CN112710193A - 一种小凹陷抗冲击仿生防弹头盔 - Google Patents
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Abstract
本发明属于防护防弹装备技术领域，尤其涉及一种小凹陷抗冲击仿生防弹头盔，包括自外层至内层依次叠置的硬质抗冲击层、软质吸能层、复合层、内衬层；硬质抗冲击层、软质吸能层、复合层与内衬层之间采用胶接的方式连接；软质吸能层内部沿环向设置多列第一通孔，多列第一通孔呈梯度排布；复合层内部沿环向设置多列第二通孔，多列第二通孔交错设置，且第二通孔内填充柔性材料。其中，抗冲击层能够缓冲掉子弹的大部分冲击能；软质吸能层通过大变形吸收冲击能；复合层通过硬质材料减轻凹陷程度避免了对人体损伤，同时利用柔性材料实现吸收冲击能的目的；内衬层能够减小子弹对头部的冲击，降低对人体的伤害。
Description
技术领域
本发明属于防护防弹装备技术领域，尤其涉及一种小凹陷抗冲击仿生防弹头盔。
背景技术
现如今，武器装备越来越先进，对人体的杀伤力也随之增加，单兵的生命安全受到严重威胁。其中，头部的防护对于保障单兵生命安全具有极为重要的意义，而防弹头盔作为一种主要的头部防护装备，亟待进一步发展以抵御杀伤力日益增加的武器装备，提高防护性能。
防弹头盔根据盔壳材质的不同，大致可分为金属防弹头盔、非金属防弹头盔和金属与非金属复合防弹头盔。目前，应用于军队的军用级别的防弹头盔主要为超高分子量聚乙烯(U-PE)和聚苯二甲酰苯二胺(芳纶)两种防弹头盔。这两种防弹头盔相较于旧式钢盔更加轻便、舒适,防护性能也得到很大的提升。然而在实测过程中发现，这两种头盔虽能够抵挡住子弹的穿透，但弹着点的向内凹陷变形较大，会对头部造成重大冲击，导致人体出现一系列问题，造成不可逆转的伤害。
为此，亟需提出一种可以减小头盔内陷深度，加强防弹头盔防护性能的仿生防弹头盔。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对现有防弹头盔存在的内陷深度大、抗冲击性能差的技术问题，本发明提供一种小凹陷抗冲击仿生防弹头盔。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种小凹陷抗冲击仿生防弹头盔，包括自外层至内层依次叠置的硬质抗冲击层、软质吸能层、复合层、内衬层；硬质抗冲击层、软质吸能层、复合层与内衬层之间采用胶接的方式连接；软质吸能层内部沿环向设置多列第一通孔，多列第一通孔呈梯度排布；复合层内部沿环向设置多列第二通孔，多列第二通孔交错设置，且第二通孔内填充柔性材料。
进一步地，硬质抗冲击层采用硬质陶瓷、轻质合金中的一种制成。
进一步地，软质吸能层采用海绵、橡胶、乳胶中的一种或多种制成。
进一步地，第一通孔的横截面为平行四边形，且平行四边形的边长为0.1mm～0.8mm。
进一步地，相邻两个第一通孔的上下孔间距为0.5mm～1mm。
进一步地，复合层由硬质材料和柔性材料制成；硬质材料采用硬质陶瓷、硬质合金中的一种；柔性材料为粘弹性材料。
进一步地，粘弹性材料为硅橡胶。
进一步地，第二通孔的横截面为正方形，且正方形的边长为2mm～4mm。
进一步地，相邻的两个第二通孔的上下孔间距为0.5mm～1.5mm。
进一步地，内衬层采用形状记忆聚合物纤维制成。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：本发明提供的一种小凹陷抗冲击仿生防弹头盔，头盔布置为四层。其中抗冲击层作为最外层，选用硬质陶瓷，缓冲掉子弹的大部分冲击能。软质吸能层作为次外层，受到冲击时，通过大变形吸收冲击能；其中，软质吸能层内部的第一通孔在层间呈梯度排布，实现中部大变形，外部小变形，利于异质材料间的过渡粘接，避免层间脱层。复合层作为次内层，较大多数吸能层选用柔性材料通过大变形吸收冲击能的情况，优势在于通过硬质材料减轻凹陷程度避免了对人体损伤，同时利用柔性材料实现吸收冲击能的目的。内衬层作为内层，选用形状记忆聚合物纤维，受到冲击时，头盔弹着点周围温度迅速升温，形状记忆聚合物纤维发生变形，在弹着点附近向外凸起，抵抗冲击的同时远离头部，形成空腔，利于冲击应力向四周扩散，减小对头部的冲击，降低对人体的伤害。
附图说明
图1为啄木鸟头部示意图。
图2为本发明的小凹陷抗冲击仿生防弹头盔的结构示意图。
图3为图2中的A处放大横截面结构示意图。
【附图标记说明】
1、硬质抗冲击层；2、软质吸能层；3、第一通孔；4、复合层；5、第二通孔；6、内衬层。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。其中，本文所提及的“外层”、“内层”等方位名词均以图3的定向为参照。“外层”指的是图3中右侧的一层，“内层”指的是图3中左侧的一层。
本发明受啄木鸟头部抗冲击结构的启发而来，它长期经受高频率撞击，其脑部未发生任何损伤，经进一步研究发现这是啄木鸟的喙、舌头以及头骨共同作用的结果。如图1所示，啄木鸟头部受到撞击时，应力传播首先经过啄木鸟喙部，作为一种刚性材料，耗散掉大部分的冲击能，后传递到舌头，作为柔性层，仅仅环绕整个头部，缓释掉一部分冲击能，最后传递到头骨，头骨为板状多孔结构，孔里面填充有大量粘弹性液体，粘液耗散掉剩余冲击能，同时由于头骨为硬质材料，受到冲击时变形小，内部脑子不易受到挤压。本发明的最外层实现并模仿了啄木鸟喙部，选用硬质抗冲击材料，耗散掉子弹大部分的冲击能；次外层实现并模仿了啄木鸟舌头，选用柔性吸能材质，通过大变形缓释能量；次内层实现并模仿了啄木鸟的头骨，为复合层，既缓释冲击能又实现小内陷，减低对头部的冲击和伤害；最内层作为内衬层，为保证舒适性的同时，达到小凹陷，故选用形状记忆聚合物纤维。本发明的头盔受到冲击时，弹着点周围温度升高，形状记忆聚合物纤维发生形变，在弹着点周围向外凸起，抵抗冲击同时远离头部，形成空腔，利于冲击能向四周扩散。
实施例1
如图2和图3所示，本发明提供一种小凹陷抗冲击仿生防弹头盔。该防弹头盔从外层到内层依次包含：硬质抗冲击层1、软质吸能层2、复合层4和内衬层6。
其中，硬质抗冲击层1选用具有高强度高硬度抗冲击的材料，例如：硬质陶瓷、轻质合金等。本实施例中硬质抗冲击层1选用硬质陶瓷；陶瓷为氧化铝、碳化硼或碳化硅中的一种，其中，碳化硼的各方面性能最好，故本实施例硬质抗冲击层1采用碳化硼陶瓷制得。碳化硼陶瓷板的强度非常大，被子弹撞击时会瞬间破碎，它依靠碎裂产生的裂纹来分散掉子弹的动能。
软质吸能层2选用海绵、橡胶和乳胶中的一种，其中聚氨酯软发泡橡胶作为海绵的一种，是生活中最常见的一种高分子材料，具有优异的吸能、减震、透气等性能，故本实施例中软质吸能层2优选地选用聚氨酯软发泡橡胶。
软质吸能层2内部设有多列第一通孔3，在受到冲击时，相较于没有孔的防弹头盔，孔隙随之发生压缩变形并不断挤压孔周，致使软质吸能层2发生变形，从而抵消外部的冲击力，降低对人体带来的伤害。
优选的，第一通孔3呈前后两端面为平行四边形的棱柱体，这里利用了平行四边形的不稳定性，利于大变形。本实施例中的第一通孔3的端面形状优选为正平行四边形，且正平行四边形的边长为0.1mm～0.8mm。第一通孔3的尺寸不能过大，以防止子弹直接从第一通孔3中通过；但也不宜过小，否则将达不到对冲击的减震吸能效果。本实施例中第一通孔3的端面边长尺寸优选为0.5mm。
具体而言，多列第一通孔3呈梯度排布，即多列第一通孔3从软质吸能层2的外侧到内侧呈由稀疏到致密再到稀疏的方式排列，实现软质吸能层2中部大变形，外部小变形，利于材料过渡，以防异质材料接触界面变形过大，出现脱层现象。相邻的两个第一通孔3的上下孔间距为0.5mm-1mm，间距过大，变形量小，吸能效果变差，间距过小，孔壁过薄，变形量过大，易发生层间脱层。本实施例中相邻的两个第一通孔3的上下孔间距优选为0.8mm。
复合层4以硬质材料为基体，沿基体环向开设多层交错的第二通孔5，第二通孔5内填充柔性材料。
优选的，第二通孔5呈前后两端面为正方形的长方体，且正方形的边长为2mm～4mm。本实施例中第二通孔5的端面边长尺寸优选为3mm。
优选的，多层第二通孔5沿复合层4的环向呈交错排布，使得第二通孔5内的柔性材料在复合层4的厚度方向上排布尽可能多，利于吸能减震，相邻的两个第二通孔5的上下孔间距为0.5mm-1.5mm。间距过大，使得柔性材料占比较少，吸能效果变差，间距过小，孔壁过薄，易发生断裂，影响防凹陷性能。本实施例中相邻的两个第二通孔5的上下孔间距优选为1mm。
具体地，复合层4中的硬质材料可选用硬质陶瓷、硬质合金中的一种，硬质陶瓷较硬质合金具有轻质高强的特点，故硬质材料选用硬质陶瓷。其中，碳化硼的各方面性能最好，故硬质材料选用碳化硼陶瓷。
复合层4中的柔性材料选用具有优异吸震性能的粘弹性材料，其中硅橡胶是一种优异吸震性能的粘弹性材料，因其玻璃化转变温度较低，在室温附近性能变化小，而硅氧键结构使其在较宽的温度区域内力学性能较为稳定，弹性模量变化小，性能较为稳定，适用于大应力、大应变而产生高热量的场合，故柔性材料选用硅橡胶。
内衬层6选用形状记忆聚合物纤维制得，形状记忆聚合物纤维(SMP)根据其恢复原理可分为：热致型、电致型、光致型、化学感应型等。根据头盔的工况，本实施例中选用热塑性形状记忆聚合物纤维。子弹击中头盔时，一部分冲击能转化为热能，使得弹着点周围温度迅速升高，达到形状记忆聚合物纤维转化温度时，将恢复为原始设定形状，在弹着点附近向外凸起，远离头皮，形成空腔，利于冲击能向头盔弹着点四周扩散，减轻对头部的冲击力。
硬质抗冲击层1、软质吸能层2、复合层4和内衬层6依次左右叠置，且硬质抗冲击层1、软质吸能层2、复合层4和内衬层6固定安装在一起。
具体而言，硬质抗冲击层1、软质吸能层2、复合层4和内衬层6相邻界面通过结构胶粘剂环氧-酚醛胶黏剂进行连接，采取刷涂的方法涂布胶黏剂，保证厚薄合适。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种小凹陷抗冲击仿生防弹头盔，其特征在于，包括自外层至内层依次叠置的硬质抗冲击层(1)、软质吸能层(2)、复合层(4)、内衬层(6)；
所述硬质抗冲击层(1)、所述软质吸能层(2)、所述复合层(4)与所述内衬层(6)之间采用胶接的方式连接；
所述软质吸能层(2)内部沿环向设置多列第一通孔(3)，多列第一通孔(3)呈梯度排布；
所述复合层(4)内部沿环向设置多列第二通孔(5)，多列第二通孔(5)交错设置，且第二通孔(5)内填充柔性材料。
2.如权利要求1所述的小凹陷抗冲击仿生防弹头盔，其特征在于，所述硬质抗冲击层(1)采用硬质陶瓷、轻质合金中的一种制成。
3.如权利要求1所述的小凹陷抗冲击仿生防弹头盔，其特征在于，所述软质吸能层(2)采用海绵、橡胶、乳胶中的一种或多种制成。
4.如权利要求1所述的小凹陷抗冲击仿生防弹头盔，其特征在于，所述第一通孔(3)的横截面为平行四边形，且平行四边形的边长为0.1mm～0.8mm。
5.如权利要求1所述的小凹陷抗冲击仿生防弹头盔，其特征在于，相邻两个第一通孔(3)的上下孔间距为0.5mm～1mm。
6.如权利要求1所述的小凹陷抗冲击仿生防弹头盔，其特征在于，所述复合层(4)由硬质材料和柔性材料制成；所述硬质材料采用硬质陶瓷、硬质合金中的一种；所述柔性材料为粘弹性材料。
7.如权利要求6所述的小凹陷抗冲击仿生防弹头盔，其特征在于，所述粘弹性材料为硅橡胶。
8.如权利要求1所述的小凹陷抗冲击仿生防弹头盔，其特征在于，所述第二通孔(5)的横截面为正方形，且正方形的边长为2mm～4mm。
9.如权利要求1所述的小凹陷抗冲击仿生防弹头盔，其特征在于，相邻的两个第二通孔(5)的上下孔间距为0.5mm～1.5mm。
10.如权利要求1所述的小凹陷抗冲击仿生防弹头盔，其特征在于，所述内衬层(6)采用形状记忆聚合物纤维制成。
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