三維角聯鎖織物增強頭盔殼體的制備及其抗沖擊性能研究

高 歡 陳曉鋼 BILAL ZAHID 季 濤

1. 南通大學，江蘇 南通 226000； 2. 曼徹斯特大學， 曼徹斯特 M13 9PL，英國； 3. NED工程技術大學， 卡拉奇 75270，巴基斯坦

頭盔主要用于人們在軍事、警務、消防、運動和休閑等活動中對頭部進行保護，以減輕各種形式的外部沖擊，避免佩戴者受到傷害。據英軍統計，戰場上佩戴頭盔可降低19%的死亡率[1]。伊拉克戰爭時期，美軍因頭頸部受傷害而導致的傷亡約占70%[2]。我國每年道路交通事故死亡人員中，頭部損傷約占66%，騎摩托車和自行車者頭部損傷占比更高[3]，而騎行時佩戴頭盔可降低85%的頭部受傷風險[4]。

現代頭盔大多由高性能纖維增強復合材料制成。與傳統的金屬材料和熱塑性材料相比，復合材料頭盔殼體不僅有效地減輕了質量，還顯著地提高了防護性能。常規的復合材料頭盔殼體多選用二維織物，即先將織物切成大小不一的條狀，再采用手糊法平鋪于陰模之上，固化后形成頭盔殼體[5-6]。Min等[7]比較了連續與不連續纖維增強復合材料的抗沖擊性能。結果表明，連續纖維增強復合材料對沖擊能量的吸收值較不連續纖維增強復合材料提高了19.3%，原因與后者的纖維不連續，導致材料應力集中，降低了材料對沖擊能量的吸收有關。Cox等[8]研究表明，采用整片三維織物增強的復合材料比二維層壓材料具有更好的抗分層性。王彥杰等[9]研究了芳綸針織物制作頭盔殼體的手糊成型方法。謝婉晨[10]研究了采用陰模模具在真空輔助條件下制備頭盔殼體的方法。

本文將利用三維角聯鎖織物良好的可模塑性[11]，采用真空輔助懸垂技術(VADT)和真空輔助樹脂傳遞模塑(VARTM)工藝相結合的方法，使用陽模模具，制備由整片織物增強的頭盔殼體，并研究其抗沖擊性能。

1 試驗部分

1.1 增強用三維角聯鎖織物的織造

經紗和緯紗均選用168 tex 的Twaron?芳綸長絲，其主要性能包括密度1.44 g/cm3、抗拉強度3.6 GPa、 斷裂強度2.45 N/tex、模量80.0 GPa、斷裂伸長率3.3%等。

利用George Wood Shepshed Leics織布機織造三維角聯鎖織物，上機圖如圖1所示。織物組織采用五層角聯鎖結構，經紗密度為8.5根/cm，緯紗密度為26.0根/cm，門幅70 cm。織造過程中向長絲噴水以減少單絲的纏繞與打結。

圖1 三維角聯鎖織物的上機圖

1.2 復合材料頭盔殼體的制備

將制得的三維角聯鎖織物覆于頭盔殼模具之上。由于VARTM工藝過程中易造成織物的不平整，因此先采用VADT對覆蓋于模具之上的織物進行處理，再采用VARTM工藝加以成型。

VADT具體操作過程：

(1) 頭盔殼模具表面先覆蓋隔離膜，再鋪放已裁剪成70 cm×70 cm的三維角聯鎖織物。因角聯鎖結構具有可模塑性，故施加適當的拉力可使三維角聯鎖織物與模具充分貼合。

(2) 對模具邊緣處的織物涂覆環氧樹脂，用折疊夾固定，剪去超出模具外的多余織物。

(3) 制作真空袋包覆頭盔殼模具，抽真空，撤去折疊夾，使織物完全貼附于頭盔殼模具之上，以避免后續注塑過程中織物褶皺的形成。

(4) 放置24 h，等待環氧樹脂固化。

(5) 剝去真空袋，用剪刀修剪模具外多余的織物，所得包覆芳綸織物的頭盔殼體模具照片如圖2所示。

VARTM工藝操作過程如圖3所示，具體為：

(1) 將VADT處理獲得的包覆芳綸織物的頭盔殼體模具裹上一層脫模布[圖3b)]，表面覆蓋導流網[圖3c)]，導流螺旋管放于頂部[圖3d)]。

圖2 VADT處理后所得頭盔殼體

(2) 樹脂導管放置于模具一側的下方，作為樹脂入口；真空管放置于模具另一側的上方，連接真空泵，作為空氣和多余樹脂的出口。將塑料膜覆蓋于頭盔殼體之上，制成真空袋[圖3e)]。

(3) 打開真空泵，將真空袋內真空度抽至-0.1 MPa。 將IN2環氧樹脂與AT30硬化劑(Easy CompositesTM)按質量比100∶30混合均勻，注入樹脂導管，使織物在真空條件下充分浸漬 [圖3f)]。

(4) 室溫下放置24 h，待樹脂固化后脫模，即制得復合材料頭盔殼體(圖4)。

圖3 VARTM工藝制備復合材料頭盔殼體的過程

圖4 采用VADT與VARTM工藝制得的復合材料頭盔殼體

本文將利用三維角聯鎖織物，采用VADT和VARTM工藝，制備單層和雙層復合材料頭盔殼體。

1.3 頭盔殼體的性能測試

1.3.1 厚度

按照PSDBProtectiveHeadwearStandardforUKPolice(2004)[12]標準測試單層頭盔殼體的厚度。以基本平面(外耳道和眼窩下緣水平的平面)、冠狀中平面、矢狀中平面為基準(圖5)，在頭盔殼頂部、后部和側面取2 cm×2 cm的區域，用螺旋千分尺測量頭盔殼厚度，每個部位測5次， 結果取平均值。

圖5 頭型基本平面示意

1.3.2 密度

按照BS EN ISO 1183-1∶2019[13]標準測試單層頭盔殼體的密度。取頭盔頂部、后部和側面尺寸為2 cm×2 cm的試樣各5塊，分別測量試樣在空氣中的質量(m1)和水中的質量(m2)。取水的密度(ρ水)為0.998 g/cm3，根據式(1)計算出試樣的密度(ρs)：

(1)

1.3.3 曲率

通過Rhinoceros建立單層頭盔殼體的幾何模型(圖6)[14]。圖6中，P點是頭盔殼體上兩條互相垂直的弧線的交點。d和l分別為頭盔殼體上弧線對應的高度和弦長。根據勾股定理可推導出弧線對應的半徑R的計算式[式(2)]，再根據半徑R可計算出頭盔殼體表面P點的曲率C[式(3)]。由于P點是取兩條互相垂直的弧線的交點，故P點對應兩個曲率即雙曲率C1和C2。

圖6 頭盔殼體集合模型

(2)

(3)

1.3.4 抗沖擊性能

根據NIJ 0104.02[15]標準，使用Dynatup 8200落錘沖擊測試機測試單層頭盔殼體的抗沖擊性能，落錘質量取4.66 kg。本文分別以5.6、15.6和25.6 J的沖擊能量對單層頭盔殼體的3個部位即側面、后部和頂部進行沖擊測試；以25.6 J的沖擊能量對雙層頭盔殼體的3個部位即側面、后部和頂部進行沖擊測試。利用能量吸收率(η)和力衰減系數(fatt)表征頭盔殼體的抗沖擊性能，其中fatt用于表征材料對碰撞的阻擋效果。

(4)

式中：E——吸收能量；

K——沖擊能量。

(5)

式中：Ft——抗沖擊試驗中從頭盔殼體內表面收集并測得的傳遞力，即剩余沖擊力；

F——沒有試樣的情況下直接作用于砧板的沖擊力。

2 結果與討論

2.1 單層頭盔殼體的厚度

經測試發現，單層頭盔殼體側面和后部的平均厚度均為0.988 mm，頂部的厚度為0.890 mm。頂部的厚度較側面和后部薄，這與三維角聯鎖織物的剪切特性有關[16]。頭盔殼體的頂部是織物的非剪切區域，而側面和后部在懸垂時會出現剪切現象。真空成型的過程中，非剪切區域的三維角聯鎖織物具有更多的可壓縮空間。

2.2 單層頭盔殼體的密度

經測試得到，單層頭盔殼體頂部、側面和后部的密度分別為1.219、1.216和1.213 g/cm3。不同部位的密度接近，表明VADT和VARTM工藝相結合，可制備質地均勻的復合材料頭盔殼體。

2.3 單層頭盔殼體的曲率

圖7顯示了頭盔殼體側面、后部和頂部三個點的雙曲率。可以看出，頭盔殼體頂部位置的雙曲率最高，頭盔側面的雙曲率最低。

圖7 頭盔殼體不同部位的雙曲率

2.4 頭盔殼體的抗沖擊性能

2.4.1 能量吸收率

圖8為單層頭盔殼體三個部位即側面、后部和頂部對不同沖擊能量的能量吸收率；圖9對比了單層和雙層頭盔殼體三個部位對25.6 J沖擊能量的能量吸收率。

圖8 單層頭盔殼體不同部位對不同沖擊能量的能量吸收率

圖9 單層和雙層頭盔殼體不同部位對25.6 J沖擊能量的能量吸收率

從圖8可以看出，單層頭盔殼體不同部位的能量吸收率有顯著區別。單層頭盔殼體受撞擊時，頂部吸收的能量最多，側面吸收的能量最少。其中，當沖擊能量為5.6 J時，單層頭盔殼體頂部的能量吸收率達69.81%。這一方面是由于頭盔殼體受撞擊時沖擊能量以應力波的形式向四周傳遞，頭盔頂部到邊緣的距離較長，能量能散布在更寬的區域上。另一方面是由于頭盔殼體系穹頂形結構，殼體曲率對抗沖擊性能有很大的影響。曲率越大，抗沖擊性能越好。頂部的曲率相較于頭盔殼體的其他部位大，故頂部的能量吸收率高。這一規律已在文獻[14]中得到佐證。

圖9也顯示了雙層頭盔殼體受到撞擊時頂部吸收的能量最多、側面吸收的能量最少的特性。此外，雙層頭盔殼體較單層頭盔殼體的能量吸收率有所提高，其中，頂部的能量吸收率比單層頭盔殼體頂部高出5.11%。這是由于頭盔殼體中增強纖維含量越高，則應力波傳遞速度越快，擴散的沖擊能量越多，故能量吸收效果越好[17]。

2.4.2 力衰減系數

材料受到沖擊時，能量會從受沖擊的材料的一面傳遞到材料的另一面。在這過程中，試樣對沖擊力也起到了阻擋作用。力衰減系數可表征試樣對沖擊力的阻擋效果，力衰減系數越高則試樣對沖擊力的阻擋效果越好。對于同一厚度的復合材料，測得的剩余沖擊力與沖擊速度呈正比[18]，即沖擊速度越大，所產生的沖擊能量越大，傳遞到防護材料另一面的剩余沖擊力越大。

圖10顯示了單層頭盔殼體三個部位即側面、后部和頂部對不同沖擊能量的力衰減系數；圖11對比了單層和雙層頭盔殼體三個部位對25.6 J沖擊能量的力衰減系數。

圖10 單層頭盔殼體不同部位對不同沖擊能量的力衰減系數

圖11 單層和雙層頭盔殼體不同部位對25.6 J沖擊能量的力衰減系數

由圖10可知：力衰減系數隨沖擊能量的增加而減小；單層頭盔殼體頂部的力衰減系數始終高于側面和后部，且側面和后部的力衰減系數無顯著差異。其中，當沖擊能量為5.6 J時，單層頭盔殼體頂部的力衰減系數達26.09%。

由圖11可知：雙層頭盔殼體的抗沖擊表現與單層頭盔殼體相同，頭盔殼體頂部的力衰減系數始終高于側面和后部。這一表現與曲率有關，高曲率區域其支撐、拉伸和壓縮負載性能好，故對沖擊能量的阻擋效果明顯。與單層頭盔殼體相比，由雙層織物增強的雙層頭盔殼體中纖維體積分數較高，加之纖維的彈性模量遠大于樹脂的彈性模量，故雙層頭盔殼體表現出更大的力衰減系數。其中，雙層頭盔殼體頂部的力衰減系數為單層頭盔殼體頂部的1.25倍。

此外，隨著沖擊能量的增加，最大沖擊力增大且沖擊作用時間減少，即沖擊力增速增大，沖擊力峰值提前，故對材料造成的沖擊損傷增大。

3 結論

(1) 以168 tex的芳綸長絲織造的三維角聯鎖織物作為頭盔殼體的增強材料，再采用VADT和VARTM工藝相結合的方法，可制作出光滑無褶皺的復合材料頭盔殼體。

(2) 頭盔殼體不同部位的曲率不同，其抗沖擊性能也不同。頭盔殼體頂部的曲率最高，其沖擊防護性能更好，側面和后部的防護效果不及頂部。當沖擊能量為5.6 J時，單層頭盔殼體頂部的能量吸收率和力衰減系數均達到最高(分別為69.81%和26.09%)。提高頭盔殼體后部和側面的曲率可改善頭盔殼體的整體防護性能。

(3) 在25.6 J沖擊能量的作用下，雙層頭盔殼體比單層頭盔殼體表現出更好的抗沖擊性能，其頂部位置的能量吸收率較單層頭盔殼體頂部高出5.11%，力衰減系數為單層頭盔殼體的1.25倍。