CN107149194B - 一种镶嵌式合金框架承重的消防头盔 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种消防头盔，包括：合金框架；增强块体，所述增强块体镶嵌在合金框架镂空部位，通过卡槽固定，与合金框架形成盔体；设置于盔体内表面的第一耐热层；设置于第一耐热层表面的气凝胶层；设置于盔体外表面的第二耐热层。与现有技术相比，本发明采用合金框架、框架上嵌入增强块体、气凝胶等材料进行复合减震的方式制备消防头盔，以合金框架作为主要抗冲击体，采用增强块体作为次要抗冲击和抗侵彻体，气凝胶作为隔热层，制备复合强化的消防头盔，这种头盔具有良好的抗冲击性能而且质量较轻，能够更有效的保护人体，减少人体在火灾现场受到的伤害。

Description

一种镶嵌式合金框架承重的消防头盔

技术领域

本发明涉及头盔技术领域，尤其涉及一种镶嵌式合金框架承重的消防头盔。

背景技术

在火灾扑救和抢险救援中，消防员的头部往往会受到来自火场的热、烟、毒、辐射、电击、外力冲击等的伤害。消防头盔可以对消防员的头部进行整体防护。火场环境对消防员头部伤害一般可分为热环境伤害、机械外力伤害以及电泄漏伤害，机械外力伤害包括物体打击、高处坠落。

有研究表明，盔-头-颈系统是非线性的，其响应也是非线性的，当作用力增大时，颈部受力，盔-头相对位移及头部加速度都非线性增大。头盔受到越坚硬的物块撞击，其冲击力作用时间就越短。撞击物刚度和硬度越小，冲击力作用时间就越长。同一大小冲击力作用于盔顶，作用时间越长，盔-头相对位移大，但颈部受力和头部加速度就小。悬挂刚度越大，缓冲能力就越差，传到颈部的力就越大，完全起不到缓冲作用，头部加速度也随着刚度变大而增大。盔-头相对位移则随着刚度变大而减小。头质量大的人，盔-头相对位移就大，颈部受力变小，即头质量大的人能承受更大的冲击力。颈部刚度大的人，传到颈部的力也大，而头部加速度变化很小，即颈部粗的人对抗脑震荡并不有利。

基于以上原则，消防头盔的抗冲击设计需注意以下几点：1.头盔帽壳要有足够的强度能直接阻挡冲击物，不使其刺穿帽壳，直接击打到头部。2.头盔外壳材料要尽量采用厚而轻的材料。3.要使悬挂装置在头顶与盔顶空间位置构成能量吸收系统，减少冲击峰值。4.在盔形及其他配件结构相同的情况下，缓冲层的层数是影响头部冲击载荷吸收的最重要因素，层数越多，越能够有效吸收冲击所带来的能量。在缓冲层结构相同并合理的情况下，要尽量增加其层数。5.帽托组与头部接触处要有软垫并留有一定的空间，构成能量吸收系统，并防止颅骨变形。

随着科学技术的发展，老式头盔的防护力和适应性已不能适应现代消防工作的要求。因此，许多国家研制了新式复合材料头盔。目前采用复合材料制备消防头盔方面，国内外均有相关报道：如中国专利，申请号为201420077866.8，发明名称为“一种抗震消防头盔”报道了抗震消防头盔，该头盔主体自外向内依次由阻燃层、硬质防护层、内层缓冲层、头盔内衬层组成。中国专利，申请号为201410114098.3，发明名称为“改进的消防头盔”报道了一种改进的消防头盔，包括盔壳、减震带、下颏带、护披、头围调节扣，其特征是盔壳内设有三级减震机构和双向调节机构，调节机构与减震机构互为连接并装置于盔壳内。中国专利，申请号为201120172779.7，发明名称为“一种新型消防头盔”报道了一种新型消防头盔，头盔外壳采用具备阻燃效果且防紫外线性能稳定的聚胺纤维制成，整体用荧光剂着色；面罩位于头盔外壳前沿下部，在后部与减震网连接，同时，在减震网的上部还设置有减震件来配合减震网进行头部保护；在头盔外壳下，还设置有一个防护披肩，防护披肩由阻燃抗辐射复合材料制造，可用按扣或尼龙搭扣将其固定于头盔内；同时，在头盔外壳内设置有头带，且头带上设置有滑动调节器和头带调节器。中国专利，申请号201220010689.2，发明名称为“头部防护结构”公开了一种头部防护结构，包括帽体，具有外表层，外表层内部设入有内衬层，于所述外表层与内衬层之间形成有容置空间。

现有的消防头盔设计大多采用酚醛树脂玻璃钢、聚胺纤维等材料加工成头盔盔体使用。这类头盔存在过重问题，长期佩戴会对人体颈椎造成压迫，但如果减少酚醛树脂的使用，会造成头盔强度的下降。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种消防头盔，本发明提供的消防头盔为镶嵌式合金框架承重的消防头盔，在重量较轻的基础之具有良好的抗冲击性能。

本发明提供了一种镶嵌式合金框架承重的消防头盔，包括：

合金框架，合金框架为镂空结构，镂空部位边缘设有卡槽；合金框架的抗压强度为100～800MPa；

增强块体，增强块体镶嵌在合金框架镂空部位，通过卡槽固定，与合金框架形成盔体；

增强块体包括纤维包覆非牛顿流体材料的块体、金属块体、陶瓷块体、碳材质块体或三维编织纤维制备的块体；

设置于盔体内表面的第一耐热层；

设置于第一耐热层表面的气凝胶层；

设置于盔体外表面的第二耐热层。

优选的，所述合金框架的材质选自镁合金、铝合金、钛合金和高强钢中的一种或几种。

优选的，所述卡槽包括T字型槽、工字槽、梯形槽或燕尾槽。

优选的，所述纤维包覆非牛顿流体材料的块体中的纤维选自碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、陶瓷纤维和石棉纤维中的一种或几种。

优选的，所述非牛顿流体材料包括：

糊化淀粉、原淀粉、玻璃酸钠、氯化钠和水。

优选的，所述金属块体的材质选自镁合金、铝合金、钛合金和不锈钢中的一种或几种。

优选的，所述陶瓷块体的材质选自碳化硼、碳化硅、碳化钛、氧化硼、氧化硅、氧化钛、碳氧化硼、碳氧化硅、氧化铝和碳氧化钛中的一种或几种。

优选的，所述碳材质块体的材质选自碳纳米管、石墨和石墨烯中的一种或几种。

优选的，所述第一耐热层和第二耐热层的成分包括：

硅树脂、硅酸钠、碳化硼、胺类化合物和气凝胶；

所述胺类化合物包括：二乙烯三胺和三乙烯四胺中的一种或两种。

优选的，所述硅树脂、硅酸钠、碳化硼、胺类化合物和气凝胶的质量比为A：B：C：D：E，0＜A≤80，0＜B≤80，0＜C≤50，0＜D≤20；0＜E≤15。

与现有技术相比，本发明提供了一种镶嵌式合金框架承重的消防头盔，采用合金框架、框架上嵌入增强块体、气凝胶等材料进行复合减震的方式制备消防头盔，以合金框架作为主要抗冲击体，采用增强块体作为次要抗冲击和抗侵彻体，气凝胶作为隔热层，制备复合强化的消防头盔，这种头盔具有良好的抗冲击性能而且质量较轻，能够更有效的保护人体，减少人体在火灾现场受到的伤害。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的合金框架的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的卡槽的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的纤维包覆非牛顿流体材料的块体的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的模具的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的消防头盔的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种消防头盔，包括：

合金框架；

增强块体，所述增强块体镶嵌在合金框架镂空部位，与合金框架形成盔体；

设置于盔体内表面的第一耐热层；

设置于第一耐热层表面的气凝胶层；

设置于盔体外表面的第二耐热层。

本发明提供的消防头盔包括合金框架，合金框架为镂空结构，镂空部位边缘设有卡槽。在本发明中，合金框架中合金或合金框架的抗压强度为100～800MPa，优选为200～700MPa，更优选为300～600MPa，最优选为400～500MPa。在本发明中，所述合金框架的材质优选为轻质合金，如镁合金、铝合金、钛合金和高强钢中的一种或几种。

在本发明中，合金框架的结构优选为图1所示的结构，图1为本发明实施例提供的合金框架的结构示意图，至少包括：随形边缘筋1，纵向主筋2，与纵向主筋2在头盔顶部交叉的横向主筋3，与纵向主筋2和横向主筋3交叉的后向主筋4，位于后向主筋4上部且与纵向主筋2和横向主筋3交叉的上后向主筋5，位于后向主筋4下部且与纵向主筋2和横向主筋3交叉的下后向主筋6。在本发明中，所述合金框架中的骨架筋优选为条形，骨架筋的横向横截面积优选为8～100mm²，更优选为10～80mm²，更优选为30～60mm²，最优选为40～50mm²；骨架筋的宽度优选为10～15mm，厚度优选为2～4mm。

本发明对合金框架的制备方法没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的框架的制备技术如铸造或压铸工艺整体成型或采用焊接工艺制备得到即可。

在本发明中，合金框架镂空部分的边缘设有卡槽，卡槽用于安装固定增强块体，卡槽可以在制备合体框架时形成，也可以单独制备，然后安装在合框架上，可用铆钉连接，所述卡槽的材质与合金框架的材质一致，在此不再赘述。本发明对卡槽的形状没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的梯形槽、T字型槽、工字槽或燕尾槽即可，如图2所示，图2为本发明实施例提供的卡槽的结构示意图，其中(1)为T字型槽，(2)为工字槽，(3)为燕尾槽。

本发明提供的消防头盔包括增强块体，所述增强块体镶嵌在合金框架的镂空部位，通过卡槽固定，必要时也可采用铆钉将增强块体和合金框架进一步固定。在本发明中，增强块体优选均匀分布在合金框架中，将多个增强块体嵌入合金框架的卡槽内，使合金框架封闭与增强块体形成盔体，盔体表面为类似乌龟壳的结构。

在本发明中，增强块体包括纤维包覆非牛顿流体材料的块体、金属块体、陶瓷块体、碳材质块体或三维编织纤维制备的块体。在本发明中，所述纤维包覆非牛顿流体材料的块体的结构优选如图3所示，图3为本发明实施例提供的纤维包覆非牛顿流体材料的块体的结构示意图，包括：

纤维材质的上壳体7，

纤维材质的下壳体10，上壳体7和下壳体10形成腔体，

填充在腔体内部的非牛顿流体材料8，

设置在腔体底部的金属板9。

在本发明中，所述纤维材质上壳体的形状优选为正六边形或正八边形；上壳体的曲面优选为圆锥或圆缺；圆锥或圆缺半径优选为10～60mm，更优选为20～50mm，最优选为30～40mm；圆锥或圆缺高优选为0～40mm，更优选为10～30mm，最优选为15～25mm；相邻圆锥或圆缺的圆心间距优选为2～20mm，更优选为5～15mm，最优选为8～12mm。

在本发明中，所述纤维材质的下壳体的形状优选为正六边形或正八边形；所述纤维材质的下壳体与纤维材质的上壳体能够配合连接，形成密闭的腔体。

在本发明中，所述纤维包覆非牛顿流体材料中的纤维(纤维布)选自碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、陶瓷纤维和石棉纤维中的一种或几种。在本发明中，所述非牛顿流体材料为由粘胶液和聚合物化合而成的，可以广泛应用于运动装备和户外服装上。这种材料在正常情况下保持松弛的状态，又轻又软，不会影响人的正常活动，只有当遭到剧烈撞击的时候才会迅速收紧变硬，形成一层防护层，从而减少撞击对使用者身体的伤害。在本发明中，所述非牛顿流体材料优选包括：糊化淀粉、原淀粉、玻璃酸钠、氯化钠和水。在本发明中，所述糊化淀粉、原淀粉、玻璃酸钠、氯化钠和水的质量比优选为(10～20)：(25～35)：(10～20)：(5～10)：(30～35)，更优选为15:30:15:7.5:32.5。

在本发明中，非牛顿流体材料在不受力的情况下虽然具有一定硬度，但也相对较软，在受到外部的剧烈作用力时，非牛顿流体材料由长分子链构成，分子链会锁死，整体会变得十分坚硬，使用金属板9的目的在于外界冲击时，非牛顿流体材料和金属板的作用力和反作用力使非牛顿流体材料变硬，而板材的整体受力也会让压强变小，分散压力。在本发明中，所述金属板的材质优选为镁、铝、钛或不锈钢。在本发明中，所述金属板的厚度优选为0.5～1mm。

在本发明中，纤维包覆非牛顿流体材料的块体的制备方法优选为：

在模具表面擦拭脱模剂；

将纤维布剪裁成所需尺寸的布料；

将一层或多层纤维布铺设于下模具中；

将胶体倒入下模具中；

将上模具和下模具合模，上下模具的接触面留有空隙通道，有助于气体和多余胶体排出，加热使纤维布硬化定型，得到纤维材质的上壳体；

将纤维材质的上壳体倒扣，在其凹陷腔体内放入非牛顿流体材料；

剪裁另一块尺寸与上壳体接近的纤维布，将其表面涂覆胶体；

将尺寸与上壳体直径相同的金属板扣在上壳体表面，封盖住凹陷腔体；

将涂覆胶体的纤维布覆盖在金属板上，将上下模具合模，在加热炉中加热，形成下壳体，上壳体和下壳体构成封闭的腔体，腔体内封存非牛顿流体材料。

在本发明中，所述模具如图4所示，图4为本发明实施例提供的模具的结构示意图，包括上下模具11，设置在模具上的导流孔12，模具内部的纤维包覆非牛顿流体材料的块体13。在本发明中，所述脱模剂优选为聚四氟乙烯。在本发明中，所述胶体的成分优选为包括环氧树脂和胺类固化剂的胶体或包括酚醛树脂和胺类固化剂的胶体。在本发明中，加热纤维布的温度优选为20～200℃，更优选为50～150℃，最优选为80～120℃。

本发明对金属块体的形状没有特殊的限制，金属块体的形状能够镶嵌到合金框架的镂空部位，与合金框架形成盔体即可。在本发明中，所述金属块体的形状优选为六边形或八边形；所述金属块体内切圆的直径尺寸优选为10～60mm，更优选为20～50mm，最优选为30～40mm。在本发明中，所述金属块体的材质优选选自镁合金、铝合金、钛合金或不锈钢中的一种或几种。在本发明中，所述金属块体的制备方法优选为将金属液采用压铸或将金属坯料进行锻压制备得到所需形状的块体。

本发明对陶瓷块体的形状没有特殊的限制，陶瓷块体的形状能够镶嵌到合金框架的镂空部位，与合金框架形成盔体即可。在本发明中，所述陶瓷块体的形状优选为六边形或八边形；所述陶瓷块体内切圆的直径尺寸优选为10～60mm，更优选为20～50mm，最优选为30～40mm。在本发明中，所述陶瓷块体中的材质优选选自碳化硼、碳化硅、碳化钛、氧化硼、氧化硅、氧化钛、碳氧化硼、碳氧化硅、氧化铝和碳氧化钛中的一种或几种。在本发明中，所述陶瓷块体可以采用陶瓷粉末通过粉末烧结的方法制备得到。在本发明中，所述陶瓷粉末的平均粒度优选为20nm～50000nm，更优选为50nm～40000nm，更优选为100nm～30000nm，更优选为1000nm～20000nm，最优选为5000nm～10000nm。在本发明中，所述粉末烧结的温度优选为1200℃～2000℃，更优选为1400～1600℃。

本发明对碳材质块体的形状没有特殊的限制，碳材质块体的形状能够镶嵌到合金框架的镂空部位，与合金框架形成盔体即可。在本发明中，所述碳材质块体的形状优选为六边形或八边形；所述碳材质块体内切圆直径的尺寸优选为10～60mm，更优选为20～50mm，最优选为30～40mm。在本发明中，所述碳材质块的材质优选选自碳纳米管、石墨和石墨烯中的一种或几种。在本发明中，所述碳材质块体的制备方法优选为将碳材质材料进行真空热压烧结制备得到所需形状的碳材质块体。

二维编织技术编织出来的是二维平面的布，布的厚度取决于丝线的粗细和编织方法，三维编织技术则是在三维方向上编织出很厚的布，编织成许多层。这种三维编织产品是一个“块体”，切割后不会抽丝。三维编织纤维技术为一种新型高性能复合材料结构部件的制备技术，是将纤维编织成复合材料结构件的近净形三维整体织物(纺织预成型体)，再采用树脂传递模塑工艺(RTM)注入树脂后复合固化形成高性能复合材料结构件。由于是三维整体织物制备得到的块体在厚度方向上获得了增强，从而克服了传统层合复合材料容易分层破坏的缺点，具有优异的力学性能。本发明对所述三维编织纤维的具体方法没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的三维编织纤维的技术方案采用三维编织机编织纤维即可。在本发明中，所述三维编织纤维所采用的纤维优选选自碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、陶瓷纤维和石棉纤维的一种或几种，更优选为碳纤维和玻璃纤维；所述碳纤维和玻璃纤维的质量比优选为(70～90)：(10～30)，更优选为(75～85)：(15～25)，最优选为80:20。在本发明中，所述三维编织纤维制备的块体的形状优选为板材，所述板材的厚度优选为4～6mm，更优选为5mm。

在本发明中，增强块体镶嵌在合金框架的镂空部位形成头盔盔体。本发明在盔体内表面设置第一耐热层，在盔体外表面设置第二耐热层；在盔体内外表面同时设置耐热层，当头盔外部耐热层破损时，内部耐热层同样可以起到防水、防电、耐高温的作用。在本发明中，所述第一耐热层和第二耐热层的成分优选包括硅树脂、硅酸钠、碳化硼、胺类化合物和气凝胶，所述胺类化合物包括二乙烯三胺和三乙烯四胺中的一种或两种，优选为二乙烯三胺。在本发明中，所述硅树脂优选为聚甲基苯基硅氧烷。在本发明中，所述硅酸钠优选为硅酸钠水溶液即水玻璃。在本发明中，所述气凝胶优选为气凝胶颗粒；气凝胶颗粒的粒度优选＜0.5mm。在本发明中，所述硅树脂、硅酸钠、碳化硼、胺类化合物和气凝胶的质量比优选为A：B：C：D：E，0＜A≤80，0＜B≤80，0＜C≤50，0＜D≤20，0＜E≤15；更优选为(10～70)：(10～70)：(10～40)：(5～15)：(3～12)，最优选为(30～40)：(30～40)：(20～30)：(8～12)：(5～10)。在本发明中，所述第一耐热层的厚度优选为0.3～2mm，更优选为0.5～1.5mm，最优选为0.8～1.2mm。在本发明中，所述第二耐热层的厚度优选为0.3～2mm，更优选为0.5～1.5mm，最优选为0.8～1.2mm。

在本发明中，所述耐热层的制备方法优选为通过将耐热层的制备原料进行浆料喷涂至盔体表面或者将盔体浸润到耐热层制备原料的浆料中制备得到。

本发明提供消防头盔包括设置于第一耐热层表面的气凝胶层。在本发明中，气凝胶是一种固体物质形态，是世界上密度很小的固体之一。密度为3千克每立方米，仅为空气密度的2.75倍。由于气凝胶中80％以上是空气，具有非常好的隔热效果，一寸厚的气凝胶相当20至30块普通玻璃的隔热功能。即使把气凝胶放在玫瑰与火焰之间，玫瑰也会丝毫无损。气凝胶貌似“弱不禁风”，其实非常坚固耐用。它可以承受相当于自身质量几千倍的压力，在温度达到1200摄氏度时才会熔化。此外它的导热性和折射率也很低，绝缘能力比最好的玻璃纤维还要强39倍。在本发明中，所述气凝胶层的厚度优选为1～10mm，更优选为2～8mm，最优选为3～6mm。本发明对所述气凝胶的制备方法没有特殊的限制，本领域技术人员可购买市售的气凝胶产品将其剪裁为合适的尺寸贴合于第一耐热层表面即可。

本发明提供的镶嵌式合金框架承重的消防头盔结构如图5所示，图5为本发明实施例提供的消防头盔的结构示意图，由内向外依次包括气凝胶层14，带有工字形卡槽的合金框架15，镶嵌在合金框架中的增强块体16，设置在增强体块体和气凝胶层之间的第一耐热层(图中未画出)，设置在增强体块体外表面的第二耐热层17。

本发明对所述消防头盔的制备方法没有特殊的限制，按照头盔的结构将上述技术方案所述的合金框架、增强块体、第一耐热层、第二耐热层和气凝胶层进行组装即可，所述合金框架、增强块体、第一耐热层、第二耐热层和气凝胶层的制备方法与上述技术方案所述的方法一致，在此不再赘述。在本发明中，所述消防头盔的制备方法优选为：

提供带有卡槽的合金框架；

在合金框架内部嵌入增强块体并用卡槽固定，形成盔体，如需要可采用铆钉将增强块体和合金框架进行铆接；

在盔体内外表面分别涂覆耐热层成分，形成第一耐热层和第二耐热层；

在第一耐热层表面贴合气凝胶，形成气凝胶层。

现有技术大多采用酚醛树脂玻璃钢、聚胺纤维等材料制备头盔盔体，这类材料在火场极端条件下存在高温强度降低和高温老化现象，防护能力有限。本发明提供的镶嵌式合金框架承重的消防头盔使用多种材料复合的减震方式，在减重的基础之上提升消防头盔的耐热性能、高温抗冲击性能。在同等防护能力下，本发明的头盔重量低于现有技术重量；与现有技术头盔重量相同的条件下，本发明头盔的防护能力优于现有技术的头盔。

本发明以下实施例所用到的原料均为市售商品，硅树脂为聚甲基苯基硅氧烷，购买自安徽艾约塔硅油有限公司，型号为苯甲基硅油IOTA-255。硅酸钠胶体为哈尔滨岩浩工贸有限公司的水玻璃。气凝胶颗粒为纳诺科技有限公司提供的AP系列，颗粒尺寸小于0.5mm。

实施例1

头盔盔体制备步骤如下：

(1)采用压铸方式制备镁合金头盔骨架，镁合金合金成分为AZ91+0.6wt.％Ce。头盔骨架结构如图1所示，包含盔体边缘筋1；一条纵向主筋2；三条与纵向主筋交叉于头盔顶部横向主筋；三条与纵向主筋交叉的后向主筋，头盔骨架镂空部位边缘带有T字型卡槽。头盔骨架筋的宽度为12mm，厚度为3mm，骨架整体重量为200g。

(2)制备增强块体，增强块体为碳纤维包覆非牛顿流体材料的块体：

上下模具形状均为六边形，六边形内切圆直径尺寸为30mm，材质为不锈钢；

将上下模具表面擦拭聚四氟乙烯脱模剂；

将碳纤维布(日本东丽T500单向碳纤维布)剪裁成与模具形状尺寸适应的布料；

将2层碳纤维布铺设于下模具中；

将胶体倒入下模具中，胶体成分为：85wt％酚醛树脂和15wt％六次甲基四胺；

将上下模具合模(上下模具接触面留有空隙通道，有助于气体和多余胶体排除)，并加热至170℃使碳纤维硬化定型，形成上壳体；

将上壳体倒扣，在其凹陷腔体内放入非牛顿流体材料，非牛顿流体材料的成分配比为：糊化淀粉：15wt％；原淀粉：30wt％；玻璃酸钠：15wt％；氯化钠：7.5wt％；水：32.5wt％。

裁与上壳体接近尺寸的碳纤维布，在其表面涂覆胶体，胶体成分与上述技术方案一致；

将尺寸与上壳体直径相同的镁合金圆盘薄片(0.7mm)扣在上壳体表面，封盖住凹陷腔体；

将涂覆胶体的碳纤维布(3层)覆盖在镁合金薄片上，使上壳体封闭，壳体内封存非牛顿流体材料；

将内腔封闭的上壳体置于下模具中，上下模具合模加热，加热条件为150℃，保温时间3小时，直至其完全硬化，得到增强块体，增强体模块的结构如图3所示。

(3)按照上述方法制备多个增强块体，将增强块体整体嵌入头盔骨架内，使头盔骨架封闭，并使用铆钉铆接，头盔盔体表面为类似乌龟壳的结构。

(4)对头盔盔体内外同时进行胶体涂覆，在盔体内表面形成第一耐热层，在盔体外表面形成第二耐热层，胶体的成分为：30wt.％硅树脂，55wt.％硅酸钠胶体，10wt.％碳化硼陶瓷粉，2wt.％二乙烯三胺，3wt.％气凝胶颗粒，第一耐热层的厚度为0.5mm，第二耐热层的厚度为0.5mm。

(5)将剪裁好的气凝胶(金纳公司生产的二氧化硅纳米气凝胶)粘贴在第一耐热层表面，气凝胶的厚度为3mm，制备得到消防头盔。

对本发明实施例1制备得到的消防头盔进行重量测试，测试结果为515克。

按照GA 44-93《消防头盔国家标准》对本发明实施例1制备得到的消防头盔进行穿透性能、导电性能和耐热性能检测。测试结果为，帽顶部、侧部、前部、后部的最大冲击加速度均达到400gn，符合防护要求；消防头盔在2.2千伏、保持5分钟的测试条件下不导电；采用800℃火焰喷灯燃烧帽壳15秒后移开火焰，火焰随即熄灭；头盔达到国家标准中的防护要求上限。

将本发明实施例1制备的消防头盔与美国MSA梅思安F2XTREM消防头盔进行重量比较，在相同防护面积下，F2XTREM消防头盔体重量约为750克，本发明头盔减重明显。在超标准测试环境下(标准条件是使用5kg重的钢球自1m高度落下，保证头盔下人体模型的安全，头盔即便变形也不触碰模型上的传感器)，使用5kg重锤自2米高度进行冲击实验，本发明实施例1制备的头盔完好，F2XTREM消防头盔出现一定程度的破损，结果表明，本发明制备的头盔性能优越。

实施例2

(1)按照实施例1的方法制备得到头盔骨架。

(2)制备增强块体，增强块体为三维编织纤维制备的块体：

采用三维编织机对碳纤维(日本东丽T500碳纤维)和玻璃纤维(巨石牌E-CR玻璃纤维)进行混纺，其中碳纤维占比80wt％，玻璃纤维占比20wt％。编织得到厚度为5mm的平板。将平板剪裁成多个与头盔骨架镂空部分对应形状的块体，弯曲成型，随后进行浸胶处理，浸胶处理的具体过程为：将模具上下表面涂抹聚四氟乙烯脱模剂；将胶体倒入下模具中后，将剪裁好的块体放入下模具中；上下模具合模并加热至170℃，胶的成分为热固性酚醛树脂(碱性条件下合成的酚醛树脂)。

(3)将浸胶处理后的多个三维编织纤维板材整体嵌入头盔骨架内，使头盔骨架封闭。

(4)对头盔盔体内外同时进行胶体涂覆，在盔体内表面形成第一耐热层，在盔体外表面形成第二耐热层，胶体的成分为：23wt.％硅树脂，55wt.％硅酸钠胶体，10wt.％碳化硼陶瓷粉，2wt.％二乙烯三胺，10wt.％气凝胶颗粒，第一耐热层的厚度为0.5mm，第二耐热层的厚度为0.5mm。

(5)将剪裁好的气凝胶(金纳牌二氧化硅气凝胶)粘贴在第一耐热层表面，气凝胶的厚度为2mm，制备得到消防头盔。

对本发明实施例2制备得到的消防头盔进行重量测试，测试结果为430克。

按照GA 44-93《消防头盔国家标准》对本发明实施例2制备得到的消防头盔进行穿透性能、导电性能和耐热性能检测。测试结果为，帽顶部、侧部、前部、后部的最大冲击加速度均达到400gn，符合防护要求；消防头盔在2.2千伏、保持5分钟的测试条件下不导电；采用800℃火焰喷灯燃烧帽壳15秒后移开火焰，火焰随即熄灭；头盔达到国家标准中的防护要求上限。

将本发明实施例2制备的消防头盔与美国MSA梅思安F2XTREM消防头盔进行重量比较，在相同防护面积下，F2XTREM消防头盔重量约为750克，本发明头盔减重明显。在超标准测试环境下(测试条件同实施例1)，使用5kg重锤自2米高度进行冲击实验，本发明实施例2制备的头盔完好，F2XTREM消防头盔出现一定程度的破损，结果表明，本发明制备的头盔性能优越。

实施例3

(1)按照实施例1的方法制备得到头盔骨架。

(2)制备增强块体，增强块体为陶瓷块体：

将碳化硼纳米粉末(平均粒度100纳米)铺在模具中压实，随后合模，根据头盔骨架镂空部位的形状选择合适的模具，使制备得到的陶瓷块体能够镶嵌到头盔骨架中。上下表面进行冷压后再进行真空热压。热压过程中升温速度为4℃/min，保温温度1500℃，保温时间3h，然后随炉缓慢冷却。

(3)将多个陶瓷块体整体嵌入头盔骨架内，使头盔骨架封闭。

(4)对头盔盔体内外同时进行胶体涂覆，在盔体内表面形成第一耐热层，在盔体外表面形成第二耐热层，胶体的成分为：23wt.％硅树脂，55wt.％硅酸钠胶体，10wt.％碳化硼陶瓷粉，2wt.％二乙烯三胺，10wt.％气凝胶颗粒，第一耐热层的厚度为0.5mm，第二耐热层的厚度为0.5mm。

(5)将剪裁好的气凝胶(金纳牌二氧化硅气凝胶)粘贴在第一耐热层表面，气凝胶的厚度为2.5mm，制备得到消防头盔。

对本发明实施例3制备得到的消防头盔进行重量测试，测试结果为595克。

按照GA 44-93《消防头盔国家标准》对本发明实施例3制备得到的消防头盔进行穿透性能、导电性能和耐热性能检测。测试结果为，帽顶部、侧部、前部、后部的最大冲击加速度均达到400gn，符合防护要求；消防头盔在2.2千伏、保持5分钟的测试条件下不导电；采用800℃火焰喷灯燃烧帽壳15秒后移开火焰，火焰随即熄灭；头盔达到国家标准中的防护要求上限。

将本发明实施例3制备的消防头盔与美国MSA梅思安F2XTREM消防头盔进行重量比较，在相同防护面积下，F2XTREM消防头盔重量约为750克，本发明头盔减重明显。在超标准测试环境下(测试条件同实施例1)，使用5kg重锤自2米高度进行冲击实验，本发明实施例3制备的头盔完好，F2XTREM消防头盔出现一定程度的破损，结果表明，本发明制备的头盔性能优越。

由以上实施例可知，本发明提供了一种消防头盔，包括：合金框架；增强块体，所述增强块体镶嵌在合金框架镂空部位，通过卡槽固定，与合金框架形成盔体；设置于盔体内表面的第一耐热层；设置于第一耐热层表面的气凝胶层；设置于盔体外表面的第二耐热层。与现有技术相比，本发明采用合金框架、框架上嵌入增强块体、气凝胶等材料进行复合减震的方式制备消防头盔，以合金框架作为主要抗冲击体，采用增强块体作为次要抗冲击和抗侵彻体，气凝胶作为隔热层，制备复合强化的消防头盔，这种头盔具有良好的抗冲击性能而且质量较轻，能够更有效的保护人体，减少人体在火灾现场受到的伤害。

Claims (6)

1.一种消防头盔，包括：

合金框架，合金框架为镂空结构，镂空部位边缘设有卡槽；合金框架的抗压强度为100～800MPa；所述合金框架至少包括：

随形边缘筋，纵向主筋，与纵向主筋在头盔顶部交叉的横向主筋，与纵向主筋和横向主筋交叉的后向主筋，位于后向主筋上部且与纵向主筋和横向主筋交叉的上后向主筋，位于后向主筋下部且与纵向主筋和横向主筋交叉的下后向主筋；

增强块体，增强块体镶嵌在合金框架镂空部位，通过卡槽固定，与合金框架形成盔体；

增强块体为纤维包覆非牛顿流体材料的块体；

设置于盔体内表面的第一耐热层；

设置于第一耐热层表面的气凝胶层；

设置于盔体外表面的第二耐热层；

所述第一耐热层和第二耐热层的成分均包括：

硅树脂、硅酸钠、碳化硼、胺类化合物和气凝胶；

所述胺类化合物包括：二乙烯三胺和三乙烯四胺中的一种或两种；

所述纤维包覆非牛顿流体材料的块体包括：

纤维材质的上壳体，

纤维材质的下壳体，上壳体和下壳体形成腔体，

填充在腔体内部的非牛顿流体材料，

设置在腔体底部的金属板。

2.根据权利要求1所述的消防头盔，其特征在于，所述合金框架的材质选自镁合金、铝合金、钛合金和高强钢中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的消防头盔，其特征在于，所述卡槽包括T字型槽、工字槽、梯形槽或燕尾槽。

4.根据权利要求1所述的消防头盔，其特征在于，所述纤维包覆非牛顿流体材料的块体中的纤维选自碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、陶瓷纤维和石棉纤维中的一种或几种。

5.根据权利要求1所述的消防头盔，其特征在于，所述非牛顿流体材料包括：

糊化淀粉、原淀粉、玻璃酸钠、氯化钠和水。

6.根据权利要求1所述的消防头盔，其特征在于，所述硅树脂、硅酸钠、碳化硼、胺类化合物和气凝胶的质量比为A：B：C：D：E，0＜A≤80，0＜B≤80，0＜C≤50，0＜D≤20；0＜E≤15。

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