[发明专利]身体保护装置和形成身体保护装置的方法

说明书

本申请是申请日为2004年12月7日、申请号为 200480038167.1、发明名称为“身体保护装置”的专利申请的分案 申请。

技术领域

本发明涉及一种身体保护装置。特别地，但非排他性地，本发 明涉及一种能量吸收材料和形成这些材料的方法，这些材料用于具 有相对较大的曲率的装置，如安全帽、护肘、护膝、护肩或者其类 似物。

背景技术

许多身体保护装置具有较大的曲率κ，该曲率被定义为所述装 置的弯曲半径(ρ)的倒数。诸如安全帽那样的装置可能需要永久 性的弯曲形状。其他的装置如肘、膝和肩的护垫，可需要足够的柔 韧性以便于自如地变化成合适的弯曲形状，以适应身体运动。必须 使用适合的材料和成型方法用于这样的装置。

安全帽通常包括一个基本上呈球形的硬质塑料材质的外层和 诸如硬质泡沫之类的弹性材料制成的内层。刚性的外层更均匀地将 冲击负荷传递给内层，内层吸收冲击负荷给予的能量。头盔在阴模 中成型，或者围绕阳模成型。所述材料必须承受明显的弯曲以形成 球形的外形。而且，外层和内层也必须分别地放入模具。否则，在 弯曲过程中，两种材料之间的粘接会阻碍外层(外层受拉)相对于 内层(内层受压)的必要的滑移，否则在外表面和内表面将会产生 较大的平面应力。

降低头盔的总物料量会是令人期望的。同样，头盔的成型方法 通常包括手糊，该方法趋于复杂而昂贵。较好的方法是能够将内层 和外层作为一个整体材料插入模具中。

在相当长的一段时间内，人们采用具有不同横截面形状的轴向 负荷柱用于改善汽车、路边设备或者其类似物的结构的防撞性能。 这些已知系统中的柱状物通常互不相连，并且独立起作用。无论这 些柱状物由何种材料成型而得，都需要去避免全局性的屈曲破环模 式(或者导致整个柱的破坏的局部破坏)，因为该方法不能有效地 吸收冲击能量。

值得高兴的是，金属柱具有多种局部屈曲破坏模式和弯折破坏 模式，弯折破坏模式能有效地吸收冲击能量。塑料柱和复合材料柱 具有很多可有效吸收冲击能量的破坏模式，但是，所有模式通常都 包括柱子一端的渐进破坏。

塑料柱和复合材料柱的性能和破坏模式依赖于许多不同参数 之间的复杂的相互作用，所述参数包括所用的材料、几何尺寸(形 状和厚度)、复合材料中纤维的排列、触发器的使用和加载条件。 然而，仔细选择这些参数能够得到胜过金属等同物的安全设备。

不管所用的材料如何，通常发现平行于负荷方向设置的独立柱 状物的阵列可提高能量吸收的性能，并且可改善安全装置的稳定 性。当柱状物渐进地屈曲破坏时，柱状物趋向产生相对恒定水平的 能量吸收。轴向负荷的锥形物被发现可产生能量吸收的更为线性化 的增加速率，这在破坏情形中往往更受人欢迎。然而，由于柱状物 是独立的，局部化的负荷会引起不希望的柱状物的全局性破坏，所 述柱状物的轴向偏离所施加的负荷的轴向。同样，由于柱状物是独 立的，柱状物被制成相对较厚以避免荷重过程中的不稳定性。

夹芯板由两个坚硬的外层组成，这两个外层被硬度较低的芯部 材料隔开，夹芯板已应用于许多方面，如建筑构件以及用于公路机 车和飞机的结构板。常见的芯部由蜂窝结构组成，该蜂窝结构为单 元阵列，每个单元具有六边形横截面积。然而，所述单元或其它横 截面形状的单元不能被认为是相连接的柱，因为其每一侧壁都是与 相邻单元共享的。如果一个单元承受局部的破坏或不稳定，将影响 其相邻的单元。

每个纵向构件的轴垂直于内层和外层的平面，每个纵向构件的 每一端通常粘合到相应的表层。因此，蜂窝结构代表平行于负荷方 向排布的单元阵列，所述负荷撞击所述外层之一的平面上。

WO 94/00031公开了一种安全帽，该安全帽包括一个蜂窝状夹 芯结构。通常采用手糊的方法。EP 0881064公开了一种保护构件， 该构件也具有蜂窝状夹芯结构，该文献叙述了所述构件可以合并到 许多种保护性衣物中，所述保护性衣物包括头盔。

US 3877076公开了一种具有管状物的阵列结构的头盔。所述 每个管状物与其它管状物相互隔开，并且相互独立。

US 4534068也公开了一种管状物的阵列，所述管状物相互隔 开。其中描述了局部的断裂破坏(crippling failure)。

蜂窝结构适用于包括具有相对较小的弯曲度的结构或者平板 的应用。然而，当所述材料用于具有较大弯曲度的物品时，就会出 现问题。