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由热塑性复材制成的坚固头盔

来源:荣格-《国际复材技术商情》 发布时间:2021-11-12 949
化工塑料橡胶塑料加工设备模具及零件材料处理、计量与检测原料及混合物添加剂及母粒其他增强塑料 技术前沿
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在机械与航空航天工程学院Leong Kah Fai副教授的带领下,该团队创造了一款复合材料头盔,外壳主要由碳纤维增强丙烯酸热塑性树脂制成。

新加坡南洋理工大学(NTU Singapore)的研究人员与法国特种材料领导者阿科玛(Arkema)合作,使用多种材料组合开发了一种更坚固、更安全的自行车头盔。新的头盔原型具有更高的能量吸收,减少了在发生事故时传递到自行车骑者头部的能量,并降低了严重受伤的机会。


在机械与航空航天工程学院Leong Kah Fai副教授的带领下,该团队创造了一款复合材料头盔,外壳主要由碳纤维增强丙烯酸热塑性树脂制成。

它是如何制作的?

采用单件铝模真空辅助树脂注射工艺制备复合材料头盔。预成型步骤是将三层(0.4 mm厚)±45◦编织的碳纤维(尺寸为450 × 420 mm²)切割并放入模具中。


自行车头盔由两部分组成。第一层是外壳,通常由大规模生产的塑料(如聚碳酸酯)制成。在它下面是一层发泡聚苯乙烯泡沫——与产品包装和外卖盒中使用的材料相同。


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外壳设计为受到撞击时开裂,以便在头盔的整个表面上耗散能量。然后泡沫层压缩并吸收大部分冲击能量,从而减少传递到头部的能量。


该团队将传统的聚碳酸酯外壳替换为使用碳纤维增强的Elium®外壳。这种加固使外壳比聚碳酸酯外壳更坚固、更硬、更不易碎。它还增加了头盔的接触时间,即头盔承受冲击载荷的总冲击时间。


团队成员之一的Somen 博士说:“当头盔高速撞击表面时,我们注意到随着复合材料外壳的扩展破坏而发生变形,这意味着外壳承受更多的负载并吸收更多的能量。这是我们希望的结果——外壳吸收的冲击力越大,到达泡沫的冲击力就越少,因此对头部的整体冲击力就越小。我们发现,在现有的聚碳酸酯头盔中,大约 75% 的能量被泡沫吸收。这并不理想,因为泡沫与人的头部直接接触。”


相比之下, 该团队的复合头盔外壳吸收了 50% 以上的冲击能量,而泡沫吸收的能量则少得多,约为 35%。

头盔安全性测试

研究人员通过在三种不同类型的铁砧(扁平、半球形、圆形)和路缘石(金字塔形)上将头盔高速压下来测试他们的头盔,以模拟不同的路况。


这些测试与美国消费品安全委员会标准 (CPSC 1203) 认证所使用的测试相同,该认证是国际公认的头盔安全标准。结果表明,该团队的头盔原型符合所有 CPSC 1203 指南。


研究人员特别关注峰值加速度,这是一种基于头盔在碰撞点移动的速度来衡量其承受的力的方法。头盔的峰值加速度必须小于300G(重力),才能被认为适合CPSC 1203规定的使用,重力值越低越安全。


该团队对平砧测试结果和 HIC 的分析表明,与聚碳酸酯头盔相比,复合头盔有可能将危重和致命伤害率分别从 28.7% 和 6% 降低到 16.7% 和 3%。


尽管两种头盔的峰值加速度大致相等,但复合材料头盔更坚固的外壳导致撞击期间的加速持续时间更长。这使得外壳能够吸收更多的能量,从而产生较低的 HIC,这意味着发生严重和致命伤害的几率较低。

更高效的制造带来更便宜、更坚固的头盔

原型头盔也比传统头盔更容易生产。使用Elium®代替其他传统热塑性塑料简化了复合头盔的制造过程。
Elium®在环境温度下是液体,允许它在室温下成型,而其他热塑性塑料基复合材料外壳需要更高的温度处理。
南洋理工大学的研究人员正与Arkema公司合作,将这种头盔的制造过程商业化。通过这种方法生产的头盔将提供与目前顶级头盔相同的保护,但价格可能与中级头盔相同。


来源:荣格-《国际复材技术商情》


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