[发明专利]一种具有新型微结构外壳的安全头盔

说明书

技术领域

本发明涉及安全头盔的技术领域，具体是指一种具有新型微结构外壳的头盔。该微结构可以有效提高头盔外壳的断裂韧性，从而提高头盔的防护能力。 

背景技术

在生产生活中，佩戴头盔或安全帽是防止头部损伤最有效的方法之一。现在常用的头盔主要采用三层结构：适当厚度的硬质帽盔式外壳，一定厚度的缓冲层以及与人的头部接触的内衬。外壳一般采用耐磨损、抗压缩性好的ABS或PC等硬质塑料，也有采用碳纤维复合材料或金属材料。该层主要作用是阻止冲击穿透，扩大受力面积，减小局部应力。缓冲层紧贴于外壳内侧，常使用泡沫材料。该层的主要作用是通过泡沫体的大变形来抵挡从外壳传过来的冲击力，吸收冲击能量。然而现有头盔的外壳所采用的硬质塑料往往韧性不够，在较大的冲击力作用下，外壳存在被击穿的风险。因为缓冲层和内衬的材料较软且疏松多孔，无法承受集中力。外壳一旦被击穿，将会直接对头部造成损伤。而使用金属材料，必然会增加头盔的重量，给使用者带来了不便。 

澳洲坚果(macadamia)外壳的力学性能十分优越，其壳体可以承受高达2000N的外部压缩载荷。通过显微镜观察，可以发现澳洲坚果壳是明显的两层结构（图1）：非常薄（约160μm）但是韧性很高的硬壳层；厚度在1.5mm到5mm之间，但是很疏松的软木层。在硬壳层的外表面上分布着由多边形组成的纹理。在多边形的角点位置分布着垂直于外壳表面的径向纤维。该纤维的弹性模量和硬度都比平行表面分布的纤维要大，在硬壳层结构中起到了加强筋的作用。有研究表明，多边形纹理和径向纤维是硬壳层具有高韧性的原因。因此本发明将澳洲坚果外壳的增韧机理应用于头盔的外壳结构的设计中，提高安全头盔的防护能力。 

发明内容

本发明的目的是针对现有头盔外壳在抵抗破坏方面的不足，利用仿生学原理，设计了一种具有新型微结构的头盔的外壳，以提高头盔的防护能力。 

为了解决以上技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种有新型微结构外壳的头盔，其盔体采用三层结构。具体结构包括：头盔的外壳，缓冲层，内衬，下颏带。外壳采用纤维增强复合材料。壳体的外表面采用由五边形和六边形混合构成的纹理，多边形的直径为30μm到50μm。在垂直于外表面的方向上设有圆柱状的加强筋。该加强筋的直径为4μm到6μm之间，分布在多边形交界的角点上，并且埋入外壳之中。缓冲层采用泡沫材料，比如EPS、EPO、EPP等。内衬由一定厚度的密度低且质地柔软的材料构成，比如织物、海绵等。该层的内表面与头部接触。各层之间通过胶粘连接成一个整体。 

采用上述技术方案，头盔外壳的韧性将会有较大提高，这将大大降低头盔外壳被击穿的风险。头盔的缓冲层泡沫材料，可以延缓冲击的作用时间，为头部提供缓冲保护。另外也可以在一定程度上减轻头盔的重量，让使用者更加舒服。内衬采用软质材料，一方面可以作为头盔外壳和缓冲层减震功能的补充，另一方面也可以提高使用的舒适度。下颏带8的作用是将头部和安全帽的内壳紧密的固定在一起。 

本发明是对头盔缓冲结构的改进，不涉及头盔的具体构型。因此本发明可以应用于不同设计构型的头盔。 

附图说明

图1是澳洲坚果壳的结构示意图； 

图2是澳洲坚果壳硬壳层的外表面示意图； 

图3是本发明所述安全头盔的结构示意图。 

图4是本发明所述头盔外壳的纹理和垂直加强筋示意图。 

图中：1硬壳层；2软木层；3多边形纹理；4垂直纤维；5头盔外壳；51多边形纹理；52垂直加强筋；6缓冲层；7内衬；8下颏带。 

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述： 

如图3所示，本发明由四部分组成，由外向内依次为:头盔外壳5、缓冲层6、内衬7和下颏带8。其中头盔外壳5采用纤维增强复合材料。其微观结构采用与澳洲坚果硬壳层相似的构型：壳体的外表面采用由五边形和六边形混合构成的纹理51，多边形的直径为30μm到50μm；在垂直于外表面的方向上设有圆柱状的加强筋52；该加强筋的直径为4μm到6μm之间，分布在多边形交界的角点上，并且埋入外壳之中。缓冲层6紧贴于外壳5的内表面，采用采用泡沫材料，比如EPS、EPO、EPP等。内衬7由一定厚度的密度低且质地柔软的材料构成，比如织物、海绵等。该层的内表面与头部接触。各层之间通过胶粘连接成一个整体。下颏带5与外壳刚性连接，可以将头部和头盔外壳紧密的固定在一起。 

头盔外壳5采用多边形纹理51和垂直加强筋52的微观构型，可以加大外壳的韧性，降低头盔外壳被击穿的风险。