三維角聯(lián)鎖織物增強(qiáng)頭盔殼體的制備及其抗沖擊性能研究

高 歡 陳曉鋼 BILAL ZAHID 季 濤

1. 南通大學(xué)，江蘇 南通 226000； 2. 曼徹斯特大學(xué)， 曼徹斯特 M13 9PL，英國； 3. NED工程技術(shù)大學(xué)， 卡拉奇 75270，巴基斯坦

頭盔主要用于人們在軍事、警務(wù)、消防、運(yùn)動(dòng)和休閑等活動(dòng)中對頭部進(jìn)行保護(hù)，以減輕各種形式的外部沖擊，避免佩戴者受到傷害。據(jù)英軍統(tǒng)計(jì)，戰(zhàn)場上佩戴頭盔可降低19%的死亡率[1]。伊拉克戰(zhàn)爭時(shí)期，美軍因頭頸部受傷害而導(dǎo)致的傷亡約占70%[2]。我國每年道路交通事故死亡人員中，頭部損傷約占66%，騎摩托車和自行車者頭部損傷占比更高[3]，而騎行時(shí)佩戴頭盔可降低85%的頭部受傷風(fēng)險(xiǎn)[4]。

現(xiàn)代頭盔大多由高性能纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成。與傳統(tǒng)的金屬材料和熱塑性材料相比，復(fù)合材料頭盔殼體不僅有效地減輕了質(zhì)量，還顯著地提高了防護(hù)性能。常規(guī)的復(fù)合材料頭盔殼體多選用二維織物，即先將織物切成大小不一的條狀，再采用手糊法平鋪于陰模之上，固化后形成頭盔殼體[5-6]。Min等[7]比較了連續(xù)與不連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的抗沖擊性能。結(jié)果表明，連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料對沖擊能量的吸收值較不連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料提高了19.3%，原因與后者的纖維不連續(xù)，導(dǎo)致材料應(yīng)力集中，降低了材料對沖擊能量的吸收有關(guān)。Cox等[8]研究表明，采用整片三維織物增強(qiáng)的復(fù)合材料比二維層壓材料具有更好的抗分層性。王彥杰等[9]研究了芳綸針織物制作頭盔殼體的手糊成型方法。謝婉晨[10]研究了采用陰模模具在真空輔助條件下制備頭盔殼體的方法。

本文將利用三維角聯(lián)鎖織物良好的可模塑性[11]，采用真空輔助懸垂技術(shù)(VADT)和真空輔助樹脂傳遞模塑(VARTM)工藝相結(jié)合的方法，使用陽模模具，制備由整片織物增強(qiáng)的頭盔殼體，并研究其抗沖擊性能。

1 試驗(yàn)部分

1.1 增強(qiáng)用三維角聯(lián)鎖織物的織造

經(jīng)紗和緯紗均選用168 tex 的Twaron?芳綸長絲，其主要性能包括密度1.44 g/cm3、抗拉強(qiáng)度3.6 GPa、 斷裂強(qiáng)度2.45 N/tex、模量80.0 GPa、斷裂伸長率3.3%等。

利用George Wood Shepshed Leics織布機(jī)織造三維角聯(lián)鎖織物，上機(jī)圖如圖1所示。織物組織采用五層角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)，經(jīng)紗密度為8.5根/cm，緯紗密度為26.0根/cm，門幅70 cm。織造過程中向長絲噴水以減少單絲的纏繞與打結(jié)。

圖1 三維角聯(lián)鎖織物的上機(jī)圖

1.2 復(fù)合材料頭盔殼體的制備

將制得的三維角聯(lián)鎖織物覆于頭盔殼模具之上。由于VARTM工藝過程中易造成織物的不平整，因此先采用VADT對覆蓋于模具之上的織物進(jìn)行處理，再采用VARTM工藝加以成型。

VADT具體操作過程：

(1) 頭盔殼模具表面先覆蓋隔離膜，再鋪放已裁剪成70 cm×70 cm的三維角聯(lián)鎖織物。因角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)具有可模塑性，故施加適當(dāng)?shù)睦墒谷S角聯(lián)鎖織物與模具充分貼合。

(2) 對模具邊緣處的織物涂覆環(huán)氧樹脂，用折疊夾固定，剪去超出模具外的多余織物。

(3) 制作真空袋包覆頭盔殼模具，抽真空，撤去折疊夾，使織物完全貼附于頭盔殼模具之上，以避免后續(xù)注塑過程中織物褶皺的形成。

(4) 放置24 h，等待環(huán)氧樹脂固化。

(5) 剝?nèi)フ婵沾眉舻缎藜裟＞咄舛嘤嗟目椢铮冒卜季]織物的頭盔殼體模具照片如圖2所示。

VARTM工藝操作過程如圖3所示，具體為：

(1) 將VADT處理獲得的包覆芳綸織物的頭盔殼體模具裹上一層脫模布[圖3b)]，表面覆蓋導(dǎo)流網(wǎng)[圖3c)]，導(dǎo)流螺旋管放于頂部[圖3d)]。

圖2 VADT處理后所得頭盔殼體

(2) 樹脂導(dǎo)管放置于模具一側(cè)的下方，作為樹脂入口；真空管放置于模具另一側(cè)的上方，連接真空泵，作為空氣和多余樹脂的出口。將塑料膜覆蓋于頭盔殼體之上，制成真空袋[圖3e)]。

(3) 打開真空泵，將真空袋內(nèi)真空度抽至-0.1 MPa。 將IN2環(huán)氧樹脂與AT30硬化劑(Easy CompositesTM)按質(zhì)量比100∶30混合均勻，注入樹脂導(dǎo)管，使織物在真空條件下充分浸漬 [圖3f)]。

(4) 室溫下放置24 h，待樹脂固化后脫模，即制得復(fù)合材料頭盔殼體(圖4)。

圖3 VARTM工藝制備復(fù)合材料頭盔殼體的過程

圖4 采用VADT與VARTM工藝制得的復(fù)合材料頭盔殼體

本文將利用三維角聯(lián)鎖織物，采用VADT和VARTM工藝，制備單層和雙層復(fù)合材料頭盔殼體。

1.3 頭盔殼體的性能測試

1.3.1 厚度

按照PSDBProtectiveHeadwearStandardforUKPolice(2004)[12]標(biāo)準(zhǔn)測試單層頭盔殼體的厚度。以基本平面(外耳道和眼窩下緣水平的平面)、冠狀中平面、矢狀中平面為基準(zhǔn)(圖5)，在頭盔殼頂部、后部和側(cè)面取2 cm×2 cm的區(qū)域，用螺旋千分尺測量頭盔殼厚度，每個(gè)部位測5次， 結(jié)果取平均值。

圖5 頭型基本平面示意

1.3.2 密度

按照BS EN ISO 1183-1∶2019[13]標(biāo)準(zhǔn)測試單層頭盔殼體的密度。取頭盔頂部、后部和側(cè)面尺寸為2 cm×2 cm的試樣各5塊，分別測量試樣在空氣中的質(zhì)量(m1)和水中的質(zhì)量(m2)。取水的密度(ρ水)為0.998 g/cm3，根據(jù)式(1)計(jì)算出試樣的密度(ρs)：

(1)

1.3.3 曲率

通過Rhinoceros建立單層頭盔殼體的幾何模型(圖6)[14]。圖6中，P點(diǎn)是頭盔殼體上兩條互相垂直的弧線的交點(diǎn)。d和l分別為頭盔殼體上弧線對應(yīng)的高度和弦長。根據(jù)勾股定理可推導(dǎo)出弧線對應(yīng)的半徑R的計(jì)算式[式(2)]，再根據(jù)半徑R可計(jì)算出頭盔殼體表面P點(diǎn)的曲率C[式(3)]。由于P點(diǎn)是取兩條互相垂直的弧線的交點(diǎn)，故P點(diǎn)對應(yīng)兩個(gè)曲率即雙曲率C1和C2。

圖6 頭盔殼體集合模型

(2)

(3)

1.3.4 抗沖擊性能

根據(jù)NIJ 0104.02[15]標(biāo)準(zhǔn)，使用Dynatup 8200落錘沖擊測試機(jī)測試單層頭盔殼體的抗沖擊性能，落錘質(zhì)量取4.66 kg。本文分別以5.6、15.6和25.6 J的沖擊能量對單層頭盔殼體的3個(gè)部位即側(cè)面、后部和頂部進(jìn)行沖擊測試；以25.6 J的沖擊能量對雙層頭盔殼體的3個(gè)部位即側(cè)面、后部和頂部進(jìn)行沖擊測試。利用能量吸收率(η)和力衰減系數(shù)(fatt)表征頭盔殼體的抗沖擊性能，其中fatt用于表征材料對碰撞的阻擋效果。

(4)

式中：E——吸收能量；

K——沖擊能量。

(5)

式中：Ft——抗沖擊試驗(yàn)中從頭盔殼體內(nèi)表面收集并測得的傳遞力，即剩余沖擊力；

F——沒有試樣的情況下直接作用于砧板的沖擊力。

2 結(jié)果與討論

2.1 單層頭盔殼體的厚度

經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，單層頭盔殼體側(cè)面和后部的平均厚度均為0.988 mm，頂部的厚度為0.890 mm。頂部的厚度較側(cè)面和后部薄，這與三維角聯(lián)鎖織物的剪切特性有關(guān)[16]。頭盔殼體的頂部是織物的非剪切區(qū)域，而側(cè)面和后部在懸垂時(shí)會(huì)出現(xiàn)剪切現(xiàn)象。真空成型的過程中，非剪切區(qū)域的三維角聯(lián)鎖織物具有更多的可壓縮空間。

2.2 單層頭盔殼體的密度

經(jīng)測試得到，單層頭盔殼體頂部、側(cè)面和后部的密度分別為1.219、1.216和1.213 g/cm3。不同部位的密度接近，表明VADT和VARTM工藝相結(jié)合，可制備質(zhì)地均勻的復(fù)合材料頭盔殼體。

2.3 單層頭盔殼體的曲率

圖7顯示了頭盔殼體側(cè)面、后部和頂部三個(gè)點(diǎn)的雙曲率。可以看出，頭盔殼體頂部位置的雙曲率最高，頭盔側(cè)面的雙曲率最低。

圖7 頭盔殼體不同部位的雙曲率

2.4 頭盔殼體的抗沖擊性能

2.4.1 能量吸收率

圖8為單層頭盔殼體三個(gè)部位即側(cè)面、后部和頂部對不同沖擊能量的能量吸收率；圖9對比了單層和雙層頭盔殼體三個(gè)部位對25.6 J沖擊能量的能量吸收率。

圖8 單層頭盔殼體不同部位對不同沖擊能量的能量吸收率

圖9 單層和雙層頭盔殼體不同部位對25.6 J沖擊能量的能量吸收率

從圖8可以看出，單層頭盔殼體不同部位的能量吸收率有顯著區(qū)別。單層頭盔殼體受撞擊時(shí)，頂部吸收的能量最多，側(cè)面吸收的能量最少。其中，當(dāng)沖擊能量為5.6 J時(shí)，單層頭盔殼體頂部的能量吸收率達(dá)69.81%。這一方面是由于頭盔殼體受撞擊時(shí)沖擊能量以應(yīng)力波的形式向四周傳遞，頭盔頂部到邊緣的距離較長，能量能散布在更寬的區(qū)域上。另一方面是由于頭盔殼體系穹頂形結(jié)構(gòu)，殼體曲率對抗沖擊性能有很大的影響。曲率越大，抗沖擊性能越好。頂部的曲率相較于頭盔殼體的其他部位大，故頂部的能量吸收率高。這一規(guī)律已在文獻(xiàn)[14]中得到佐證。

圖9也顯示了雙層頭盔殼體受到撞擊時(shí)頂部吸收的能量最多、側(cè)面吸收的能量最少的特性。此外，雙層頭盔殼體較單層頭盔殼體的能量吸收率有所提高，其中，頂部的能量吸收率比單層頭盔殼體頂部高出5.11%。這是由于頭盔殼體中增強(qiáng)纖維含量越高，則應(yīng)力波傳遞速度越快，擴(kuò)散的沖擊能量越多，故能量吸收效果越好[17]。

2.4.2 力衰減系數(shù)

材料受到?jīng)_擊時(shí)，能量會(huì)從受沖擊的材料的一面?zhèn)鬟f到材料的另一面。在這過程中，試樣對沖擊力也起到了阻擋作用。力衰減系數(shù)可表征試樣對沖擊力的阻擋效果，力衰減系數(shù)越高則試樣對沖擊力的阻擋效果越好。對于同一厚度的復(fù)合材料，測得的剩余沖擊力與沖擊速度呈正比[18]，即沖擊速度越大，所產(chǎn)生的沖擊能量越大，傳遞到防護(hù)材料另一面的剩余沖擊力越大。

圖10顯示了單層頭盔殼體三個(gè)部位即側(cè)面、后部和頂部對不同沖擊能量的力衰減系數(shù)；圖11對比了單層和雙層頭盔殼體三個(gè)部位對25.6 J沖擊能量的力衰減系數(shù)。

圖10 單層頭盔殼體不同部位對不同沖擊能量的力衰減系數(shù)

圖11 單層和雙層頭盔殼體不同部位對25.6 J沖擊能量的力衰減系數(shù)

由圖10可知：力衰減系數(shù)隨沖擊能量的增加而減小；單層頭盔殼體頂部的力衰減系數(shù)始終高于側(cè)面和后部，且側(cè)面和后部的力衰減系數(shù)無顯著差異。其中，當(dāng)沖擊能量為5.6 J時(shí)，單層頭盔殼體頂部的力衰減系數(shù)達(dá)26.09%。

由圖11可知：雙層頭盔殼體的抗沖擊表現(xiàn)與單層頭盔殼體相同，頭盔殼體頂部的力衰減系數(shù)始終高于側(cè)面和后部。這一表現(xiàn)與曲率有關(guān)，高曲率區(qū)域其支撐、拉伸和壓縮負(fù)載性能好，故對沖擊能量的阻擋效果明顯。與單層頭盔殼體相比，由雙層織物增強(qiáng)的雙層頭盔殼體中纖維體積分?jǐn)?shù)較高，加之纖維的彈性模量遠(yuǎn)大于樹脂的彈性模量，故雙層頭盔殼體表現(xiàn)出更大的力衰減系數(shù)。其中，雙層頭盔殼體頂部的力衰減系數(shù)為單層頭盔殼體頂部的1.25倍。

此外，隨著沖擊能量的增加，最大沖擊力增大且沖擊作用時(shí)間減少，即沖擊力增速增大，沖擊力峰值提前，故對材料造成的沖擊損傷增大。

3 結(jié)論

(1) 以168 tex的芳綸長絲織造的三維角聯(lián)鎖織物作為頭盔殼體的增強(qiáng)材料，再采用VADT和VARTM工藝相結(jié)合的方法，可制作出光滑無褶皺的復(fù)合材料頭盔殼體。

(2) 頭盔殼體不同部位的曲率不同，其抗沖擊性能也不同。頭盔殼體頂部的曲率最高，其沖擊防護(hù)性能更好，側(cè)面和后部的防護(hù)效果不及頂部。當(dāng)沖擊能量為5.6 J時(shí)，單層頭盔殼體頂部的能量吸收率和力衰減系數(shù)均達(dá)到最高(分別為69.81%和26.09%)。提高頭盔殼體后部和側(cè)面的曲率可改善頭盔殼體的整體防護(hù)性能。

(3) 在25.6 J沖擊能量的作用下，雙層頭盔殼體比單層頭盔殼體表現(xiàn)出更好的抗沖擊性能，其頂部位置的能量吸收率較單層頭盔殼體頂部高出5.11%，力衰減系數(shù)為單層頭盔殼體的1.25倍。