[發明專利]一種具有新型微結構外殼的安全頭盔

有效

• 申請號: 201310211510.9
• 申請日: 2013-05-31
• 公開（公告）號: CN103238975A
• 公開（公告）日: 2013-08-14
• 發明（設計）人: 樊瑜波;王麗珍;徐鵬;倪義坤
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: A42B3/04
• 分類號: A42B3/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及安全頭盔的技術領域，具體是指一種具有新型微結構外殼的頭盔。該微結構可以有效提高頭盔外殼的斷裂韌性，從而提高頭盔的防護能力。?

背景技術

在生產生活中，佩戴頭盔或安全帽是防止頭部損傷最有效的方法之一。現在常用的頭盔主要采用三層結構：適當厚度的硬質帽盔式外殼，一定厚度的緩沖層以及與人的頭部接觸的內襯。外殼一般采用耐磨損、抗壓縮性好的ABS或PC等硬質塑料，也有采用碳纖維復合材料或金屬材料。該層主要作用是阻止沖擊穿透，擴大受力面積，減小局部應力。緩沖層緊貼于外殼內側，常使用泡沫材料。該層的主要作用是通過泡沫體的大變形來抵擋從外殼傳過來的沖擊力，吸收沖擊能量。然而現有頭盔的外殼所采用的硬質塑料往往韌性不夠，在較大的沖擊力作用下，外殼存在被擊穿的風險。因為緩沖層和內襯的材料較軟且疏松多孔，無法承受集中力。外殼一旦被擊穿，將會直接對頭部造成損傷。而使用金屬材料，必然會增加頭盔的重量，給使用者帶來了不便。?

澳洲堅果(macadamia)外殼的力學性能十分優越，其殼體可以承受高達2000N的外部壓縮載荷。通過顯微鏡觀察，可以發現澳洲堅果殼是明顯的兩層結構（圖1）：非常薄（約160μm）但是韌性很高的硬殼層；厚度在1.5mm到5mm之間，但是很疏松的軟木層。在硬殼層的外表面上分布著由多邊形組成的紋理。在多邊形的角點位置分布著垂直于外殼表面的徑向纖維。該纖維的彈性模量和硬度都比平行表面分布的纖維要大，在硬殼層結構中起到了加強筋的作用。有研究表明，多邊形紋理和徑向纖維是硬殼層具有高韌性的原因。因此本發明將澳洲堅果外殼的增韌機理應用于頭盔的外殼結構的設計中，提高安全頭盔的防護能力。?

發明內容

本發明的目的是針對現有頭盔外殼在抵抗破壞方面的不足，利用仿生學原理，設計了一種具有新型微結構的頭盔的外殼，以提高頭盔的防護能力。?

為了解決以上技術問題，本發明是通過以下技術方案實現的：一種有新型微結構外殼的頭盔，其盔體采用三層結構。具體結構包括：頭盔的外殼，緩沖層，內襯，下頦帶。外殼采用纖維增強復合材料。殼體的外表面采用由五邊形和六邊形混合構成的紋理，多邊形的直徑為30μm到50μm。在垂直于外表面的方向上設有圓柱狀的加強筋。該加強筋的直徑為4μm到6μm之間，分布在多邊形交界的角點上，并且埋入外殼之中。緩沖層采用泡沫材料，比如EPS、EPO、EPP等。內襯由一定厚度的密度低且質地柔軟的材料構成，比如織物、海綿等。該層的內表面與頭部接觸。各層之間通過膠粘連接成一個整體。?

采用上述技術方案，頭盔外殼的韌性將會有較大提高，這將大大降低頭盔外殼被擊穿的風險。頭盔的緩沖層泡沫材料，可以延緩沖擊的作用時間，為頭部提供緩沖保護。另外也可以在一定程度上減輕頭盔的重量，讓使用者更加舒服。內襯采用軟質材料，一方面可以作為頭盔外殼和緩沖層減震功能的補充，另一方面也可以提高使用的舒適度。下頦帶8的作用是將頭部和安全帽的內殼緊密的固定在一起。?

本發明是對頭盔緩沖結構的改進，不涉及頭盔的具體構型。因此本發明可以應用于不同設計構型的頭盔。?

附圖說明

圖1是澳洲堅果殼的結構示意圖；?

圖2是澳洲堅果殼硬殼層的外表面示意圖；?

圖3是本發明所述安全頭盔的結構示意圖。?

圖4是本發明所述頭盔外殼的紋理和垂直加強筋示意圖。?

圖中：1硬殼層；2軟木層；3多邊形紋理；4垂直纖維；5頭盔外殼；51多邊形紋理；52垂直加強筋；6緩沖層；7內襯；8下頦帶。?

具體實施方式

下面結合附圖與具體實施方式對本發明作進一步詳細描述：?

如圖3所示，本發明由四部分組成，由外向內依次為:頭盔外殼5、緩沖層6、內襯7和下頦帶8。其中頭盔外殼5采用纖維增強復合材料。其微觀結構采用與澳洲堅果硬殼層相似的構型：殼體的外表面采用由五邊形和六邊形混合構成的紋理51，多邊形的直徑為30μm到50μm；在垂直于外表面的方向上設有圓柱狀的加強筋52；該加強筋的直徑為4μm到6μm之間，分布在多邊形交界的角點上，并且埋入外殼之中。緩沖層6緊貼于外殼5的內表面，采用采用泡沫材料，比如EPS、EPO、EPP等。內襯7由一定厚度的密度低且質地柔軟的材料構成，比如織物、海綿等。該層的內表面與頭部接觸。各層之間通過膠粘連接成一個整體。下頦帶5與外殼剛性連接，可以將頭部和頭盔外殼緊密的固定在一起。?

頭盔外殼5采用多邊形紋理51和垂直加強筋52的微觀構型，可以加大外殼的韌性，降低頭盔外殼被擊穿的風險。?