Как улучшить устойчивость бронешлема к вмятинам

Основное определение устойчивости к вмятинам и отраслевые стандарты

Устойчивость бронешлема к вмятинам — это способность его оболочки и внутреннего слоя избегать постоянных вмятин при воздействии ударов на высокой скорости (например, от пуль или осколков) или столкновений с тупыми предметами. Как правило, максимально допустимая глубина вмятины составляет ≤15 мм, что соответствует стандартам, таким как NIJ STD 0106.01 и GA 293. Данная характеристика является важным показателем целостности защиты шлема, поскольку напрямую влияет на вероятность выживания пользователя при ударах без проникновения.

Модернизация материалов: создание прочной основы для защиты от вмятин

1. Итерации материалов оболочки

Композиты из высокомодульных волокон как предпочтительный выбор: используйте композиты из высокомодульных волокон, такие как сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) и арамидные (кевларовые) волокна класса IIIA и выше. Повысьте ударную вязкость за счёт увеличения поверхностной плотности волокна (рекомендуется ≥600 г/м²). Эти волокна имеют прочность на разрыв более 3,5 ГПа, что позволяет эффективно рассеивать энергию удара и уменьшать локальные вмятины.

Конструкция межслойного композитного керамического слоя: композитные пластины из оксида алюминия (Al₂O₃) или карбида кремния (SiC) толщиной 3–5 мм размещаются с внутренней стороны волокнистой оболочки. Используйте высокую твёрдость керамики для предотвращения концентрации напряжений в точке удара и сочетайте её с демпфирующей способностью волокнистого слоя, формируя двухуровневую систему защиты «твёрдое сопротивление + мягкое поглощение».

2. Оптимизация материалов подкладки

Пенополиуретановая (PU) вставка высокой плотности: заменить традиционные материалы EVA на пенополиуретановые вставки высокой плотности (плотность ≥80 кг/м³). Благодаря коэффициенту восстановления после сжатия ≥90 % такие вставки способны поглощать энергию за счёт упругой деформации в момент удара, предотвращая передачу вмятин с оболочки на голову.

Инновационная сотоподобная алюминиевая сердцевина: внедрение алюминиевых сплавов с сотоподобной структурой внутрь полиуретановой прокладки (размер ячейки сот: 5–8 мм; толщина стенок: 0,1–0,2 мм). Использование сжимаемой устойчивости сотоподобной структуры для дальнейшего рассеивания ударных нагрузок и снижения риска локальных вмятин.

Инновация в конструкции: оптимизация путей передачи усилия

1. Оптимизация радиуса изогнутой поверхности

Используйте дизайн «сфероидной» формы для оболочки шлема. Контролируйте радиус кривизны верхней части в диапазоне 120–150 мм, а радиус боковой кривизны — в диапазоне 80–100 мм. Это позволяет избежать концентрации ударной энергии, вызванной плоскими или слабоизогнутыми конструкциями, и рассеивает энергию по всей оболочке шлема за счёт отвода по криволинейной поверхности.

2. Многослойная композитная структура

Реализуйте трёхслойную композитную структуру, состоящую из «оболочки + буферный слой + внутренняя подкладка»:

Оболочка изготовлена из композитных материалов, армированных волокном;

Буферный слой выполнен из силикагеля или бутилкаучука (толщиной 5–8 мм);

Внутренняя подкладка изготовлена из пенополиуретана (PU foam).

Три слоя плотно соединены между собой методом горячего прессования. За счёт различий в модуле упругости различных материалов ударная энергия постепенно поглощается и рассеивается, предотвращая вмятины, вызванные недостаточной жёсткостью одного материала.

3. Конструкция с усилением кромок

Добавьте полосы армирования из углеродного волокна (шириной 15-20 мм, толщиной 2-3 мм) по краям шлема. Это повышает устойчивость краев к ударным нагрузкам, предотвращает местные вмятины или деформации при боковых ударах и улучшает общую структурную устойчивость шлема.

Усовершенствование процессов: обеспечение эффективности материалов и конструкций

1. Прецизионные процессы формования

(1) Формование оболочки: используйте прессование для формования оболочки, контролируя температуру формования на уровне 120–150 °C и давление 2–3 МПа. Это обеспечивает полное пропитывание волокон смолой, снижает внутреннюю пористость (≤1%) и повышает плотность материала — исключая снижение локальной устойчивости к вмятинам из-за производственных дефектов.

(2) Формование подкладки: примените интегрированный процесс вспенивания литьем под давлением для подкладки, чтобы обеспечить равномерность вспенивания и устранить точки концентрации напряжений, вызванные воздушными пузырями или неравномерной плотностью.

2. Технология соединения интерфейсов

Используйте клеи на основе эпоксидной смолы (сдвиговая прочность ≥15 МПа) для надежного соединения оболочки, буферного слоя и внутренней подкладки посредством горячей прессовки. Это предотвращает расслоение, обеспечивает эффективную передачу энергии удара между слоями и исключает локальные вмятины, вызванные ослаблением межслойных соединений.