一種多功能複合材料防彈頭盔及其製造方法
2023-05-21 17:29:31
一種多功能複合材料防彈頭盔及其製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種多功能複合材料防彈頭盔及其製造方法，該防彈頭盔由高性能碳纖維、芳綸纖維與超高分子量聚乙烯纖維中的兩種或兩種以上製成混雜織物，而後與含特種填料的熱固性/熱塑性複合樹脂膠黏劑製成預浸料，經多材質組合鋪層技術模壓製成，模壓過程在預浸料層間嵌入電子信息部件，該技術成型後的防彈頭盔包括剛性加固層、防彈層、防背凸層、緩衝層及嵌入式電子信息模塊等多重結構，兼備輕量化、強度高、剛度高、耐腐蝕、防彈背凸低、耐水性能好等優點，集成紅外隱身、GPS定位、夜視、視頻傳輸等多種電子信息功能。
【專利說明】一種多功能複合材料防彈頭盔及其製造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及防彈頭盔，特別涉及一種多功能複合材料防彈頭盔及其製造方法。
【背景技術】
[0002]防彈頭盔是一種重要的單兵防護用具，現代防彈頭盔材質的發展經過了從金屬到非金屬複合材料的過程。二次世界大戰期間，世界各國採用的防彈頭盔主要為高錳鋼或特種鋼衝壓製備，該金屬材質防彈頭盔存在重量大、防彈性能不穩定、導電性能高、隔熱性能低、彈丸二次反彈等嚴重問題。隨著高性能纖維的出現和技術發展，韌性高、拉伸強度大、模量高的特種纖維增強複合材料逐漸成為鋼盔的主要替代材質，纖維增強複合材料非金屬防彈頭盔主要由玻璃纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等高性能纖維樹脂基複合材料製成，其中具有較好防彈性能的非金屬複合材料頭盔主要為芳綸纖維防彈頭盔和超高分子量聚乙烯纖維防彈頭盔。
[0003]鑑於芳綸纖維價格昂貴，而且在紫外線及潮溼環境下的耐久度較差，所以由芳綸纖維複合材料製備的防彈頭盔壽命較短，不利於市場大量推廣應用。超高分子量聚乙烯纖維作為另外一種防彈效果優異的高性能纖維，不僅具有突出的力學特性，而且與芳綸纖維相比，其密度低、耐水性好、耐紫外線輻照性能優異、耐酸鹼老化特性較好。特別是美國聯合信號公司以超高分子量聚乙烯纖維材質為基礎發明的單向纖維排列技術(無緯布技術)，將超高分子量聚乙烯纖維的防彈性能發揮到極致，這種單向排列形式的超高分子量聚乙烯纖維織物(簡稱UHMWPE纖維無緯布)有利於衝擊波的瞬間快速擴散，可產生纖維集合體協同防彈的優異效果，該技術使超高分子量聚乙烯纖維複合材料成為可超越芳綸纖維的首選防彈材料。
[0004]目前超高分子量聚乙烯纖維複合材料防彈頭盔，主要以超高分子量聚乙烯纖維和熱塑性樹脂複合而成的無緯布預浸料為原料，通過無緯布交替疊層技術模壓製成。由於熱塑性樹脂的模量較低，而且超高分子量聚乙烯纖維的高溫蠕變性能較強，所以該單一材質的防彈頭盔存在硬度低、剛度差、耐溫性能不強且彈丸侵徹後背凸較大等諸多問題。而且隨著科學技術的發展，現代化武器已經大量裝備士兵，紅外跟蹤探測、GPS定位、紅外熱感等功能已經成為高科技武器的必備功能，而非金屬複合材料防彈頭盔目前僅有的單一防護功能已經顯得捉襟見肘，逐漸適應不了電子信息技術無處不在的現代戰場環境。
【發明內容】
[0005]本發明為解決上述技術問題，提供了一種多功能複合材料防彈頭盔及其製造方法。具體技術方案如下:
[0006]一種多功能複合材料防彈頭盔，其特徵在於，包括帶紅外隱身特性的頭盔外側剛性加固層、頭盔中間防彈層、頭盔內側加固層、硬質防背凸層、軟質緩衝層，所述的複合材料是由纖維增強體與樹脂膠黏劑複合而成，含膠量為10?40%，纖維增強體為纖維混雜編織物，樹脂膠黏劑為改性熱固性/熱塑性樹脂，鋪層方式為多材質組合鋪層方案，各層材質、編織方式彼此獨立，採用一體化模壓成型技術加工而成(本方案中所述含膠量皆為質量百分比)。
[0007]進一步地，所述頭盔外層剛性加固層選用碳纖維與芳綸纖維中的一種或兩種，所述頭盔中間防彈層選用超高分子量聚乙烯纖維、碳纖維中的一種或多種；所述頭盔內側加固層選用碳纖維與芳綸纖維中的一種或多種，所述頭盔最內側分別選用碳纖維構成硬質防背凸層、以軟質矽膠層為緩衝層。
[0008]本發明多功能複合材料防彈頭盔為多材質組合式鋪層結構，基於特定槍彈防護級別要求和頭盔整體力學性能要求，根據子彈侵徹混雜纖維複合材料的破壞機理差異，合理設計混雜纖維複合材料的材質及鋪層數量，其中頭盔外層選用碳纖維與芳綸纖維中的一種或兩種為剛性加固層；頭盔中間層選用超高分子量聚乙烯纖維、碳纖維中的一種或多種為防彈層；頭盔內層選用碳纖維與芳綸纖維中的一種或多種為剛性加固層，頭盔最內側分別選用碳纖維構成硬質防背凸層、以軟質矽膠層為緩衝層。
[0009]優選的是，所述頭盔外層剛性加固層選用碳纖維，含膠量為20?40%，所述頭盔中間防彈層選用超高分子量聚乙烯纖維和碳纖維，含膠量為10?40% ;所述頭盔內側加固層選用碳纖維，含膠量為20?40%，所述頭盔最內側選用碳纖維構成硬質防背凸層，含膠量為30?40% ;以軟質矽膠層為緩衝層。
[0010]優選的是，所述的樹脂膠黏劑中添加有紅外隱身材料，其重量百分比為O?20%。所述的特種填料為在特定紅外波段具有較強吸收特性的紅外隱身材料，例如摻雜氧化物半導體、摻雜光子晶體和相變微膠囊(PCM)等相關材料。
[0011]優選的是，所述的樹脂為改性環氧樹脂、酚醛樹脂、不飽和聚酯樹脂、聚氨酯樹脂、聚乙烯樹脂中的一種。本發明多功能複合材料防彈頭盔的樹脂膠黏劑為添加特種填料的熱固性樹脂與熱塑性樹脂的複合樹脂膠液，根據防彈頭盔的紅外隱身功能要求，特種填料可以選擇在特定紅外波段具有較強吸收特性的紅外隱身材料；根據混雜纖維之間的粘接強度要求，調整不同配比，配製熱固性/熱塑性複合樹脂膠液，熱固性樹脂選用改性環氧樹脂、酚醛樹脂、不飽和聚酯樹脂等，熱塑性樹脂選用聚氨酯樹脂、聚乙烯樹脂等。
[0012]優選的是，所述各層的編織方式選自平紋、斜紋、緞紋、籃紋、席紋、多向縫編中的一種，單層編織體厚度根據防彈級別而定，單層厚度在0.1mm?1mm可調。
[0013]優選的是，所述的鋪層方案採用混雜纖維預浸料多材質組合鋪層方案，總體鋪層厚度在2?1mm內可調。
[0014]優選的是，所述的成型技術採用預浸料層間內嵌電子信息部件的一體化模壓成型技術。本發明多功能複合材料防彈頭盔的加工為模壓式一體成型技術，其關鍵技術為模壓成型中內嵌多功能電子信息元件，使防彈頭盔在具備優良防護功能的同時，兼備GPS定位、夜視、視頻傳輸等多種特殊功能，整個成型過程無需增加工序。
[0015]優選的是，所述電子信息部件為帶有GPS定位、夜視或視頻傳輸功能的晶片元件。本發明通過多種纖維混雜織物與含特種填料的樹脂膠黏劑複合製備預浸料，採用特殊組合鋪層結構設計方案和模壓成型工藝，並在壓制過程中的預浸料層間嵌入電子信息部件，最終旨在研製一種兼備輕量化、高強度、高剛度、耐腐蝕、耐溼熱、低背凸等優異特性，同時集成紅外隱身、GPS定位、夜視、視頻傳輸等多種電子信息功能的高性能混雜纖維複合材料防彈頭盔，本發明對目前軍用、警用等領域防彈頭盔的功能集成化、輕量化及防彈特性的提升具有重要應用價值。
[0016]一種多功能複合材料防彈頭盔的製造方法，包括以下步驟:
[0017](I)選用碳纖維與芳綸纖維混雜織物為纖維增強體，選用填料改性的複合樹脂膠黏劑為基體，製備兼顧紅外隱身特性和高剛度特性的頭盔外層剛性加固層預浸料，
[0018](2)選用超高分子量聚乙烯纖維、碳纖維的混雜織物為纖維增強體，選用複合樹脂膠黏劑為基體，製備中間防彈層預浸料，
[0019](3)選用碳纖維與芳綸纖維混雜織物為纖維增強體，選用複合樹脂膠黏劑為基體，製備頭盔內層剛性加固層預浸料，
[0020](4)選用碳纖維織物為纖維增強體，選用複合樹脂膠黏劑為基體製備內側硬質防背凸層預浸料，
[0021](5)選用軟質矽膠為頭盔內側緩衝層，
[0022](6)將上述(1)-(5)項所製備的預浸料，按頭盔外側至內側鋪層順序，依次為「紅外隱身/外側剛性加固層一中間防彈層一內側剛性加固層一硬質防背凸層一內側軟質緩衝層」，採用此種組合式鋪層結構方案進行預浸料疊層，
[0023](7)在預浸料特定層間，內嵌入具備GPS定位、夜視或視頻傳輸功能的電子信息部件，之後將疊層預浸料一體模壓成型，即得；模壓一體化成型工藝如下:冷態模壓預成型時的壓力為IMPa-lOMPa，模壓時間為5min-30min ;熱態模壓成型時的溫度為110°C _130°C，壓力為5MPa-30MPa，熱固模壓時間為10min_50min。
[0024]本發明多功能複合材料防彈頭盔的纖維增強體可選擇超高分子量聚乙烯纖維、碳纖維、芳綸纖維中的兩種或多種纖維混雜，如「超高分子量聚乙烯纖維+碳纖維」混雜織物、「芳綸纖維+碳纖維」混雜織物、「超高分子量聚乙烯纖維+碳纖維+芳綸纖維」混雜織物等，其中織物形式(單向、平紋、斜紋、緞紋等)和混雜纖維比例可根據不同防彈頭盔產品對防彈性能和力學性能的要求靈活調整。
[0025]與現有的防彈頭盔技術相比，本發明具有如下優點:
[0026]發揮超高分子量聚乙烯纖維、芳綸纖維的優異韌性和碳纖維的優異強度、剛度，該防彈頭盔同時具備輕量化、較強防彈性能(防彈背凸小)和突出力學性能(高強度、高剛度)，同時不受高低溫、潮溼及紫外輻照等的限制，環境耐久度好；該複合材料防彈頭盔採用特種改性複合樹脂基體，盔體表面具備特定波段紅外隱身特性；採用內嵌電子信息部件的組合式鋪層設計，具有GPS定位、夜視、視頻傳輸等電子集成功能。
[0027]本發明通過利用多種高纖維的混雜編織及組合鋪層技術，較好的解決了單一材質非金屬複合材料頭盔的防彈背凸較大、環境耐久度低、集成化功能較弱等問題，該多功能複合材料頭盔的適用範圍廣，可適用於部隊、公安、武警、安保等各種領域，極大提高了士兵、警察、保安等執法人員的安全保障。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]圖1本發明的多功能複合材料防彈頭盔整體結構示意圖，頭盔複合材料結構由(帶紅外隱身特性)外側剛性加固層1、中間防彈層2、內側加固層3、硬質防背凸層4以及軟質緩衝層5構成。
[0029]圖2為以上複合材料頭盔局部結構示意圖。
【具體實施方式】
[0030]以下通過實施例的方式進一步說明本發明，但並不因此將本發明限制在所述的實施例範圍之中。下列實施例中未註明具體條件的實驗方法，按照常規的方法和條件進行選擇。
[0031]實施例一
[0032]以超高分子量聚乙烯纖維與高性能碳纖維為纖維原料，分別採用改性熱塑性聚氨酯和改性環氧樹脂為膠黏劑，生產本發明多功能複合材料防彈頭盔的具體實施例如下:
[0033]選用碳纖維與改性環氧樹脂複合製備單向預浸布為具備隱身特性的內外側剛性加固層，含膠量控制在40% ;以超高分子量聚乙烯纖維與碳纖維混雜排布，浸潰改性熱塑性聚氨酯樹脂製備預浸布為中間防彈層，含膠量控制在25% ;以碳纖維與改性環氧樹脂複合製備平紋預浸布為硬質防背凸層，含膠量控制在40% ;以軟質矽膠為防彈緩衝層；採用以上預浸料按「紅外隱身/外側剛性加固層一中間防彈層一內側剛性加固層一硬質防背凸層一內側軟質緩衝層」結構組合，重量百分比依次為(5% ) - (75% ) - (5% ) - (10% ) - (5% );剪裁後在頭盔模具內鋪層；在中間厚度層內嵌入帶有GPS定位功能的晶片元件，採用冷壓預成型和熱壓一體成型的工藝，模壓一體化成型工藝如下:冷態模壓預成型時的壓力為5MPa，模壓時間為1min ;熱態模壓成型時的溫度為110°C，壓力為20MPa，熱固模壓時間為20min。最終獲得厚度為7mm的防彈頭盔產品O
[0034]實施例二
[0035]以芳綸纖維與碳纖維為纖維原料，分別採用改性熱塑性聚氨酯和改性環氧樹脂為膠黏劑，生產本發明多功能複合材料防彈頭盔的具體實施例如下:
[0036]選用碳纖維與改性環氧樹脂複合製備單向預浸布為具備隱身特性的內外側剛性加固層，含膠量控制在35% ;以芳綸纖維與碳纖維混雜排布，浸潰改性熱塑性聚氨酯樹脂製備預浸布為中間防彈層，含膠量控制在30% ;以碳纖維與改性環氧樹脂複合製備平紋預浸布為硬質防背凸層，含膠量控制在35% ;以軟質矽膠為防彈緩衝層；採用以上預浸料按「紅外隱身/外側剛性加固層一中間防彈層一內側剛性加固層一硬質防背凸層一內側軟質緩衝層」結構組合，重量百分比依次為(4% ) — (79% ) — (4% ) — (8% ) — (5% );剪裁後在頭盔模具內鋪層；在表面層嵌入帶有視頻傳輸功能的晶片元件，採用冷壓預成型和熱壓一體成型的工藝，模壓一體化成型工藝如下:冷態模壓預成型時的壓力為8MPa，模壓時間為5min ;熱態模壓成型時的溫度為120°C，壓力為30MPa，熱固模壓時間為40min。最終獲得厚度為8mm的防彈頭盔產品。
[0037]實施例三
[0038]以超高分子量聚乙烯纖維與碳纖維為纖維原料，分別採用改性聚乙烯樹脂和改性酚醛樹脂為膠黏劑，生產本發明多功能複合材料防彈頭盔的具體實施例如下:
[0039]選用碳纖維與改性酚醛樹脂複合製備單向預浸布為具備隱身特性的內外側剛性加固層，含膠量控制在40% ;以超高分子量聚乙烯纖維與碳纖維混雜排布，浸潰改性聚乙烯樹脂製備預浸布為中間防彈層，含膠量控制在20% ;以碳纖維與改性酚醛樹脂複合製備緞紋預浸布為硬質防背凸層，含膠量控制在40%;以軟質泡沫為防彈緩衝層；採用以上預浸料按「紅外隱身/外側剛性加固層一中間防彈層一內側剛性加固層一硬質防背凸層一內側軟質緩衝層」結構組合，重量百分比依次為(3% ) — (84% ) - (3%) - (6%) - (4% )；剪裁後在頭盔模具內鋪層；在中間厚度層內嵌入帶有夜視功能的晶片元件，採用冷壓預成型和熱壓一體成型的工藝，模壓一體化成型工藝如下:冷態模壓預成型時的壓力為9MPa，模壓時間為20min ;熱態模壓成型時的溫度為125°C，壓力為25MPa，熱固模壓時間為50min。最終獲得厚度為7mm的防彈頭盔產品。
[0040]實施例四
[0041]以超高分子量聚乙烯纖維、芳綸纖維與碳纖維為纖維原料，分別採用改性熱塑性聚氨酯和改性環氧樹脂為膠黏劑，生產本發明多功能複合材料防彈頭盔的具體實施例如下:
[0042]選用碳纖維與改性環氧樹脂複合製備斜紋預浸布為內外側剛性加固層，含膠量控制在35% ;以超高分子量聚乙烯纖維與芳綸纖維混雜單向排布，浸潰改性熱塑性聚氨酯樹脂製備單向預浸布為中間防彈層，含膠量控制在20% ;以碳纖維與改性環氧樹脂複合製備斜紋預浸布為硬質防背凸層，含膠量控制在35% ;以軟質矽膠為防彈緩衝層；採用以上預浸料按「外側剛性加固層一中間防彈層一內側剛性加固層一硬質防背凸層一內側軟質緩衝層」結構組合，重量百分比依次為(3% ) — (85% ) - (3%) - (6%) - (3% );剪裁後在頭盔模具內鋪層；在中間厚度層內嵌入帶有GPS定位功能的晶片元件，採用冷壓預成型和熱壓一體成型的工藝，模壓一體化成型工藝如下:冷態模壓預成型時的壓力為lOMPa，模壓時間為15min ;熱態模壓成型時的溫度為130°C，壓力為25MPa，熱固模壓時間為45min。最終獲得厚度為8mm的防彈頭盔產品。
[0043]上述雖然結合附圖對本發明的【具體實施方式】進行了描述，但並非對本發明保護範圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護範圍以內。
【權利要求】
1.一種多功能複合材料防彈頭盔，其特徵在於，包括帶紅外隱身特性的頭盔外側剛性加固層、頭盔中間防彈層、頭盔內側加固層、硬質防背凸層、軟質緩衝層，所述的複合材料是由纖維增強體與樹脂膠黏劑複合而成，含膠量為10?40%，纖維增強體為纖維混雜編織物，樹脂膠黏劑為改性熱固性/熱塑性樹脂，鋪層方式為多材質組合鋪層方案，各層材質、編織方式彼此獨立，採用一體化模壓成型技術加工而成。
2.如權利要求1所述的頭盔，其特徵在於，所述頭盔外層剛性加固層選用碳纖維與芳綸纖維中的一種或兩種，所述頭盔中間防彈層選用超高分子量聚乙烯纖維、碳纖維中的一種或多種；所述頭盔內側加固層選用碳纖維與芳綸纖維中的一種或多種，所述頭盔最內側分別選用碳纖維構成硬質防背凸層、以軟質矽膠層為緩衝層。
3.如權利要求2所述的頭盔，其特徵在於，所述頭盔外層剛性加固層選用碳纖維，含膠量為20?40 %，所述頭盔中間防彈層選用超高分子量聚乙烯纖維和碳纖維，含膠量為10?40% ;所述頭盔內側加固層選用碳纖維，含膠量為20?40%，所述頭盔最內側選用碳纖維構成硬質防背凸層，含膠量為30?40% ;以軟質矽膠層為緩衝層。
4.如權利要求1所述的頭盔，其特徵在於，所述的樹脂膠黏劑中添加有紅外隱身材料，紅外隱身材料的重量百分比為O?20%。
5.如權利要求1所述的頭盔，其特徵在於，所述的樹脂為改性環氧樹脂、酚醛樹脂、不飽和聚酯樹脂、聚氨酯樹脂、聚乙烯樹脂中的一種。
6.如權利要求1所述的頭盔，其特徵在於，所述各層的編織方式選自平紋、斜紋、緞紋、籃紋、席紋、多向縫編中的一種，單層厚度在0.1mm?1mm之間。
7.如權利要求1所述的頭盔，其特徵在於，所述的鋪層方案採用混雜纖維預浸料多材質組合鋪層方案，總體鋪層厚度在2?1mm之間。
8.如權利要求1所述的頭盔，其特徵在於，所述的成型技術採用預浸料層間內嵌電子信息部件的一體化模壓成型技術。
9.如權利要求8所述的頭盔，其特徵在於，所述電子信息部件為帶有GPS定位、夜視或視頻傳輸功能的晶片元件。
10.一種多功能複合材料防彈頭盔的製造方法，其特徵在於，包括以下步驟: (1)選用碳纖維與芳綸纖維混雜織物為纖維增強體，選用填料改性的複合樹脂膠黏劑為基體，製備兼顧紅外隱身特性和高剛度特性的頭盔外層剛性加固層預浸料， (2)選用超高分子量聚乙烯纖維、碳纖維的混雜織物為纖維增強體，選用複合樹脂膠黏劑為基體，製備中間防彈層預浸料， (3)選用碳纖維與芳綸纖維混雜織物為纖維增強體，選用複合樹脂膠黏劑為基體，製備頭盔內層剛性加固層預浸料， (4)選用碳纖維織物為纖維增強體，選用複合樹脂膠黏劑為基體製備內側硬質防背凸層預浸料， (5)選用軟質矽膠為頭盔內側緩衝層， (6)將上述(1)-(5)項所製備的預浸料，按頭盔外側至內側鋪層順序，依次為「紅外隱身/外側剛性加固層一中間防彈層一內側剛性加固層一硬質防背凸層一內側軟質緩衝層」，採用此種組合式鋪層結構方案進行預浸料疊層， (7)在預浸料特定層間，內嵌入具備GPS定位、夜視或視頻傳輸功能的電子信息部件，之後將疊層預浸料一體模壓成型，即得；模壓一體化成型工藝如下:冷態模壓預成型時的壓力為IMPa-lOMPa，模壓時間為5min-30min ;熱態模壓成型時的溫度為110°C _130°C，壓力為5MPa-30MPa，熱固模壓時間為10min_50min。
【文檔編號】B32B27/12GK104236393SQ201410472277
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月16日 優先權日:2014年9月16日
【發明者】朱波, 曹偉偉, 王寶剛 申請人:山東大學, 北京勤達遠致新材料科技股份有限公司