一种高性能防弹头盔盔壳及其制备方法

技术领域

本发明属于防弹防护装备技术领域，具体涉及一种高性能防弹头盔盔壳及其制备方法。

背景技术

防弹头盔通过吸收和分解耗散弹丸或破片动能，降低其侵彻能力，防止穿透，有效保护相关人员的头部。对防弹头盔而言，盔壳曲面形态复杂，其性能是决定头盔防护性能的最关键要素，而盔壳性能主要受其结构设计、材料性能及成型工艺两方面影响。随着材料的快速发展，盔壳材料逐渐从金属转向高性能纤维增强复合材料，这种复合材料头盔有效降低了头盔重量，同时显著提升了头盔的防护性能，符合防护装备轻质化和高性能化的发展要求。

目前防弹头盔常用的纤维复合材料为芳纶纤维材料、超高分子量聚乙烯纤维材料、碳纤维材料等中的一种或多种。其中超高分子量聚乙烯纤维的密度为0.97g/cm

盔壳的成型工艺主要包括裁片设计加工、盔壳铺制、模压成型、切割加工、表面喷涂等工序。裁片的设计及铺盔方案影响着原材料使用率，盔壳结构均匀性及质量稳定性，其工艺原则是提高原材料使用率和保证盔壳结构均匀性。为避免固化成型时发生褶皱，大多采用将所用材料裁剪成特定形状与规格，后进行裁片盔壳的铺制。常见形状及结构如图1所示。

盔壳模压工艺与模具结构、铺盔方案等相关，直接影响着头盔的最终防护性能，其中模压温度、时间、压力等参数需符合材料特性。如由于超高分子量聚乙烯纤维材料熔点低、耐高温性能差、抗蠕变性能差、受力环境下易形变等特点，其模压工艺参数需严格控制。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种高性能防弹头盔盔壳及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明提供了一种高性能防弹头盔盔壳的制备方法，包括：

选择防弹头盔盔壳的主体材料和外观材料；

根据头盔结构和预铺方案设计多种不同尺寸规格的裁片；

根据所设计裁片的尺寸，对所述主体材料和外观材料进行裁剪排版及加工，获得所述不同尺寸规格的裁片；

利用所述不同尺寸规格的裁片进行盔壳铺制，得到铺设完成的头盔；

将铺设完成的头盔放于头盔模具阳模上进行合模压制，获得压制的头盔；

将所述压制的头盔进行激光切割加工，得到最终的头盔盔壳。

在本发明的一个实施例中，选择防弹头盔盔壳的主体材料和外观材料，包括：

选择分子量为300～500万的超高分子量聚乙烯无纬布作为防弹主体材料，选择聚乙烯平纹预浸织物布作为外观材料。

在本发明的一个实施例中，根据头盔结构和预铺方案，设计多种不同尺寸规格的裁片，包括：

利用超高分子量聚乙烯无纬布设计8种裁片：1号裁片～8号裁片，其中，所述8种裁片的整体尺寸相同，均包括正方形部分和3/4圆形部分，其中，所述正方形部分的两条外侧的边分别与所述3/4圆形部分的外圆相切，所述正方形部分的两条内侧的边分别与所述3/4圆形部分的切口部分贴合；并且，所述8种裁片的内部均包括四条沿径向方向内剪线，相邻内剪线相互垂直且每条内剪线分别从所述裁片的边缘向圆心延伸至靠近圆形的位置，四条内剪线不相交；

利用超高分子量聚乙烯无纬布设计9号裁片、10号裁片和11号裁片，其中，所述9号裁片整体呈半圆形，并在所述半圆形的直边中心开设有剪口；所述10号裁片呈鼓状，包括两条平行的直边和分别连接在直边两侧的向外凸出的弧形边；所述11号裁片为圆形；

利用聚乙烯平纹预浸织物布设置12号裁片，所述12号裁片为正方形，所述正方形各条边的中间向所述正方形的心部垂直延伸有内剪线。

在本发明的一个实施例中，所述8种裁片的内剪线位置不同，1号裁片的两条内剪线分别与所述正方形部分的两条内侧的边重合，另外两条内剪线分别与这两条内剪线垂直，使得其中每两条内剪线位于同一直线上，按照编号顺序，每个裁片的内剪线相对与于前一个裁片的内剪线依次沿所述3/4圆形部分的圆心旋转预定的角度。

在本发明的一个实施例中，所述8种裁片的3/4圆形部分的半径为260～350mm，所述正方形部分的边长为260～350mm，位于同一直线上的内剪线之间的间距为142～232mm。

在本发明的一个实施例中，所述9号裁片的半圆形的半径为125～175mm，所述剪口呈三角形，所述剪口的角度为65°，边长为19～25mm；在所述10号裁片中，每条直边的长度均为120～130mm，两条直边之间的间距为120～130mm，每条弧形边的半径为85mm；所述11号裁片的半径为60～80mm。

在本发明的一个实施例中，所述12号裁片的边长为480～520mm，每条内剪线距离所述12号裁片的中心71～75mm。

在本发明的一个实施例中，利用所述不同尺寸规格的裁片进行盔壳铺制，得到铺设完成的头盔，包括：

准备1号裁片、2号裁片、3号裁片、4号裁片各5张，5号裁片、6号裁片、7号裁片、8号裁片各4张，12号裁片2张，9号裁片44张，10号裁片15张，11号裁片33张；

将2张12号裁片铺放在铺盔模具内，四个内剪线位置按顺时针方向依次搭叠，裁片浸胶面朝上；再根据1号裁片+2号裁片、3号裁片+4号裁片、5号裁片+6号裁片，7号裁片+8号裁片的组合顺序，根据裁片外形完全重合，四条内剪线依次错开，内剪线位置顺时针搭叠铺放于铺盔模具内，裁片搭叠均匀的铺制原则，利用9号裁片在头盔周向的内剪线位置进行周向补强，10号裁片与11号裁片在头盔顶部进行顶部补强的设计原则，以每两种裁片为一组，每个裁片取2张进行铺制，铺制过程中2号裁片、4号裁片、6号裁片、8号裁片的4条内剪线位置处均铺放9号裁片进行增强操作，2号裁片、4号裁片、6号裁片、8号裁片处铺放9号裁片的数量依次为3、2、2、2；2号裁片、4号裁片、6号裁片、8号裁片的头盔顶部位置铺放11号裁片和10号裁片进行增强操作，其中，在2号裁片、4号裁片、6号裁片、8号裁片的头盔顶部位置处11号裁片数量依次为3、3、3、0，10号裁片数量为3、3、3、3；

根据1号裁片+2号裁片、3号裁片+4号裁片、5号裁片+6号裁片，7号裁片+8号裁片的组合顺序，遵循两种裁片为一组，每个裁片取1张的规则，重复进行两次铺放，铺制过程中2号裁片、4号裁片、6号裁片、8号裁片在盔顶部均进行数量为3的11号裁片补强，最后进行1号裁片+2号裁片、3号裁片+4号裁片各1张的裁片铺制，在2号裁片的盔顶部位置处铺放3张11号裁片，在4号裁片上方铺放1张12号裁片，裁片浸胶面朝下。

在本发明的一个实施例中，将铺设完成的头盔放于头盔模具阳模上进行合模压制，获得压制的头盔，包括：

将铺制完成的头盔放置于头盔模具阳模上，头盔内部朝下，头盔尖角朝向盔壳后侧；将测温线从头盔尖角右端插入中心内部，开始合模压制，其中，压制温度为130±5℃，恒温保压时间1000±200s，恒温保压压力为15±2MPa，开模温度为30±5℃，压制过程中进行四次排气操作，排气温度为50～100℃，排气时头盔模具阴模抬高30±10mm。

本发明的另一方面提供了一种高性能防弹头盔盔壳，利用上述实施例中任一项所述的制备方法进行制备。

与现有技术相比，本发明的有益效果有：

1、本发明的制备方法对盔壳铺制过程中的裁片规格进行了全新设计，并且采用一次性模压成型工艺，保证了主体材料和外观材料中树脂与纤维材料基体的充分粘合，保证了盔壳的有效成型，降低了加热、冷却分段式成型过程中材料骤热骤冷对盔体结构及盔体质量带来的负面影响。

2、本发明的1～8号裁片作为防弹主体材料，其外形尺寸保证了盔壳预铺体边缘与头盔模具边缘重合，不存在模具边缘多料或少料的情况，有利于提升原材料的利用率。裁片尖角的设计便于模压过程中预铺体装模定位及盔壳出模操作。1～8号裁片的内剪线依次旋转，将裁片的内剪线位置在头盔四周均匀分布，铺盔过程中各裁片互相覆盖和搭接，有效避免盔壳预铺过程中形成的材料褶皱，提升了盔壳四周材料的均匀性，有利于在可降低由于材料不均匀对盔壳外观质量及防护性能稳定性带来的影响。

3、本发明通过设计9～11号三种裁片作为防弹补强结构，对头盔四周及顶部进行补强设计，大大提升了盔壳的轴向刚度与顶部刚度，提高了头盔的防护性能。同时9号裁片与1～8号裁片在内剪线位置形成的卡扣结构，有效增加了盔壳预铺体的结构稳定性，避免了压制过程中的增强片的位置滑移带来的质量影响。

4、本发明采用的铺盔原则为：裁片顺序由小至大，内剪线位置顺指针搭叠铺放，保证了盔壳铺制体中的纤维正交结构，以及织物中纤维屈曲和相互交织的握持效应，有利于增加有效承载冲击应力波的纤维根数，并提高冲击应力波扩散速度，同时增强了头盔主体防弹材料结构稳定性，有利于产品的质量稳定性。

5、本发明采用一次性模压成型工艺，保证了超高分子量聚乙烯无纬布与聚乙烯平纹预浸织物布中树脂与纤维材料基体的充分粘合，保证了盔壳的有效成型，降低了加热、冷却分段式成型过程中材料骤热骤冷对盔体结构及盔体质量带来的负面影响。且压制过程中的两次低温排气和两次高温排气使得预铺盔体内的空气及模压过程中树脂中的挥发成分顺利排出，有效避免了模压头盔出现气泡或鼓包的问题。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是一种防弹头盔盔壳裁片的典型结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种高性能防弹头盔盔壳的制备方法流程图；

图3是本发明实施例提供的一种1号裁片至8号裁片的结构尺寸示意图；

图4是本发明实施例提供的一种9号裁片至11号裁片的结构尺寸示意图；

图5是本发明实施例提供的一种12号裁片的结构尺寸示意图；

图6是本发明实施例提供的一种各裁片的裁剪排版示意图；

图7是本发明实施例提供的一种头盔产品的规格尺寸示意图。

具体实施方式

为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种高性能防弹头盔盔壳的制备方法进行详细说明。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种高性能防弹头盔盔壳的制备方法流程图。该制备方法包括：

S1：选择防弹头盔盔壳的主体材料和外观材料。

在本实施例中，选择高强度高模量、分子量为300～500万的超高分子量聚乙烯无纬布(UD布)作为防弹主体材料，利用无纺布结构中无交织点、纤维无屈曲、冲击波传播时不反射和转移、传递速度更快、承受子弹侵彻的纤维数量更多等特性，能够有效提高盔壳的抗冲击性能，提高头盔的防护性能。

选择聚乙烯平纹预浸织物布作为外观材料，在保护防弹主体材料结构完整性的同时，易于后续表面喷涂。

S2：根据头盔结构和预铺方案进行裁片结构设计，设计多种不同尺寸规格的裁片。

本步骤对上述防弹主体材料和外观材料的形状规格进行设计：利用作为防弹主体材料的超高分子量聚乙烯无纬布设计8种裁片：1号裁片～8号裁片(1#裁片～8#裁片)，，如图3所示，其特殊的形状规格保证了头盔结构的均匀性和防弹性能的稳定性。

具体地，这8种裁片的整体尺寸相同，均包括正方形部分和3/4圆形部分，其中，正方形部分的两条外侧的边分别与3/4圆形部分的外圆相切，正方形部分的两条内侧的边分别与3/4圆形部分的切口部分贴合；并且，这8种裁片的内部均包括四条沿径向方向的内剪线，相邻内剪线相互垂直且每条内剪线分别从裁片的边缘向圆心延伸至靠近圆形的位置，四条内剪线不相交。

上述8种裁片的内剪线位置不同，具体地1号裁片的两条内剪线分别与正方形部分的两条内侧的边重合，另外两条内剪线分别与这两条内剪线垂直，使得其中每两条内剪线位于同一直线上，按照编号顺序，每种裁片的内剪线相对于前一个裁片的内剪线依次沿3/4圆形部分的圆心旋转预定的角度。在内剪线进行旋转的过程中，有的剪线长度会发生变化。

这8种裁片的3/4圆形部分的半径为260～350mm，所述正方形部分的边长为260～350mm，位于同一直线上的内剪线之间的间距为142～232mm。

优选地，8种裁片的3/4圆形部分的半径为260mm，正方形部分的边长为260mm，位于同一直线上的内剪线之间的间距为142mm。1号裁片的四条内剪线的长度均为189mm。

如图3所示，以1号裁片为基准，2号裁片至8号裁片外形尺寸不变，四条内剪线角度依次旋转(10～20)°，剪线长度发生改变，尺寸以与外形尺寸线相交为准。至5号裁片时，其中一条内剪线正好与裁片尖角部位相交，即，与正方形部分的顶点相交。且上述8种裁片的材料同一面朝上，使预铺头盔材料经纬向一致。

随后，利用作为防弹主体材料的超高分子量聚乙烯无纬布设计9号裁片(9#裁片)、10号裁片(10#裁片)和11号裁片(11#裁片)，其中，9号裁片整体呈半圆形，并在半圆形的直边中心开设有剪口；10号裁片呈鼓状，包括两条平行的直边和分别连接在直边两侧的向外凸出的弧形边；11号裁片为圆形。

在本实施例中，9号裁片、10号裁片和11号裁片均为小号裁片，不同的形状决定着其应用位置不同，这三种规格裁片分别在铺盔环节进行头盔四周及顶部的加强设计，可有效提高防弹头盔的周向刚度以及顶部刚度。9号裁片用于头盔四周，10号裁片和11号裁片用于头盔顶部。

9号裁片的半圆形的半径为125～175mm，所述剪口呈三角形，边长为19～25mm；在10号裁片中，每条直边的长度均为120～130mm，两条直边之间的间距为120～130mm；11号裁片的半径为60～80mm。

优选地，9号裁片的半圆形的半径为125mm，剪口呈三角形，剪口的角度为65°，边长为19mm。在10号裁片中，每条直边的长度均为120mm，两条直边之间的间距为120mm，每条弧形边的半径为85mm；11号裁片的半径为60mm。

此外，利用聚乙烯平纹预浸织物布设置12号裁片(12#裁片)，12号裁片为正方形，正方形各条边的中间向正方形的心部垂直延伸有内剪线。请参见图5，图5是本发明实施例提供的一种12号裁片的结构尺寸示意图。

12号裁片的边长为480～520mm，每条内剪线距离12号裁片的中心71～75mm。优选地，12号裁片的边长为480mm，每条内剪线距离所述十二号裁片的中心71mm。

S3：根据所设计裁片的尺寸，对所述主体材料和外观材料进行裁剪排版及加工，获得不同尺寸规格的裁片。

请参见图6，图6是本发明实施例提供的一种各裁片的裁剪排版示意图。具体地，对选定的超高分子量聚乙烯无纬布进行原材料裁剪排版，通过自动裁床设备进行加工，得到1号裁片～11号裁片，如图6(a)所示。同样地，对聚乙烯平纹预浸织物布进行裁剪加工，得到12号裁片，裁剪排版如图6(b)所示。本实施例的排版方式可以有效提升原材料的利用率。

S4：利用所述不同尺寸规格的裁片进行盔壳铺制，得到铺设完成的头盔。

本发明提供了一种新型的头盔盔壳的铺制体制作过程。即将1～8号裁片作为防弹主体材料，9～11号裁片作为四周及顶部补强材料，12号裁片作为头盔内外部表面材料，按照盔壳铺制设计方案进行盔体铺制。铺制过程中1～8号裁片在内剪线位置进行顺时针搭叠，形成周向重叠增强；9号裁片的剪口与1～8号裁片的内剪线卡接，形成侧向增强；10～11号裁片铺放在头盔顶部形成顶部增强。

具体地，请参见表1，首先准备1号裁片、2号裁片、3号裁片、4号裁片各5张，5号裁片、6号裁片、7号裁片、8号裁片各4张，12号裁片2张，9号裁片44张，10号裁片15张，11号裁片33张。

将2张12号裁片铺放在铺盔模具内，四个内剪线位置按顺时针方向依次搭叠，裁片浸胶面朝上；再根据1号裁片+2号裁片、3号裁片+4号裁片、5号裁片+6号裁片，7号裁片+8号裁片的组合顺序，根据裁片外形完全重合，四条内剪线依次错开，内剪线位置顺时针搭叠铺放于铺盔模具内，裁片搭叠均匀的铺制原则，利用9号裁片在头盔周向的内剪线位置进行周向补强，10号裁片与11号裁片在头盔顶部进行顶部补强的设计原则，以每两种裁片为一组，每个裁片取2张进行铺制，铺制过程中2号裁片、4号裁片、6号裁片、8号裁片的4条内剪线位置处均铺放9号裁片进行增强操作，2号裁片、4号裁片、6号裁片、8号裁片处铺放9号裁片的数量依次为3、2、2、2；在2号裁片、4号裁片、6号裁片、8号裁片的头盔顶部位置处11号裁片数量依次为3、3、3、0，10号裁片数量为3、3、3、3。

根据1号裁片+2号裁片、3号裁片+4号裁片、5号裁片+6号裁片，7号裁片+8号裁片的组合顺序，遵循两种裁片为一组，每个裁片取1张的规则，重复进行两次铺放，铺制过程中2号裁片、4号裁片、6号裁片、8号裁片在盔顶部均进行数量为3的11号裁片补强，最后进行1号裁片+2号裁片、3号裁片+4号裁片各1张的裁片铺制，在2号裁片的盔顶部位置处铺放3张11号裁片，在4号裁片上方铺放1张12号裁片，裁片浸胶面朝下。

表1防弹头盔铺盔结构说明

总之，裁片的铺制原则为：1～8号裁片铺放按顺序铺放，保证4张裁片外形完全重合，四条内剪线依次错开，内剪线位置顺指针搭叠铺放与铺盔模具内，以此保证裁片内剪线按设计依次错开，裁片整体搭叠均匀，盔壳四周层数一致，有效保证盔壳结构均匀性。注意各个内剪线位置裁片之间的搭叠到位，避免出现裁片之间未搭叠到位，而影响该位置防护性能的情况。裁片顺序由小至大，内剪线位置顺指针搭叠铺放，保证了盔壳铺制体中的纤维正交结构，以及织物中纤维屈曲和相互交织的握持效应，有利于增加有效承载冲击应力波的纤维根数，并提高冲击应力波扩散速度，同时增强了头盔主体防弹材料结构稳定性，有利于产品的质量稳定性。

上述步骤中的裁片铺放数量根据头盔防护等级或枪弹，头盔结构及模具结构进行方案设计，只要保证整体铺放原则不变，便可保证此方案的结构稳定性及材料均匀性。

本发明实施例对盔壳铺制过程中的裁片规格进行了全新设计，1～8号裁片作为防弹主体材料，其外形尺寸保证了盔壳预铺体边缘与头盔模具边缘重合，不存在模具边缘多料或少料的情况，有利于提升原材料的利用率。裁片尖角的设计便于模压过程中预铺体装模定位及盔壳出模操作。1～8号裁片的内剪线依次旋转，将裁片的内剪线位置在头盔四周均匀分布，铺盔过程中各裁片互相覆盖和搭接，有效避免盔壳预铺过程中形成的材料褶皱，提升了盔壳四周材料的均匀性，有利于在可降低由于材料不均匀对盔壳外观质量及防护性能稳定性带来的影响。

本发明通过设计9～11号三种裁片作为防弹补强材料，对头盔四周及顶部进行补强设计，大大提升了盔壳的轴向刚度与顶部刚度，提高了头盔的防护性能。同时9号裁片与1～8号裁片在内剪线位置形成的卡扣结构，有效增加了盔壳预铺体的结构稳定性，避免了压制过程中的增强片的位置滑移带来的质量影响。

S5：将铺设完成的头盔放于头盔模具阳模上进行合模压制，获得压制的头盔。

具体地，将铺设完成的头盔放于头盔模具阳模上，头盔内部朝下，头盔尖角朝向盔后侧。同时，将测温线从头盔尖角右端插入中心内部，约边缘往里10cm处，开始合模压制。压制温度为130℃±5℃，恒温保压时间1000±200s，恒温保压压力为15±2MPa，开模温度为30±10℃。压制过程中进行四次排气操作，排气温度为50～100℃，排气时头盔模具抬高30±10mm。

本发明采用一次性模压成型工艺，保证了超高分子量聚乙烯无纬布与聚乙烯平纹预浸织物布中树脂与纤维材料基体的充分粘合，保证了盔壳的有效成型，降低了加热、冷却分段式成型过程中材料骤热骤冷对盔体结构及盔体质量带来的负面影响。且压制过程中的两次低温排气和两次高温排气使得预铺盔体内的空气及模压过程中树脂中的挥发成分顺利排出，有效避免了模压头盔出现气泡或鼓包的问题。

S6：将压制的头盔进行激光切割加工，得到最终的头盔盔壳。

将压制好的头盔按照图7所示的头盔规格尺寸进行激光切割加工，按照头盔盔型尺寸切割掉多余边料，便得到了符合NIJ(美国防弹标准)0106.01(修订版)防弹头盔标准中ⅢA级防护性能的防弹头盔，其重量为850～860g。

需要注意的是，切割过程中激光切割机的激光束沿着盔壳坯体的沿边线切割飞边，切割整齐无毛边，切边应顺直，切口平整，边缘整齐顺直，弧线流畅，无偏歪、缺口、虚边及缺层现象。上述步骤中的盔壳指符合防弹性能要求的特定盔型裸盔，本发明实施例的内容不包含头盔盔壳的聚脲喷涂操作。

本发明的另一实施例还提供了一种高性能防弹头盔盔壳，利用上述实施例的制备方法进行制备。

接下来，结合NIJ 0106.01《防弹头盔性能测试标准》及NIJ 0101.06《个体防弹衣弹道防护能力》IIIA级(.44Mag)弹头类型及初速度，对发明实施例制作的头盔盔壳进行防弹性能测试。测试枪弹条件为子弹尺寸、结构及材质：(44Magnum SJHP SC)；弹头质量：15.6g；弹速：436±15 m/s；射距：5m；射角：0°；射击次数：4(前、后、左、右)/顶。测试结果如表2所示。

表2.防弹头盔盔壳防护性能测试结果

从表2可以看出，从不同的射击部位包括盔前侧、盔左侧、盔右侧和盔后侧进行射击，利用本发明实施例制备的高性能防弹头盔盔壳均为未穿透状态，同时在防弹头盔未被击穿的前提下，防弹头盔各射击部位的弹痕高度即凹陷均小于44mm，说明该防弹头盔具有优异的防护性能。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。