專利名稱：:含聚乙烯纖維的頭盔的制作方法含聚乙烯纖維的頭盔本發(fā)明涉及具有殼的防彈頭盔，所述殼含有單向超高分子量聚乙烯(UHMwPE)纖維的單層。除非另有指明，防彈頭盔在下文中簡單地被稱為頭盔，其從US4，613，535已知。在US4，613，535中描述了含有單向UHMwPE纖維和粘合劑的單層的成型部件。成型部件的例子包括防彈制品，例如頭盔。該成型部件在所述部件的主要表面上具有另外至少一層剛性層，以制造具有增加的剛性的部件。開發(fā)頭盔的一個主要問題是獲得降低的重量?？紤]到已知的鋼頭盔，引入復合材料頭盔對于重量降低頗具重要意義。設計和使用材料的改進已帶來了更大的重量降低。但是，仍需要更進一步降低重量，但同時不犧牲頭盔的防彈保護、使用壽命和耐損傷性。例如，對于空降部隊而言，保持頭部總負荷低于可接受極限是非常重要的，而同時部隊士兵在其頭盔上安裝的裝備越來越多，例如通訊設備、夜視設備等，這也會增加重量。在大多數情況下，尋求解決方案的途徑是提供復雜的復合材料結構，組合不同類型的層。一個例子是上文提到的US4，613，535。另一個例子是公開于W0961478和USArmyResearchLaboratoryWeapons&materialsResearchDirectorateAberdeenProvingGround的S.Μ.Walsh,B.R.Scott,D.M.Spagnuolo和J.P.Wolbert在SAMPE2005會議上發(fā)表的iHybridizedthermoplasticaramidsenablingmaterialtechnologyforfutureforceheadgear’中的頭盔，其中，最有希望的結構是含有芳綸(aramid)復合材料層作為基底層和硬層作為外層(含碳纖維和環(huán)氧化物)的殼。本發(fā)明的目的是提供具有低的總重量但仍能提供針對彈道攻擊的足夠保護的頭盔，并且此頭盔具有良好的耐用性。令人吃驚地，該目的被下述頭盔滿足，所述頭盔具有下述殼，所述殼含有單向UHMwPE纖維和優(yōu)選還有粘合劑的單層，其中，頭盔殼在其邊緣與增強型材(reinforcingprofile)相連。粘合劑的功能是將纖維保持到一起。但是，也可通過用足夠高的壓力在足夠高的溫度下進行壓制，將纖維連到一起，以此代替粘合劑的應用。出人意料地，通過在殼的邊緣應用增強型材，在遠離所述邊緣的頭盔部分獲得了針對沖擊的足夠防彈保護，使得可以制造出具有低重量但仍有良好耐用性的頭盔。雖然在其殼的表面具有額外剛性層的頭盔并不被排除在本發(fā)明的范圍之外，但是甚至也可能制造出沒有這種通常用于復合材料頭盔中的剛性層的頭盔。從澳大利亞專利申請No.2005/202254Al已知一種安全頭盔，其具有提供有增強邊緣的內剛性層和優(yōu)選由高密度泡棉(foam)制成的外層。但是，該文獻中公開的安全頭盔僅適用于建筑或運動頭盔，其明確不適合用作為防彈頭盔。這種頭盔構造提供的保護機制明顯不適用于抵擋子彈，抵擋子彈需要其它機制來消散子彈能量。雖然給內剛性層提供了增強邊緣，但是該申請沒有提到增強邊緣的存在對防彈性質直接或甚至遠距的間接的好處。本發(fā)明將在附圖中被進一步解釋，但本發(fā)明并不限于這些圖中示例的實施方式。在這些圖中，[0010]圖1示出了根據本發(fā)明的頭盔的側視圖。圖2示出了根據本發(fā)明的頭盔的剖視圖。圖3示出了根據本發(fā)明的頭盔的底視圖。圖1示出了頭盔(1)，其含有殼(2)，所述殼含有單向纖維和優(yōu)選還有粘合劑的單層。在其邊緣，所述殼與增強型材(3)相連。所述增強型材具有優(yōu)選的纖維取向，其具有增強型材方向上的纖維以及與增強型材方向成45°和-45°角的纖維。圖2示出了根據本發(fā)明的頭盔(1)的剖視圖，所述頭盔含有殼(2)和增強型材(3)，所述增強型材是U型的。所述殼嵌入U型增強型材的腿之間，并且在增強型材的表面(3.1)、(3.2)和(3.3)處與所述增強型材相連。圖3示出了根據本發(fā)明的頭盔(1)，其具有殼(2)和增強型材(3)。優(yōu)選地，本發(fā)明的頭盔的殼包含單向UHMwPE纖維和粘合劑的單層。根據本發(fā)明，術語“單向UHMwPE纖維和優(yōu)選地還有粘合劑的單層”指單向取向的UHMwPE纖維和優(yōu)選地還有粘合劑的纖維網絡層，所述粘合劑基本將纖維保持到一起。術語單向取向的纖維表示在一個平面上基本上平行取向的纖維。術語纖維不僅包含單絲，其還包括多絲紗線或扁平帶等。扁平帶的寬度優(yōu)選為2mm至100mm，更優(yōu)選為5mm至60mm，最優(yōu)選為IOmm至40mm。扁平帶的厚度優(yōu)選為10μm至200μm,Miftit^J25ymM100μm。在本發(fā)明頭盔的單層中的UHMwPE纖維優(yōu)選具有至少大約1.2GPa的拉伸強度和至少40GPa的拉伸模量。所述纖維優(yōu)選具有至少2GPa，進一步優(yōu)選至少2.5GPa或最優(yōu)選至少3GPa的拉伸強度。這些高強度纖維的優(yōu)點在于它們非常適合用在輕質防彈制品中。如果使用線性UHMwPE，那么得到良好的結果。線性UHMwPE在本文中被理解為意指每100個C原子具有小于1個側鏈，優(yōu)選每300個C原子具有小于1個側鏈的聚乙烯；側鏈或支鏈通常含有至少10個C原子。線性聚乙烯還可含有至多5mol%的一種或多種可與其共聚的其它烯烴，例如，丙烯、丁烯、戊烯、4-甲基戊烯、辛烯。優(yōu)選地，線性聚乙烯具有高摩爾質量，特性粘度(IV，根據下文描述的測試方法，于135°C下，在十氫化萘的溶液中測定)為至少4dl/g，更優(yōu)選為至少8dl/g。特性粘度是分子量的量度，它比例如Mn和Mw等實際摩爾質量參數更易確定。IV和Mw之間存在一些經驗關系，但這些關系高度依賴于分子量分布。基于方程Mw=5.37XIO4[IV]137(見EP0504954Al)，4或8dl/g的IV分別相當于約360或930kg/mol的Mw。通過凝膠紡絲工藝來制備UHMwPE纖維，例如優(yōu)選使用GB2042414A或WO01/73173中所描述的工藝。這導致非常好的防彈保護/重量性能。凝膠紡絲工藝基本上由以下步驟組成制備具有高摩爾質量的線性聚乙烯的溶液；將該溶液在高于溶解溫度的溫度下紡成細絲；將細絲冷卻到膠凝溫度以下，結果發(fā)生膠凝；并且在除去溶劑以前、期間或以后拉伸細絲。在本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式中，頭盔的殼包含單向取向的UHMwPE纖維的多個單層，所述單層分組為至少兩層片層(sheet)。片層優(yōu)選含有至少兩層單層。片層中的單層可以以相互之間有一定角度放置，所述角度在為0°到90°之間。片層還可被放置為相互之間具有角度。術語“粘合劑”指將包含單向取向纖維和粘合劑的單層的片層中的單向纖維粘合或保持在一起的物質，所述粘合劑可以全部或部分包封所述纖維，從而在處理和制備預制片層期間保留單層結構。粘合劑可以以各種形式和方式使用，例如作為薄膜(通過其熔融至少部分覆蓋UHMwPE纖維)，作為橫向粘合帶和作為橫向纖維(相對于單向纖維為橫向)或通過將纖維用基質材料(例如熔融聚合物或聚合材料在液體中的溶液或分散液)浸漬和/或包埋。優(yōu)選地，基質材料被均勻地分布在單層的整個表面上，而粘合帶或粘合纖維可以局部施用。例如EP0191306Bi、EPl170925Al、EP0683374Bl和EP1144740Al中描述了適當的粘合劑。在一種優(yōu)選的實施方式中，粘合劑是聚合基質材料，其可以是熱固性材料或熱塑性材料或二者的混合物。基質材料的斷裂伸長率優(yōu)選大于纖維的伸長率。粘合劑優(yōu)選具有2-600%的伸長率，更優(yōu)選具有4-500%的伸長率。例如WO91/12136Al(15-21頁)中列舉了適當的熱固性和熱塑性基質材料。在基質材料是熱固性聚合物的情況下，優(yōu)選選擇乙烯基酯、不飽和聚酯、環(huán)氧樹脂或苯酚樹脂作為基質材料。在基質材料是熱塑性聚合物的情況下，優(yōu)選選擇聚氨酯、乙烯基聚合物、聚丙烯酸類樹脂、聚烯烴或熱塑性彈性嵌段共聚物(例如聚異戊二烯_聚乙烯_丁烯_聚苯乙烯或聚苯乙烯_聚異戊二烯_聚苯乙烯嵌段共聚物)作為基質材料。優(yōu)選地，粘合劑由熱塑性聚合物組成，這些粘合劑優(yōu)選完全涂敷到單層中所述纖維的每根細絲上，并且這些粘合劑具有至少75MPa，更優(yōu)選至少150MPa，進一步更優(yōu)選至少250MPa，最優(yōu)選至少400MPa的拉伸模量(在25°C下根據ASTMD638測定)。優(yōu)選地，所述粘合劑具有至多IOOOMPa的拉伸模量。所述粘合劑應當被選用為能導致包含單層的片層具有高柔性，同時使得由所述片層壓制的殼具有足夠高的勁度(stiffness)。優(yōu)選地，粘合劑在單層中的含量為至多30質量％，更優(yōu)選為至多25、20或甚至至多15質量％。這導致產生最佳的防彈性能。如果相鄰單層中纖維取向的方向為5至90°之間的角度，優(yōu)選45至90°，最優(yōu)選75至90°，那么取得良好的結果。當單層中的UHMWPE纖維的取向方向以一定角度朝向頭盔邊緣，那么本發(fā)明的頭盔獲得非常好的結果。優(yōu)選地，殼中單層中的纖維的取向方向分別以+30和+60、-30°和-60°之間的角度朝向頭盔邊緣。更優(yōu)選地，該角度分別為+40至+50°，-40至-50°之間，最優(yōu)選地，分別為+45°或大約45°，-45°或大約-45°。殼仍可含有硬頂層，例如金屬或陶瓷打擊面，或者硬復合材料頂層，例如，浸漬熱固性樹脂的紡織(woven)玻璃纖維織物。但是，優(yōu)選不存在這樣的層，從而獲得就重量、防彈保護和耐久性而言最優(yōu)的頭盔。術語耐久性將在下文解釋。增強型材可由具有高勁度和強度的所有種類的輕質材料來制造。良好的例子包括金屬，例如鋼、鈦、鋁、鎂及其合金。優(yōu)選地，由含有增強纖維和第二粘合劑的復合材料來制造增強型材。復合材料可含有所有種類的增強纖維，例如，有機纖維，例如芳綸纖維。更優(yōu)選地，復合材料含有無機纖維，例如，陶瓷纖維、玻璃纖維、玄武巖或碳化硅纖維。通常，此類纖維含有至少15%硅。最優(yōu)選地，復合材料含有碳纖維。如果選用復合材料，增強纖維的取向數至少為2。更優(yōu)選的是至少三種纖維取向。合適的取向可以是與增強型材方向成0°、90°、+45°和-45°，如圖1的(3)所示。最優(yōu)選地，纖維與增強型材方向成0°、+45°和-45°取向。根據提到的纖維方向，復合材料中的纖維可以是紡織的，或者可以是單向排列的。[0030]增強型材的復合材料中的第二粘合劑應當優(yōu)選顯示出與纖維的合理粘附性和優(yōu)選至少1400MPa的模量。第二粘合劑的量可在按體積計20至70%之間，更優(yōu)選按體積計35至55%之間。優(yōu)選地，增強型材的壓縮屈服應力是殼的壓縮屈服應力的至少2倍，更優(yōu)選至少4倍，最優(yōu)選是殼的壓縮屈服應力的至少6倍。壓縮屈服應力是通過ASTMD6641(2001發(fā)布)來測量的。在增強邊緣包含狹長的增強元件(例如纖維)的情況下，應當在沿著邊緣放置的那些所述增強元件的方向上測量壓縮屈服應力。業(yè)已觀察到，具有所需的壓縮屈服應力的增強邊緣使得本發(fā)明的的頭盔具有改進的防彈性，特別是在遠離邊緣的位置上防彈性得以改進。另一優(yōu)點在于此類頭盔具有甚至進一步改進的耐久性。增強型材可具有所有種類的形狀的橫截面，例如L型或U型。優(yōu)選地，增強型材具有U型。此外，如果殼恰嵌入U型增強型材中的話，U型增強型材可與殼容易且可靠地相連。增強型材與頭盔的殼在所述殼邊緣相連。相連在本文中表示增強型材固定到頭盔的殼上，使得作用于殼上的力可有效轉移至增強型材并被增強型材削弱，反之亦然。可根據本領域的任何已知方法，將增強型材與頭盔的殼相連。合適的例子包括用合適的膠粘劑(adhesive)粘上，通過熱固定，或者簡單地通過抵靠U型增強型材的側面直到獲得在殼上的良好固定來進行。當增強邊緣與頭盔的殼的側面重疊的部分的長度優(yōu)選是殼厚度的至少0.5倍，更優(yōu)選至少1倍，最優(yōu)選是殼厚度的至少2倍時，獲得良好的相連，所述厚度是在頭盔的殼的底部測量的。此類頭盔顯示出甚至進一步改進的耐久性以及改進的防彈性質，特別是在遠離所述邊緣的位置。優(yōu)選地，增強邊緣與頭盔的殼的側面重疊的部分的厚度小到足以不導致頭盔底部的厚度不必要的增加。優(yōu)選地，頭盔在其底部的厚度增加小于30%，更優(yōu)選小于20%，最優(yōu)選小于10%。這樣的頭盔顯示良好的防彈性質同時又是輕質的。此外其還具有增加的多功能性(versatility)。技術人員知道如何選擇合適的生產工藝，來制備頭盔的部件和頭盔本身。可通過含有下述步驟的工藝來制造頭盔的殼形成含有多個單向排列的UHMwPE纖維和優(yōu)選地還有粘合劑的單層的交叉層疊(cross-plied)片層的疊層，將疊層放在模具中，關閉模具，以將疊層成型和固化為頭盔形狀的殼。此類工藝在W02007/107359中描述過。增強型材可以是機制或模制的輕質金屬部件。但是優(yōu)選地，增強型材是碳纖維復合材料，其沿著頭盔邊緣被層壓。優(yōu)選地，根據本發(fā)明的頭盔的殼和增強型材的總重量為至多1.2kg，更優(yōu)選為至多1.1kg，進一步更優(yōu)選至多1.Okgo還在實施例和比較實驗中對本發(fā)明進行進一步闡述。對比較實驗和實施例中制造的頭盔進行兩種類型的測試。第一種測試是用17grain破片模擬彈(FSP)進行的射擊測試。第二種測試是所謂的耐久性測試。射擊測試通過將頭盔夾于槍前合適的夾具設備中，來進行射擊測試。夾具設備被制為使得頭盔能被旋轉，并且隨后能再次被剛性固定。以這種方式，每發(fā)射擊之后旋轉頭盔并再次固定，從而可對每個頭盔射擊大約8發(fā)。[0044]第一發(fā)以預期存在50%穿透機會的預定速度(即以預期的所謂V5tl值)射出。所有模擬彈的速度都在沖擊之前的短距離處測量。用光學設備進行測量。如果發(fā)生了穿透，下一FSP則以預定比前一模擬彈低10%的速度射出。如果模擬彈被停止而沒有穿透，那么下一模擬彈則以比前一模擬彈大10%的預定速度射出。一直要確保沖擊位置間的距離足夠大到能防止創(chuàng)傷區(qū)域(受到沖擊影響的區(qū)域)重疊。通常，以這種方式可對每個頭盔射擊大約8發(fā)。由三個在該速度下發(fā)生停止的最高速度和三個在該速度下發(fā)生穿透的最低速度的平均速度獲得實驗V5tl值。當僅獲得兩次停止或僅兩次穿透時，由兩次最高的終止和兩次最低穿透來獲得￥5(1。特征動能U作為FSP在V5tl時的動能獲得，即0.5mV5(12。17grainFSP的質量m等于0.0011kg。頭盔的性能與V5tl時的特征動能U和頭盔質量M相關。因此，獲得P=U/M作為性能參數。耐久性測試在頭盔邊緣上的對應于佩用者耳朵的位置的2個相對位置上，對頭盔施以壓縮力。壓縮力作用的位置被選擇為緊靠增強邊緣上方，由此防止也壓縮增強邊緣。測量作為壓縮力的函數的頭盔形狀變化。在1500N(大約是人體重的兩倍)的力下，頭盔的殼中產生的位移(displacement)被認為是代表性的品質參數，其下文中被稱為“位移”。卸載壓縮力及5分鐘的恢復之后，再次測量頭盔形狀變化。該值被稱為“變形(deformation)，，。應當注意，頭盔殼分層或者塑性變形發(fā)生時的力應當遠高于該1500N的力。當1500N時的變形足夠小時，該負荷重復24次，記錄位移發(fā)展這被稱為“耐損傷性”或簡稱為“耐久性”。其它測試方法側鏈通過FTIR，在2mm厚的模壓薄膜上確定UHPE樣品中的側鏈數量，其中，利用基于NMR測量的標定曲線對1375cm-l處的吸收進行定量(例如，EP0269151)；IV根據方法PTC-179(HerculesInc.Rev.Apr.29，1982)來測定特性粘度，測試條件為在135°C下，十氫化萘中，溶解時間為16小時，采用用量為2g/l溶液的DBPC作為抗氧化劑，其中將在不同濃度下測量的粘度外推得到零濃度下的粘度。拉伸強度(強度)按照ASTMD885M所規(guī)定的，在多層紗線上定義和測量拉伸強度(或強度)，其中使用名義標定長度為500mm的纖維、50%/min的十字頭速度和FrbreGripD5618C型號的Instron2714夾具。為計算強度，用測量的張力除以纖度，該纖度通過稱重10米長的纖維來確定；假設UHMwPE的密度為0.97g/cm3來計算以GPa計的值。比較實驗A由50層交叉層疊片層的疊層來制造頭盔，所述片層包含兩層單層，所述單層具有的拉伸強度為3.5GPa的單向排列UHMwPE纖維和熱塑性粘合劑。交叉層疊片層中兩層單層的纖維取向為大致垂直。頭盔是這樣制造的將疊層放在具有頭盔形狀的開放模具中，接著在130°C的溫度下關閉模具，在SMPa(即，壓力除以頭盔的投影表面)的壓力下固化1小時后，冷卻頭盔，脫模，并修飾到期望的尺寸。平均頭盔質量M為0.876kg。對頭盔加以測試，測試結果在表1中給出。比較實驗B[0058]使用與比較實驗A相同的工藝，但用42層的疊層代替50層，來制造頭盔。壓模期間的壓力與比較實驗A中的相似。在脫模和修飾之后，平均質量為0.737kg。隨后，在脫模和修飾之后，用碳纖維織物對頭盔進行層壓工藝。使用標準商業(yè)環(huán)氧樹脂，在頭盔外部，對四層斜紋碳纖維織物(面密度為0.12kg/m2)進行層壓。樹脂可在室溫下固化。但是，在環(huán)境空氣下固化2天后，在40°C烘箱中進行后固化。進行后固化以確保在頭盔的所有位置處環(huán)氧樹脂都達到最優(yōu)硬化。由此，用碳環(huán)氧復合物的硬外層來制造頭盔。頭盔的厚度接近參照實施例1中頭盔的厚度。但是，添加硬外層后，頭盔的平均質量為0.946kg。對頭盔加以測試，測試結果在表1中給出。本發(fā)明的實施例按照與比較實驗A中相同的方法來制造頭盔。但是，在脫模和修飾之后，圍繞頭盔邊緣層壓碳纖維環(huán)氧復合材料，并按照與比較實驗B所述相同的方法固化。碳纖維環(huán)氧[環(huán)氧的量按體積計為40%]復合材料層由寬度為80mm、具有三種纖維取向的扁平帶狀織物構成，如圖1(3)所示。扁平帶狀織物的面密度為600g/m2。一種纖維取向是扁平帶的長度方向。另外兩種纖維取向是與扁平帶方向成+45度和-45度。沿著頭盔邊緣層壓僅一條扁平帶，如圖所示，其中扁平帶頭端和末端互相重疊3cm。具有這樣的邊緣的頭盔的質量為0.940kg。對頭盔加以測試，測試結果在表1中給出。<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>結果顯示，完全由UHMwPE單層制成的頭盔針對FSP的沖擊顯示出良好的頭盔性能參數P。但是耐久性較低。其僅能支撐很低的橫向壓縮負載，而產生的變形巨大。加入硬外層改進了殼的變形，但是其耐久性仍非最佳。位移較大并且僅能部分恢復。此外，參數P示出的防彈性能有相當地下降。然而，根據本發(fā)明的頭盔顯示出優(yōu)秀的耐久性，同時僅有有限的位移并且?guī)缀鯖]有變形。其還令人吃驚地顯示出V5tl的增加，因此較之已知的頭盔顯示出改進的防彈性質。權利要求防彈頭盔，其具有殼，所述殼含有單向超高分子量聚乙烯(UHMwPW)纖維的單層，其特征在于，所述殼在其邊緣與增強型材相連。2.根據權利要求1的頭盔，其中所述殼還包含粘合劑。3.根據權利要求1或2的頭盔，其中所述增強型材是U型的。4.根據權利要求1-3任意一項的頭盔，其中所述增強型材是金屬制成的。5.根據權利要求1-3任意一項的頭盔，其中所述增強型材包含含纖維和第二粘合劑的復合材料。6.根據權利要求5的頭盔，其中所述增強型材含有陶瓷纖維、玻璃纖維、玄武巖或碳化硅纖維。7.根據權利要求6的頭盔，其中所述增強型材含有碳纖維。8.根據權利要求5-7任意一項的頭盔，其中所述增強型材具有至少兩種纖維取向。9.根據權利要求5-7任意一項的頭盔，其中所述U環(huán)具有至少三種纖維取向。10.根據權利要求9的頭盔，其中一種纖維取纖維是所述增強型材的方向，其它兩種取向是與所述增強型材方向成+45度和-45度角的方向。11.根據權利要求1-10中任意一項所述的頭盔，其中所述殼和增強型材的總重為至多1.2kg。12.根據權利要求1-11中任意一項所述的頭盔，其中所述增強型材的壓縮屈服應力是所述殼的壓縮屈服應力的至少2倍，所述壓縮屈服應力是通過ASTMD6641來測量的。13.根據權利要求1-12中任意一項所述的頭盔，其中所述增強型材與所述頭盔的殼的側面重疊的部分的長度優(yōu)選是所述殼厚度的至少0.5倍。專利摘要本發(fā)明提供了防彈頭盔(1)，其具有殼(2)，所述殼含有單向超高分子量聚乙烯(UHMwPE)纖維的單層，所述殼在其邊緣與增強型材(3)相連。文檔編號F41H1/08GKCN101820785SQ200880111169公開日2010年9月1日申請日期2008年10月9日發(fā)明者漢·霍夫納格爾斯,魯洛夫·馬里薩恩申請人:帝斯曼知識產權資產管理有限公司導出引文BiBTeX,EndNote,RefMan