探討混雜纖維復合材料頭盔的設計與制備

李炎鋒

摘要：當前使用混雜纖維（Kevlar/碳）進行頭盔制定時，利用有限元分析其多種鋪層方式后的固化與變形，并按照頭盔的變形發生位置，以及小變形量的相關要求，確認在CF/KF以及GF混雜方式下頭盔[02c/904k/02c]的鋪層方式，從而保障頭盔和外部設備在進行安裝時，不會受到影響。使用VARI工藝進行頭盔制備，并且對C/K混雜纖維以及碳纖維復合材料進行沖擊性實驗。就實驗結果可知，相比碳纖維復合材料，C/K混雜纖維耐沖擊性能顯著較優。

關鍵詞：混雜纖維;復合材料;頭盔;設計與制備

引言：當前使用先進的復合材料，因為存在耐腐蝕、高溫以及具備高模量等特點，在極限運動以及航空等領域使用較為廣泛[1]。當前無論是通用的GFRP、還是具有高性能的AFRP、CFRP，其均存在各自的不足以及優勢[2]。若將2類或多纖維進行聯合使用，可以有效發揮其各自的特征，從而發揮復合材料性能，降低制作成本。且能夠使混雜纖維復合材料性能得到有效提升。

1、頭盔熱變形的有限元分析

1.1 頭盔工況

當前所設計，頭盔的厚度在2.0mm，共10層，每層厚度在0.2mm。目前在制作頭盔時，其所使用增強材料并不一致，即碳/Kevlar混雜纖維以及碳纖維。當前頭盔出現變形的溫差在△T=165℃，在模擬時，對頭盔兩側圓孔實施固定[3]。

1.2 CF/LF/CF夾芯混雜頭盔的熱變形

在進行夾芯混雜時，Kevlar纖維中芯層分為2層與3層。當設計為2層時，其最大變形發生位置在頂部，產生較大威脅。芯部位4層時，頭盔變形結果見表1。

在對比4中鋪層方法后，可知[02C/904K/02C]與[0C/90C/04k/90C/0C]頭盔的變形量相對較小;[0C/90C/±452k/90C/0C]和[±45C/±45K]S的變形量則會逐步增大。分析其中存在的問題，主要是由于[0C/90C/±452k/90C/0C]和[±45C/±45K]的頭盔變形主要是在頭盔頂部集中，而其他位置變形較小[4]。而[02C/904K/02C]與[0C/90C/04k/90C/0C]其最大的變形量主要是在下冊，從而減小變形量，使頂部的變形量較小。依據頭盔變形的發生位置，以及小變量的需求，CF/LF/CF夾芯混雜頭盔選擇使用[02C/904K/02C]鋪層方式。分析原因，主要是因為碳纖維以及Kevlar纖維相比縱向，橫向熱膨脹系數顯著較大。加之兩側碳纖維的鋪層角度為0°，Kevlar纖維鋪層為90°，因此在高溫固化的形勢下，Kevlar纖維的熱膨脹會有所削弱，減小變形量。

1.3 KF/CF/KF夾芯混雜頭盔的熱變形

所謂 KF/CF/KF夾芯混雜頭盔。即在進行夾芯混雜頭盔設計時，在外側兩層鋪放Kevlar纖維，其夾芯則為碳纖維[5]。在實施有限元變形預測后，該種鋪層方式之下，頭盔出現變形的位置，均為頂部位置，并且具有較大的變形量。因此目前C/K混雜纖維頭盔不采取KF/CF/KF鋪層。

綜上所述，當前CF/KF混雜頭盔進行鋪層時，[0C/90K]4、[02C/904K/02C]以及[0C/90C/04k/90C/0C]三種鋪層方式最大變形量的發生位置與頭盔使用要求相符合，且其中[02C/904K/02C]鋪層方式，在固化時，頭盔出現熱變形量最小。

2、頭盔的制備與性能測試

在進行頭盔制備時，利用真空管柱VARI工藝效果具有較佳效果。當期VARI屬于一種新型的低成本大型構件成型技術。其主要是利用真空條件下，將纖維增強體之中的氣體進行排除，隨后利用樹脂的流動、滲透，保障其對纖維與其織物的浸漬。在該工藝之中，進行頭盔制備的磨具屬于組合式2片陰模，可以保障頭盔成型之后外表處于光滑的狀態。在進行制作時，應先對模具進行清理，保障頭盔中心對稱軸在90°方向。隨后依據[02C/904K/02C]方式，進行纖維增強體鋪放，首先進行倒流布鋪放，隨后進行密封膠帶粘貼，最后真空袋封固。工作人員在頭盔的頂部位置設置注膠口，頭盔的邊沿應設置出料口，進行重模，時間在10min。在固化后全脫模后，頭盔表面光滑，未存在干點，且尺寸測試的結果與設計要求一致，則為制作完成。

3、結束語

在探究頭盔鋪層設計對變形影響時，實施有限元軟件分析后可知C/K混雜纖維頭盔的鋪層方式[02c/904k/02c]效果最佳。究其原因，是其使頭盔固化之中的變形在底部集中，因此變形量較小，能夠保障頭盔與外部設備處于穩定狀態。其次，在進行頭盔制備時，利用真空管柱VARI工藝效果顯著，在使頭盔處于外表光滑的基礎上，降低孔隙率，提高性能，滿足用戶的使用需求。

參考文獻

[1] 張國利， 童亞敏， 徐靖， 等. 鋪層角度對頭盔殼體用碳/芳綸混雜纖維復合材料力學性能的影響[J]. 天津工業大學學報， 2021， 40（4）：7.

[2] 王曉宏， 劉長喜， 畢鳳陽，等. 非等厚碳纖維復合材料彈性膜盤結構的設計及制作[J]. 昆明理工大學學報：自然科學版， 2021， 46（1）：10.

[3] 李長春， 董超， 高志勇，等. 基于碳纖維復合材料的再入飛行器彈翼結構設計與研究[J]. 導彈與航天運載技術， 2019（5）：5.

[4] 葉斌斌， 韓建國， 潘鵬，等. 芳綸纖維和超高分子量聚乙烯纖維制備工程用纖維/水泥復合材料的適用性[J]. 復合材料學報， 2019，36（1）： 245-253.

[5] 錢伯章. 德國開發碳纖維復合材料與鋁材料連接的新技術[J]. 合成纖維， 2019， 48（2）：1.