[發明專利]基于多元耦合仿生的柞蠶碳纖維復合材料頭盔及制備方法

在審

• 申請號: 202210475531.0
• 申請日: 2022-04-29
• 公開（公告）號: CN114683578A
• 公開（公告）日: 2022-07-01
• 發明（設計）人: 楊康;秦楠楠;余浩天;李皓曈;張芷涵;胡澤平;戴威龍
• 申請（專利權）人: 安徽工業大學
• 主分類號: B29C70/34
• 分類號: B29C70/34;B29C70/54;A42B3/04;B29L31/48
• 代理公司: 北京康達聯禾知識產權代理事務所(普通合伙) 11461
• 代理人: 王更星

本發明公開了基于多元耦合仿生的柞蠶碳纖維復合材料頭盔及制備方法，包括頭盔殼體和多元仿生要素，所述頭盔殼體包括增強層，其中增強層的內壁粘接有柞蠶絲碳纖維混雜復合材料層，而柞蠶絲碳纖維混雜復合材料層的內壁粘接有緩沖層，最終制備出具有增強層，混雜復合材料層，緩沖層三種層層包裹的頭盔殼體；多元仿生要素共四種：指數剛度梯度結構、跨尺度多級波浪界面形態、可控孔隙含量、尺寸和空間分布結構、軟硬相協同仿生結構。本發明解決了現有的頭盔在受到外部作用力后，容易造成頭盔的凹陷，嚴重時造成頭盔的損壞，不能夠對沖擊力進行有效的吸收，不能夠保證使用者頭部的安全，存在一定安全隱患的問題。

技術領域

本發明涉及頭盔技術領域，具體為基于多元耦合仿生的柞蠶碳纖維復合材料頭盔及制備方法。

背景技術

頭盔是保護頭部的裝具，是軍人訓練、作戰時戴的帽子，是人們交通中不可或缺的工具，分為軍用頭盔、警用頭盔和民用頭盔等，它多呈半圓形，主要由外殼、襯里和懸掛裝置三部分組成，外殼分別用特種鋼、玻璃鋼、增強塑料、皮革、尼龍等材料制作，以抵御彈頭、彈片和其他打擊物對頭部的傷害。

現有的頭盔結構單一，抗沖擊性能差，頭盔在受到外部作用力后，容易造成頭盔的凹陷，頭盔的損傷面積大，嚴重時造成頭盔的損壞，不能夠對沖擊力進行有效的吸收，不能夠保證使用者頭部的安全，存在一定的安全隱患。

發明內容

本發明的目的在于提供基于多元耦合仿生的柞蠶碳纖維復合材料頭盔及制備方法，具備頭盔在受到外部作用力后不會產生凹陷，對沖擊力進行有效吸收，最大化程度的減小頭盔的損傷面積，保證使用者頭部安全的優點，解決了現有的頭盔結構單一，抗沖擊性能差，頭盔在受到外部作用力后，容易造成頭盔的凹陷，頭盔的損傷面積大，嚴重時造成頭盔的損壞，不能夠對沖擊力進行有效的吸收，不能夠保證使用者頭部的安全，存在一定安全隱患的問題。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：基于多元耦合仿生的柞蠶碳纖維復合材料頭盔，包括頭盔殼體和多元仿生要素，所述頭盔殼體包括增強層，所述增強層的內壁粘接有柞蠶絲碳纖維混雜復合材料層，所述柞蠶絲碳纖維混雜復合材料層的內壁粘接有緩沖層；

多元仿生要素共四種：指數剛度梯度結構、跨尺度多級波浪界面形態、可控孔隙結構、軟硬相協同仿生結構。

優選的，所述對指數剛度梯度結構的設計包括：通過對不同面密度的織物進行鋪層設計，獲得具有指數剛度梯度的層合板結構，最外二層采用面密度為260kg m^-2碳纖維織物，次外二層采用面密度為200kg m^-2的碳纖維織物，內層分別采用135kg m^-2和90kg m^-2的柞蠶絲纖維織物，該設計以甲殼蟲鞘翅的梯度結構為仿生模板。

優選的，所述對跨尺度多級波浪界面形態的設計包括：通過具有單向/雙向波浪形態的模具成型，利用VARTM進行預固化；進而采用平整形態模具進行二次固化成型，形成表面平整、內部波浪形態的層合板結構，該設計以動物犄角的波浪層合界面為仿生模板。

優選的，所述對可控孔隙結構的設計包括：采用硅烷偶聯劑對玻璃微珠進行表面預處理，添加1.5wt％中空玻璃微珠模擬動物體內孔隙結構，該設計以動物犄角的孔隙結構為仿生模板。

優選的，所述對軟硬相協同仿生結構的設計包括：利用蠶絲織物的高韌性和碳纖維的高剛度實現軟硬相協同仿生增韌設計，該設計以珍珠母軟硬交錯結構為仿生模板。

優選的，所述對“自上而下”的仿生結構的構造包括：與各類“自下而上”的化學仿生手段不同，本方法利用蠶絲纖維/玻璃微珠預處理+真空輔助樹脂模塑成型進行大尺寸仿生制造，可實現短周期、低成本、批量化、跨尺度微孔仿生復合材料制備。