熱塑性復(fù)合材料改良新型高強(qiáng)度自行車頭盔
更新時(shí)間：2021-09-07 11:51:50
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隨著世界各大城市擴(kuò)大其自行車道網(wǎng)絡(luò)，街頭上涌現(xiàn)出越來(lái)越多的自行車手，自行車事故和潛在碰撞幾率也隨之增加。如何提高自行車手的安全保護(hù)，尤其在車輛密集的城市地區(qū)，需要擺在突出的位置。據(jù)世界衛(wèi)生組織2020年的一份報(bào)告顯示，在與自行車有關(guān)的死亡和長(zhǎng)期殘疾案例中，頭部受傷占比超過(guò)60%。新加坡南洋理工大學(xué)（Nanyang TechnologicalUniversity, NTU）的研究人員與法國(guó)特種材料領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)阿科瑪（Arkema）合作，利用復(fù)合材料開(kāi)發(fā)了一種更堅(jiān)固、更安全的自行車頭盔。新頭盔的原型具有更高的能量吸收能力，在發(fā)生事故時(shí)可減少轉(zhuǎn)移到騎車人頭部的能量，降低嚴(yán)重受傷的幾率。在機(jī)械與航空航天工程學(xué)院副教授梁家輝（Leong Kah Fai ）的領(lǐng)導(dǎo)下，研究員團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了外殼由新型丙烯酸熱塑樹(shù)脂制成，并用碳纖維加固的新型復(fù)合材料頭盔。在以真空輔助樹(shù)脂灌注工藝制造復(fù)合材料頭盔時(shí)，使用了單件鋁制模具。用三層0.4毫米厚、±45?編織的碳纖維進(jìn)行預(yù)成型，切割成為450×420平方毫米的大小后，放入模具。自行車頭盔是由兩部分組成的。第一部分是外殼，通常由聚碳酸酯這樣的大規(guī)模生產(chǎn)塑料制成。它包裹著一層發(fā)泡聚苯乙烯，就是產(chǎn)品包裝和外賣盒使用的材料。外殼能夠在撞擊時(shí)破裂，從而在頭盔的整個(gè)表面消散能量。然后，泡沫層壓縮并吸收大部分沖擊能量，進(jìn)一步減少了傳遞到頭部的能量。該團(tuán)隊(duì)的復(fù)合材料頭盔使用碳纖維加固的Elium?外殼，取代了傳統(tǒng)的聚碳酸酯外殼。這種加固外殼相比聚碳酸酯外殼，堅(jiān)韌程度和硬度都更高，但易碎性反而降低。它也增加了頭盔的接觸時(shí)間，也就是頭盔承受沖擊負(fù)荷的總時(shí)間。Elium?復(fù)合材料頭盔的成型（a）和生產(chǎn)（b），一個(gè)完整的復(fù)合材料頭盔外殼（c）梁副教授希望與阿科瑪公司合作開(kāi)發(fā)一種新型頭盔，這種頭盔對(duì)騎自行車的人來(lái)說(shuō)更堅(jiān)固、更安全。事實(shí)一再證明，頭盔在減少傷害的嚴(yán)重程度和死亡人數(shù)方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。南陽(yáng)理工大學(xué)的頭盔原型已經(jīng)接受了一系列國(guó)際基準(zhǔn)測(cè)試，與傳統(tǒng)頭盔相比，能夠?yàn)轵T車人提供更大的保護(hù)。諸多特性使外殼能夠在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)吸收更多的沖擊能量，同時(shí)也將能量均勻地分散到整個(gè)頭盔中，緩沖到達(dá)頭部的整體沖擊力，從而降低了嚴(yán)重?fù)p傷的機(jī)會(huì)。研究團(tuán)隊(duì)的索門博士補(bǔ)充道，當(dāng)頭盔高速撞擊表面時(shí)，隨著復(fù)合材料外殼的破碎，泡沫出現(xiàn)了型變量更小，這意味著外殼承擔(dān)了更多的負(fù)荷，吸收了更多的能量。到達(dá)泡沫的沖擊力越小，將直接減少對(duì)頭部的整體沖擊力。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)有的聚碳酸酯頭盔中，大約75%的能量被泡沫吸收了。這并不理想，因?yàn)榕菽c人的頭部直接接觸。相比之下，該團(tuán)隊(duì)的復(fù)合材料頭盔外殼吸收了50%以上的沖擊能量，而泡沫吸收的能量要少得多，約為35%。研究人員操控高速移動(dòng)的頭盔撞擊鐵砧，來(lái)測(cè)試頭盔的性能。鐵砧有平面、半球形和金字塔形，三種不同類型，來(lái)模擬不同的道路狀況。這些測(cè)試與美國(guó)消費(fèi)者產(chǎn)品安全委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)（CPSC 1203）認(rèn)證所用的測(cè)試相同，是國(guó)際公認(rèn)的頭盔安全標(biāo)準(zhǔn)。最終，研究團(tuán)隊(duì)的頭盔原型符合CPSC1203的所有準(zhǔn)則。在兩次平面鐵砧測(cè)試中，研究人員的頭盔與對(duì)照的聚碳酸酯頭盔表現(xiàn)相當(dāng)，結(jié)果是194.7G和197.2G，而對(duì)照組是195.4G和198.2G。然而，對(duì)半球形和金字塔型鐵砧的測(cè)試表明，該復(fù)合材料頭盔與聚碳酸酯頭盔相比有很大的改進(jìn)。在兩次半球形砧板測(cè)試中，復(fù)合材料頭盔記錄了100.9G和103.1G，而對(duì)照頭盔的峰值加速度則高得多，分別為173G和178.7G。在金字塔型砧測(cè)試中，研究人員的頭盔記錄了111.7G，與參考頭盔產(chǎn)生的128.7G的結(jié)果相比，有明顯的改進(jìn)。頭盔原型被連接到一個(gè)沖擊器臂（a）上，該沖擊器臂以高速驅(qū)動(dòng)它落在各種不同的砧板上，來(lái)測(cè)試其耐久性。試驗(yàn)(b)和(c)顯示了平面砧板表面，(d)和(e)顯示了半球形的砧板，(f)是一個(gè)金字塔型砧板試驗(yàn)研究人員參考了當(dāng)前最為廣泛使用的傷害指標(biāo)，即頭部傷害標(biāo)準(zhǔn)（HIC）來(lái)計(jì)算使用頭盔時(shí)發(fā)生嚴(yán)重傷害和死亡的概率。HIC值是由峰值加速度值和加速度持續(xù)時(shí)間的組合得出的。研究小組對(duì)平面鐵砧試驗(yàn)結(jié)果和HIC的分析表明，與聚碳酸酯頭盔相比，復(fù)合材料頭盔有可能將危急傷害率由28.7%降至16.7%，致命傷害率分別從6%降至3%。盡管兩種類型的頭盔的峰值加速度大致相同，但復(fù)合材料頭盔更堅(jiān)硬的外殼導(dǎo)致了沖擊過(guò)程中加速度的持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，允許外殼吸收更多的能量。因此產(chǎn)生較低的HIC，意味著較低的關(guān)鍵和致命傷害概率。高效制造過(guò)程引領(lǐng)質(zhì)優(yōu)價(jià)低頭盔Elium?材料在環(huán)境溫度下是液態(tài)的，它在室溫下便可成型，而其他基于熱塑性塑料的復(fù)合材料外殼需要更高的溫度來(lái)加工。因此，通過(guò)使用Elium?材料而不是其他傳統(tǒng)的熱塑性塑料，簡(jiǎn)化了復(fù)合材料頭盔的制造過(guò)程，使原型頭盔比傳統(tǒng)頭盔更容易生產(chǎn)。南洋理工大學(xué)的研究人員與阿科瑪公司合作，實(shí)現(xiàn)頭盔的制造工藝商業(yè)化轉(zhuǎn)變，任何感興趣的制造商都能夠生產(chǎn)它們。梁副教授表示，通過(guò)他們的生產(chǎn)方式，頭盔能提供與目前頂級(jí)頭盔相同的保護(hù)，但價(jià)格與中級(jí)頭盔相當(dāng)（100-150美元）。南洋理工大學(xué)研究人員目前還致力于開(kāi)發(fā)另一款由Elium?材料和另一種熱塑性塑料--聚丙烯織物制成的復(fù)合材料頭盔。該頭盔克服了原先復(fù)合材料質(zhì)量略重（比聚碳酸酯頭盔重約20%）的缺點(diǎn)，將有可能使其與聚碳酸酯頭盔一樣輕，但提供更好的保護(hù)。 南洋理工大學(xué)的研究人員與阿科瑪公司合作，引領(lǐng)頭盔的制造工藝商業(yè)化轉(zhuǎn)變，任何感興趣的制造商都能夠生產(chǎn)它們該團(tuán)隊(duì)的研究得到了新加坡科學(xué)、技術(shù)和研究機(jī)構(gòu)（A*STAR）在國(guó)家研究創(chuàng)新企業(yè)2020計(jì)劃下的支持。同時(shí)，研究小組的研究結(jié)果發(fā)表在同行評(píng)議的雜志《復(fù)合材料》B部分。本文由中國(guó)復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會(huì)編譯，文章不用于商業(yè)目的，僅供行業(yè)人士交流。轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來(lái)自中國(guó)復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會(huì)。
