一种抗低速冲击组合夹层防护结构的制作方法
专利名称：一种抗低速冲击组合夹层防护结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及ー种防护结构，尤其是涉及ー种抗低速冲击组合夹层防护结构。
背景技术：
现有的抗低速冲击防护结构大部分采用的是单ー结构，或者是刚性材料或者是可压缩的柔性材料，其余的采用刚性材料和可压缩柔性材料的简单组合。単一结构的缺陷是非常明显的，比如，纯刚性材料防护结构在接受冲击时，仅仅防止了冲击物对被保护对象的直接冲击，但是由于冲击物的冲击カ或者说冲击能量并没有消失，而是会通过刚性防护层传递到被保护对象产生间接的冲击损伤。而柔性的可压缩材料虽然可以以压缩功、断裂功的形式吸收一部分能量，但是很难在能量吸收、轻便化和防止穿透造成直接损伤之间取得一个令人满意的平衡。采用刚性材料和可压缩柔性材料的简单组合，可以大幅度提高防护结构对能量或冲击カ的吸收，并可在能量吸收、轻便化和防止穿透造成直接损伤之间取得一个较为令人满意的平衡。但是这种结构依然存在缺陷。冲击物撞击到刚性材料吋，如果材料未能破碎，那么冲击能量就转换成刚性材料的整体动能对柔性可压缩层进行压缩，间接推动被保护对象，使被保护对象获得加速度，间接形成冲击。如果冲击超过刚性材料的压缩极限或者弯曲极限，材料就会破裂，一部分冲击动能消耗做刚性材料的断裂功，剰余的动能则对柔性层作用，使冲击延缓，但是最終依然会有很大一部分施加到被保护对象。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供ー种能高效率将冲击能量耗散吸收、降低単位面积上被保护对象所受冲击カ的抗低速冲击组合夹层防护结构。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现ー种抗低速冲击组合夹层防护结构，该结构用于保护人体或设备，包括面板、单向纤维层和易压缩材料层，所述的面板、单向纤维层和易压缩材料层由上至下通过粘接剂依次叠层连接，所述的易压缩材料层对着被保护的人体或设备。所述的面板采用具有抗弯刚性和压缩刚性的刚性材料，面板的厚度为lmm-30mm。所述的刚性材料包括聚碳酸酷、高模量纤维复合材料、钢板、铝板、氧化铝或碳化硼。所述的单向纤维层由同向铺排的多个高模量纤维通过粘接剂结合而成，单向纤维层的厚度为O. Olmm-lmm。所述的粘接剂包括环氧树脂、酚醛树脂、热熔性高分子聚合物或无机粘接剂。所述的高模量纤维为腈纶基碳纤维、对位芳香族聚酰胺、玄武岩纤维或玻璃纤维。所述的单向纤维层设有多层，多层单向纤维层交错叠放。
所述的单向纤维层的层数为1-10层。
所述的易压缩材料层采用有孔隙率材料，所述的有孔隙率材料包括羊毛毡、泡沫硅胶、经编多层织物、聚苯こ烯泡沫、瓦楞纸、蜂窝中的ー种或几种。所述的易压缩材料层的厚度5mm-50mm。与现有技术相比，本发明具有以下优点I)由于采用高模量纤维制作的单向纤维层粘接于面板，对面板起了一个增强的作用，使面板可以因打击而碎裂，但不容易彻底失效，或者是延缓了失效，从而即以碎裂转换了一部分冲击能量，又不至于失效致使冲击物快速、直接作用柔性可压缩层；2)由于采用高模量纤维制作的单向纤维层粘接于面板，当冲击力作用于面板吋，因高模量单向铺排的纤维对应カ波的高效率和快速的传递，冲击应カ在平面内得到快速和 充分的扩展和分散，単位时间内有更多的柔性可压缩层接收到刚性层传递过来的冲击应力，即大幅度分散了冲击力，又由于柔性可压缩层的阻尼特性，耗散了一部分冲击动能；3)因高模量单向铺排的纤维对应カ波的高效率和快速的传递，冲击应カ在平面内得到快速和充分的扩展和分散，単位时间内有更多的柔性可压缩层接收到刚性层传递过来的冲击应力，易压缩材料层參与了接收剩余冲击能量，减低了単位面积上被保护对象所受的冲击カ；4)由于采用高模量纤维制作的单向纤维层的存在，延缓了面板的完全失效，这样就延长了冲击作用时间，将作用分散在一个长的时间段里，不仅仅降低了冲击カ的绝对值，而且延长冲击应カ周期，这对于保护人体的骨骼是有很大好处的。
图I为本发明的结构示意图；图2为本发明的剖面示意图；图3为以某ー冲击能量对ー块模拟人体皮肤和软组织的硅胶板进行冲击的冲击力特征值示意图；图4为2倍于图3中实验能量对采用本发明进行冲击的冲击カ特征值示意图。图3和图4中，横坐标为时间，纵坐标为以钢板模拟人体骨骼所接收到冲击カ值。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。实施例I如图1-2所示，ー种抗低速冲击组合夹层防护结构，该结构用于保护人体或设备，包括面板I、单向纤维层2和易压缩材料层3，面板I、单向纤维层2和易压缩材料层3由上至下通过粘接剂依次叠层连接，该结构使用时被保护的人体或设备处在易压缩材料层3的一面，面板I面对冲击可能的方向。面板I采用具有抗弯刚性和压缩刚性的刚性材料，刚性材料可以为可以是高聚物、金属、陶瓷，优选的，采用聚碳酸酯、高模量纤维复合材料、钢板、铝板、氧化铝或碳化硼，面板I的厚度为1mm。单向纤维层2由同向铺排的多个高模量纤维通过粘接剂结合而成，粘接剂包括环氧树脂、酚醛树脂、热熔性高分子聚合物或无机粘接剂，优选为环氧树脂；高模量纤维为腈纶基碳纤维、对位芳香族聚酰胺、玄武岩纤维或玻璃纤维，单向纤维层设有多层，每层纤维的铺排方向不同，优选的，可以相互以90度或60度交错叠放，每层单向纤维层2的厚度为O. 01皿n，层数为10层。易压缩材料层3采用具有弾性恢复能力和没有弾性恢复能力的有孔隙率材料，有孔隙率材料包括羊毛毡、泡沫硅胶、经编多层织物、聚苯こ烯泡沫、瓦楞纸、蜂窝中的ー种或几种的组合，易压缩材料层3的厚度5mm。实施例2參照图1-2所示，ー种抗低速冲击组合夹层防护结构，包括由上至下通过粘接剂依次叠层的面板I、单向纤维层2和易压缩材料层3，其中面I的厚度为30_，单向纤维层 2的层数为I层，厚度为1mm，易压缩材料层3的厚度50mm。其余同实施例I。实施例3參照图1-2所示，以2mm厚聚碳酸酯板制作面板1，以12KT700碳纤维制作单向纤维层2，厚度O. 1_，层数为2层，以正交方式叠层，用环氧树脂作为粘接剂贴合在面板I表面，以6mm边长、IOmm高的铝蜂窝制作易压缩材料层3。在冲击台上实验，以5_厚的硅胶板模拟人体皮肤和软组织，以钢板模拟人体骨骼，測定冲击中钢板所接收到的冲击信号值。图3为以5mm硅胶板模拟人体皮肤和软组织，以一定冲击能量进行直接冲击后的結果。图4为以同样的5_硅胶板模拟人体皮肤和软组织，以两倍于图2的冲击能量，采用本发明保护后，再进行冲击实验后的結果。从图3和图4可以看出，由于本发明的存在，冲击能量得以大幅度被吸收，而且冲击过程也被延长，冲击峰值时间几乎延长了一倍。
权利要求
1.ー种抗低速冲击组合夹层防护结构，该结构用于保护人体或设备，其特征在于，包括面板、单向纤维层和易压缩材料层，所述的面板、单向纤维层和易压缩材料层由上至下通过粘接剂依次叠层连接，所述的易压缩材料层对着被保护的人体或设备。
2.根据权利要求I所述的ー种抗低速冲击组合夹层防护结构，其特征在于，所述的面板采用具有抗弯刚性和压缩刚性的刚性材料，面板的厚度为lmm-30mm。
3.根据权利要求2所 述的ー种抗低速冲击组合夹层防护结构，其特征在于，所述的刚性材料包括聚碳酸酷、高模量纤维复合材料、钢板、铝板、氧化铝或碳化硼。
4.根据权利要求I所述的ー种抗低速冲击组合夹层防护结构，其特征在于，所述的单向纤维层由同向铺排的多个高模量纤维通过粘接剂结合而成，单向纤维层的厚度为O. Olmm-Imm0
5.根据权利要求4所述的ー种抗低速冲击组合夹层防护结构，其特征在于，所述的粘接剂包括环氧树脂、酚醛树脂、热熔性高分子聚合物或无机粘接剂。
6.根据权利要求4所述的ー种抗低速冲击组合夹层防护结构，其特征在于，所述的高模量纤维为腈纶基碳纤维、对位芳香族聚酰胺、玄武岩纤维或玻璃纤维。
7.根据权利要求4所述的ー种抗低速冲击组合夹层防护结构，其特征在于，所述的单向纤维层设有多层，多层单向纤维层交错叠放。
8.根据权利要求7所述的ー种抗低速冲击组合夹层防护结构，其特征在于，所述的单向纤维层的层数为1-10层。
9.根据权利要求I所述的ー种抗低速冲击组合夹层防护结构，其特征在于，所述的易压缩材料层采用有孔隙率材料，所述的有孔隙率材料包括羊毛毡、泡沫硅胶、经编多层织物、聚苯こ烯泡沫、瓦楞纸、蜂窝中的ー种或几种。
10.根据权利要求9所述的ー种抗低速冲击组合夹层防护结构，其特征在于，所述的易压缩材料层的厚度5mm-50mm。
全文摘要
本发明涉及一种抗低速冲击组合夹层防护结构，该结构用于保护人体或设备，包括面板、单向纤维层和易压缩材料层，所述的面板、单向纤维层和易压缩材料层由上至下通过粘接剂依次叠层连接，所述的易压缩材料层对着被保护的人体或设备。与现有技术相比，本发明具有能高效率将冲击能量耗散吸收、延长了冲击作用时间、有效降低单位面积上被保护对象所受冲击力等优点。
文档编号G12B17/08GK102693762SQ20121013764
公开日2012年9月26日 申请日期2012年5月4日 优先权日2012年5月4日
发明者刘书华, 刘晓霞, 刘茜, 吴湘济, 张邱平, 徐秋月, 林兰天, 辛斌杰, 高琮 申请人:上海工程技术大学, 高琮
技术领域：
本发明涉及ー种防护结构，尤其是涉及ー种抗低速冲击组合夹层防护结构。
背景技术：
现有的抗低速冲击防护结构大部分采用的是单ー结构，或者是刚性材料或者是可压缩的柔性材料，其余的采用刚性材料和可压缩柔性材料的简单组合。単一结构的缺陷是非常明显的，比如，纯刚性材料防护结构在接受冲击时，仅仅防止了冲击物对被保护对象的直接冲击，但是由于冲击物的冲击カ或者说冲击能量并没有消失，而是会通过刚性防护层传递到被保护对象产生间接的冲击损伤。而柔性的可压缩材料虽然可以以压缩功、断裂功的形式吸收一部分能量，但是很难在能量吸收、轻便化和防止穿透造成直接损伤之间取得一个令人满意的平衡。采用刚性材料和可压缩柔性材料的简单组合，可以大幅度提高防护结构对能量或冲击カ的吸收，并可在能量吸收、轻便化和防止穿透造成直接损伤之间取得一个较为令人满意的平衡。但是这种结构依然存在缺陷。冲击物撞击到刚性材料吋，如果材料未能破碎，那么冲击能量就转换成刚性材料的整体动能对柔性可压缩层进行压缩，间接推动被保护对象，使被保护对象获得加速度，间接形成冲击。如果冲击超过刚性材料的压缩极限或者弯曲极限，材料就会破裂，一部分冲击动能消耗做刚性材料的断裂功，剰余的动能则对柔性层作用，使冲击延缓，但是最終依然会有很大一部分施加到被保护对象。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供ー种能高效率将冲击能量耗散吸收、降低単位面积上被保护对象所受冲击カ的抗低速冲击组合夹层防护结构。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现ー种抗低速冲击组合夹层防护结构，该结构用于保护人体或设备，包括面板、单向纤维层和易压缩材料层，所述的面板、单向纤维层和易压缩材料层由上至下通过粘接剂依次叠层连接，所述的易压缩材料层对着被保护的人体或设备。所述的面板采用具有抗弯刚性和压缩刚性的刚性材料，面板的厚度为lmm-30mm。所述的刚性材料包括聚碳酸酷、高模量纤维复合材料、钢板、铝板、氧化铝或碳化硼。所述的单向纤维层由同向铺排的多个高模量纤维通过粘接剂结合而成，单向纤维层的厚度为O. Olmm-lmm。所述的粘接剂包括环氧树脂、酚醛树脂、热熔性高分子聚合物或无机粘接剂。所述的高模量纤维为腈纶基碳纤维、对位芳香族聚酰胺、玄武岩纤维或玻璃纤维。所述的单向纤维层设有多层，多层单向纤维层交错叠放。
所述的单向纤维层的层数为1-10层。
所述的易压缩材料层采用有孔隙率材料，所述的有孔隙率材料包括羊毛毡、泡沫硅胶、经编多层织物、聚苯こ烯泡沫、瓦楞纸、蜂窝中的ー种或几种。所述的易压缩材料层的厚度5mm-50mm。与现有技术相比，本发明具有以下优点I)由于采用高模量纤维制作的单向纤维层粘接于面板，对面板起了一个增强的作用，使面板可以因打击而碎裂，但不容易彻底失效，或者是延缓了失效，从而即以碎裂转换了一部分冲击能量，又不至于失效致使冲击物快速、直接作用柔性可压缩层；2)由于采用高模量纤维制作的单向纤维层粘接于面板，当冲击力作用于面板吋，因高模量单向铺排的纤维对应カ波的高效率和快速的传递，冲击应カ在平面内得到快速和 充分的扩展和分散，単位时间内有更多的柔性可压缩层接收到刚性层传递过来的冲击应力，即大幅度分散了冲击力，又由于柔性可压缩层的阻尼特性，耗散了一部分冲击动能；3)因高模量单向铺排的纤维对应カ波的高效率和快速的传递，冲击应カ在平面内得到快速和充分的扩展和分散，単位时间内有更多的柔性可压缩层接收到刚性层传递过来的冲击应力，易压缩材料层參与了接收剩余冲击能量，减低了単位面积上被保护对象所受的冲击カ；4)由于采用高模量纤维制作的单向纤维层的存在，延缓了面板的完全失效，这样就延长了冲击作用时间，将作用分散在一个长的时间段里，不仅仅降低了冲击カ的绝对值，而且延长冲击应カ周期，这对于保护人体的骨骼是有很大好处的。
图I为本发明的结构示意图；图2为本发明的剖面示意图；图3为以某ー冲击能量对ー块模拟人体皮肤和软组织的硅胶板进行冲击的冲击力特征值示意图；图4为2倍于图3中实验能量对采用本发明进行冲击的冲击カ特征值示意图。图3和图4中，横坐标为时间，纵坐标为以钢板模拟人体骨骼所接收到冲击カ值。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。实施例I如图1-2所示，ー种抗低速冲击组合夹层防护结构，该结构用于保护人体或设备，包括面板I、单向纤维层2和易压缩材料层3，面板I、单向纤维层2和易压缩材料层3由上至下通过粘接剂依次叠层连接，该结构使用时被保护的人体或设备处在易压缩材料层3的一面，面板I面对冲击可能的方向。面板I采用具有抗弯刚性和压缩刚性的刚性材料，刚性材料可以为可以是高聚物、金属、陶瓷，优选的，采用聚碳酸酯、高模量纤维复合材料、钢板、铝板、氧化铝或碳化硼，面板I的厚度为1mm。单向纤维层2由同向铺排的多个高模量纤维通过粘接剂结合而成，粘接剂包括环氧树脂、酚醛树脂、热熔性高分子聚合物或无机粘接剂，优选为环氧树脂；高模量纤维为腈纶基碳纤维、对位芳香族聚酰胺、玄武岩纤维或玻璃纤维，单向纤维层设有多层，每层纤维的铺排方向不同，优选的，可以相互以90度或60度交错叠放，每层单向纤维层2的厚度为O. 01皿n，层数为10层。易压缩材料层3采用具有弾性恢复能力和没有弾性恢复能力的有孔隙率材料，有孔隙率材料包括羊毛毡、泡沫硅胶、经编多层织物、聚苯こ烯泡沫、瓦楞纸、蜂窝中的ー种或几种的组合，易压缩材料层3的厚度5mm。实施例2參照图1-2所示，ー种抗低速冲击组合夹层防护结构，包括由上至下通过粘接剂依次叠层的面板I、单向纤维层2和易压缩材料层3，其中面I的厚度为30_，单向纤维层 2的层数为I层，厚度为1mm，易压缩材料层3的厚度50mm。其余同实施例I。实施例3參照图1-2所示，以2mm厚聚碳酸酯板制作面板1，以12KT700碳纤维制作单向纤维层2，厚度O. 1_，层数为2层，以正交方式叠层，用环氧树脂作为粘接剂贴合在面板I表面，以6mm边长、IOmm高的铝蜂窝制作易压缩材料层3。在冲击台上实验，以5_厚的硅胶板模拟人体皮肤和软组织，以钢板模拟人体骨骼，測定冲击中钢板所接收到的冲击信号值。图3为以5mm硅胶板模拟人体皮肤和软组织，以一定冲击能量进行直接冲击后的結果。图4为以同样的5_硅胶板模拟人体皮肤和软组织，以两倍于图2的冲击能量，采用本发明保护后，再进行冲击实验后的結果。从图3和图4可以看出，由于本发明的存在，冲击能量得以大幅度被吸收，而且冲击过程也被延长，冲击峰值时间几乎延长了一倍。
权利要求
1.ー种抗低速冲击组合夹层防护结构，该结构用于保护人体或设备，其特征在于，包括面板、单向纤维层和易压缩材料层，所述的面板、单向纤维层和易压缩材料层由上至下通过粘接剂依次叠层连接，所述的易压缩材料层对着被保护的人体或设备。
2.根据权利要求I所述的ー种抗低速冲击组合夹层防护结构，其特征在于，所述的面板采用具有抗弯刚性和压缩刚性的刚性材料，面板的厚度为lmm-30mm。
3.根据权利要求2所 述的ー种抗低速冲击组合夹层防护结构，其特征在于，所述的刚性材料包括聚碳酸酷、高模量纤维复合材料、钢板、铝板、氧化铝或碳化硼。
4.根据权利要求I所述的ー种抗低速冲击组合夹层防护结构，其特征在于，所述的单向纤维层由同向铺排的多个高模量纤维通过粘接剂结合而成，单向纤维层的厚度为O. Olmm-Imm0
5.根据权利要求4所述的ー种抗低速冲击组合夹层防护结构，其特征在于，所述的粘接剂包括环氧树脂、酚醛树脂、热熔性高分子聚合物或无机粘接剂。
6.根据权利要求4所述的ー种抗低速冲击组合夹层防护结构，其特征在于，所述的高模量纤维为腈纶基碳纤维、对位芳香族聚酰胺、玄武岩纤维或玻璃纤维。
7.根据权利要求4所述的ー种抗低速冲击组合夹层防护结构，其特征在于，所述的单向纤维层设有多层，多层单向纤维层交错叠放。
8.根据权利要求7所述的ー种抗低速冲击组合夹层防护结构，其特征在于，所述的单向纤维层的层数为1-10层。
9.根据权利要求I所述的ー种抗低速冲击组合夹层防护结构，其特征在于，所述的易压缩材料层采用有孔隙率材料，所述的有孔隙率材料包括羊毛毡、泡沫硅胶、经编多层织物、聚苯こ烯泡沫、瓦楞纸、蜂窝中的ー种或几种。
10.根据权利要求9所述的ー种抗低速冲击组合夹层防护结构，其特征在于，所述的易压缩材料层的厚度5mm-50mm。
全文摘要
本发明涉及一种抗低速冲击组合夹层防护结构，该结构用于保护人体或设备，包括面板、单向纤维层和易压缩材料层，所述的面板、单向纤维层和易压缩材料层由上至下通过粘接剂依次叠层连接，所述的易压缩材料层对着被保护的人体或设备。与现有技术相比，本发明具有能高效率将冲击能量耗散吸收、延长了冲击作用时间、有效降低单位面积上被保护对象所受冲击力等优点。
文档编号G12B17/08GK102693762SQ20121013764
公开日2012年9月26日 申请日期2012年5月4日 优先权日2012年5月4日
发明者刘书华, 刘晓霞, 刘茜, 吴湘济, 张邱平, 徐秋月, 林兰天, 辛斌杰, 高琮 申请人:上海工程技术大学, 高琮
最新回复(0)