係形成以一17wt%聚胺基甲酸酯基質之80層的單向排列超高分子量聚乙烯纖維，藉此在每個單層中的該纖維方向相對於一鄰接單層為90°之一角度。該材料是來自荷蘭Geleen的DSM Dyneema的40層HB210。該堆疊體的表面密度是5.5kg/m²。該堆疊體被夾持置於一頭盔模具的凹部分上方。表面密度係相對於該頭盔殼體的外側表面來測量。

大約2000N的夾持壓力被施加予控制構件，使得堆疊體為平坦且朝向該凹模具部分被固定至其位置，但是使得該堆疊體在該模具關閉期間仍可滑動和移動。該模具係藉由將凸部分插入該模具的凹部分而關閉，藉此該平坦的堆疊體緩慢地抵靠凹模具表面位設。為了使一溫度從凸和凹模具部分轉移至該堆疊體，此關閉係在5分鐘的一時間跨距作為。該模具的溫度係大約130℃。所施加的壓力為2MPa，以及該堆疊體被保留在該模具中，直到該堆疊體的中心之溫度為130℃為止。系統在2MPa下脫氣3次並保持5分鐘。隨後，壓力被增加至大約25MPa的壓縮壓力，以及該堆疊體被維持在此壓力下，以130℃持續15分鐘。接下來，該堆疊體在30分鐘的一期間內以相同的壓縮壓力被冷卻至50℃的溫度。隨後，該模具被打開，以及碎片係自該頭盔切除，以獲得一滑順的頭盔邊緣。

產生的頭盔殼體被秤重，以及平均厚度係利用一非破壞性修改微調測徑器以上文述及方式測量。該頭盔殼體係根據MIL-STD-662f(1997)，針對V₅₀對1.1g FSP(碎片模擬拋射體)來測試。頭盔配件被添增，以及如上文所述，V_STOP對9mm FMJ(全金屬被甲彈)係根據NIJ(美國國家司法學會標準)0106.01。結果顯示於表1。

這些結果指出，具有低於700g的重量之本新型的頭盔殼體能夠阻擋436m/s之9mm FMJ(全金屬被甲彈)。此外，令人驚喜地，本新型的頭盔殼體具有對1.1g FSP(碎片模擬拋射體)超過900m/s之一V₅₀。