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热塑性复合材料改良新型高强度自行车头盔

随着世界各大城市扩大其自行车道网络,街头上涌现出越来越多的自行车手,自行车事故和潜在碰撞几率也随之增加。如何提高自行车手的安全保护,尤其在车辆密集的城市地区,需要摆在突出的位置。据世界卫生组织2020年的一份报告显示,在与自行车有关的死亡和长期残疾案例中,头部受伤占比超过60%。

 
新加坡南洋理工大学(Nanyang TechnologicalUniversity, NTU)的研究人员与法国特种材料领导企业阿科玛(Arkema)合作,利用复合材料开发了一种更坚固、更安全的自行车头盔。新头盔的原型具有更高的能量吸收能力,在发生事故时可减少转移到骑车人头部的能量,降低严重受伤的几率。在机械与航空航天工程学院副教授梁家辉(Leong Kah Fai )的领导下,研究员团队创造了外壳由新型丙烯酸热塑树脂制成,并用碳纤维加固的新型复合材料头盔。
 
揭秘自行车头盔

成型模具
在以真空辅助树脂灌注工艺制造复合材料头盔时,使用了单件铝制模具。用三层0.4毫米厚、±45◦编织的碳纤维进行预成型,切割成为450×420平方毫米的大小后,放入模具。

热塑性复合材料改良新型高强度自行车头盔
头盔模具的CAD模型和三维等距视图
 
头盔的组成
自行车头盔是由两部分组成的。第一部分是外壳,通常由聚碳酸酯这样的大规模生产塑料制成。它包裹着一层发泡聚苯乙烯,就是产品包装和外卖盒使用的材料。
 
头盔的缓震原理
外壳能够在撞击时破裂,从而在头盔的整个表面消散能量。然后,泡沫层压缩并吸收大部分冲击能量,进一步减少了传递到头部的能量。

 
该团队的复合材料头盔使用碳纤维加固的Elium®外壳,取代了传统的聚碳酸酯外壳。这种加固外壳相比聚碳酸酯外壳,坚韧程度和硬度都更高,但易碎性反而降低。它也增加了头盔的接触时间,也就是头盔承受冲击负荷的总时间。

热塑性复合材料改良新型高强度自行车头盔
Elium®复合材料头盔的成型(a)和生产(b),一个完整的复合材料头盔外壳(c)
 
梁副教授希望与阿科玛公司合作开发一种新型头盔,这种头盔对骑自行车的人来说更坚固、更安全。事实一再证明,头盔在减少伤害的严重程度和死亡人数方面发挥着关键作用。南阳理工大学的头盔原型已经接受了一系列国际基准测试,与传统头盔相比,能够为骑车人提供更大的保护。诸多特性使外壳能够在更长的时间内吸收更多的冲击能量,同时也将能量均匀地分散到整个头盔中,缓冲到达头部的整体冲击力,从而降低了严重损伤的机会。
 
研究团队的索门博士补充道,当头盔高速撞击表面时,随着复合材料外壳的破碎,泡沫出现了型变量更小,这意味着外壳承担了更多的负荷,吸收了更多的能量。到达泡沫的冲击力越小,将直接减少对头部的整体冲击力。研究团队发现,在现有的聚碳酸酯头盔中,大约75%的能量被泡沫吸收了。这并不理想,因为泡沫与人的头部直接接触。相比之下,该团队的复合材料头盔外壳吸收了50%以上的冲击能量,而泡沫吸收的能量要少得多,约为35%。

在铁砧上测试安全头盔

研究人员操控高速移动的头盔撞击铁砧,来测试头盔的性能。铁砧有平面、半球形和金字塔形,三种不同类型,来模拟不同的道路状况。这些测试与美国消费者产品安全委员会标准(CPSC 1203)认证所用的测试相同,是国际公认的头盔安全标准。最终,研究团队的头盔原型符合CPSC1203的所有准则。
 
在两次平面铁砧测试中,研究人员的头盔与对照的聚碳酸酯头盔表现相当,结果是194.7G和197.2G,而对照组是195.4G和198.2G。
 
然而,对半球形和金字塔型铁砧的测试表明,该复合材料头盔与聚碳酸酯头盔相比有很大的改进。在两次半球形砧板测试中,复合材料头盔记录了100.9G和103.1G,而对照头盔的峰值加速度则高得多,分别为173G和178.7G。在金字塔型砧测试中,研究人员的头盔记录了111.7G,与参考头盔产生的128.7G的结果相比,有明显的改进。
 
热塑性复合材料改良新型高强度自行车头盔
头盔原型被连接到一个冲击器臂(a)上,该冲击器臂以高速驱动它落在各种不同的砧板上,来测试其耐久性。试验(b)和(c)显示了平面砧板表面,(d)和(e)显示了半球形的砧板,(f)是一个金字塔型砧板试验
 
研究人员参考了当前最为广泛使用的伤害指标,即头部伤害标准(HIC)来计算使用头盔时发生严重伤害和死亡的概率。HIC值是由峰值加速度值和加速度持续时间的组合得出的。
 
研究小组对平面铁砧试验结果和HIC的分析表明,与聚碳酸酯头盔相比,复合材料头盔有可能将危急伤害率由28.7%降至16.7%,致命伤害率分别从6%降至3%。
 
尽管两种类型的头盔的峰值加速度大致相同,但复合材料头盔更坚硬的外壳导致了冲击过程中加速度的持续时间更长,允许外壳吸收更多的能量。因此产生较低的HIC,意味着较低的关键和致命伤害概率。
 
高效制造过程引领质优价低头盔

Elium®材料在环境温度下是液态的,它在室温下便可成型,而其他基于热塑性塑料的复合材料外壳需要更高的温度来加工。因此,通过使用Elium®材料而不是其他传统的热塑性塑料,简化了复合材料头盔的制造过程,使原型头盔比传统头盔更容易生产。
 
南洋理工大学的研究人员与阿科玛公司合作,实现头盔的制造工艺商业化转变,任何感兴趣的制造商都能够生产它们。梁副教授表示,通过他们的生产方式,头盔能提供与目前顶级头盔相同的保护,但价格与中级头盔相当(100-150美元)。
 
南洋理工大学研究人员目前还致力于开发另一款由Elium®材料和另一种热塑性塑料--聚丙烯织物制成的复合材料头盔。该头盔克服了原先复合材料质量略重(比聚碳酸酯头盔重约20%)的缺点,将有可能使其与聚碳酸酯头盔一样轻,但提供更好的保护。
 
热塑性复合材料改良新型高强度自行车头盔
 南洋理工大学的研究人员与阿科玛公司合作,引领头盔的制造工艺商业化转变,任何感兴趣的制造商都能够生产它们

该团队的研究得到了新加坡科学、技术和研究机构(A*STAR)在国家研究创新企业2020计划下的支持。同时,研究小组的研究结果发表在同行评议的杂志《复合材料》B部分。


本文由中国复合材料工业协会编译,文章不用于商业目的,仅供行业人士交流。转载请注明来自中国复合材料工业协会。



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