头盔壳体及其制作方法、矿井用安全头盔与流程

1.本发明涉及安全头盔技术领域，尤其是涉及一种头盔壳体及其制作方法，以及矿井用安全头盔。


背景技术：

2.煤矿工人佩戴安全帽对保障其个人职业健康安全至关重要，但传统的安全帽多使用abs热塑而成，且通常为半盔型。随着煤矿智能化发展，智能化安全头盔可为工人提供定位、通讯、监测等便利，但是这种头盔通常负重较大，导致工人佩戴意愿低。为尽可能降低头盔负重，提升佩戴舒适度，亟需对智能安全头盔壳体进行轻量化设计。
3.碳纤维作为一种质量轻、强度大，弹性模量、拉伸模量高，耐高温、耐腐蚀的材料被广泛用于头盔壳体的制造。相关技术中的长碳纤维编织头盔壳体多用于赛车、摩托车、骑行、武警和森林消防等，主要采用预浸树脂的碳纤维布复合芳纶、玻璃纤维等材料铺层压制固化而成，成本很高，是传统矿用安全帽成本的数百倍，且多层碳纤维布的叠加需要大量树脂加固，并不能充分展现碳纤维质量轻、强度大的优越性。另外，武警、消防场景对头盔壳体性能的要求与煤矿场景有差异，因此需要针对煤矿应用场景设计头盔壳体结构。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种轻量化高强度的头盔壳体，既满足头盔壳体材料的力学性能又大幅降低壳体重量，还能降低制造成本。
5.本发明实施例还提出了上述这种头盔壳体的制作方法，以及具备这种头盔壳体的矿井用安全头盔。
6.本发明实施例的头盔壳体包括：碳纤维层，所述碳纤维层包括单层碳纤维布；缓冲层，所述缓冲层包括剑麻纤维与空心微珠的复合材料，所述缓冲层位于碳纤维层的内侧并与其贴合，所述剑麻纤维的长度为3.0mm-4.0mm，所述空心微珠的外径为250μm-300μm；粘合剂，所述粘合剂用于将所述碳纤维层和缓冲层粘合。
7.本发明实施例提供的头盔壳体针对矿用安全帽的力学性能设计，满足煤矿场景使用，在仅使用单层碳纤维布的条件下，加入由剑麻纤维和空心微珠的复合材料制备的缓冲层。剑麻纤维具有无污染、易加工、纤维较长、质地坚韧、富于弹性、拉力强的特点，且抗撕裂、耐磨、耐腐蚀、耐低温，吸湿、放湿快，可在很大程度上发挥缓冲作用和结构增强作用，并且还可以在一定程度上改善头盔内部湿热环境。空心微珠除了密度低、重量轻外，还具有隔音、隔热、绝缘的特性，还作为增强材料增加头盔壳体的强度。
8.因此，本发明实施例提供的头盔壳体具有重量轻、强度高的优点。此外，剑麻纤维和空心微珠的成本均较低，因此本发明实施例提供的头盔壳体还具有制造成本低的优势。
9.在一些实施例中，所述碳纤维布为双向编织的碳纤维布；和/或，所述空心微珠为粉煤灰基空心玻璃微珠；和/或，所述粘合剂为树脂。
10.在一些实施例中，所述碳纤维层与所述缓冲层的厚度之比为0.1-0.5。
11.在一些实施例中，所述碳纤维层的厚度为0.5mm-1mm；和/或，所述缓冲层厚度为2mm-5mm。
12.在一些实施例中，所述碳纤维层的厚度为0.8mm；和/或，所述缓冲层厚度为3.2m。
13.在一些实施例中，所述缓冲层中，剑麻纤维与空心微珠的质量之比为4:1-5:1。
14.本发明另一方面实施例提供了一种头盔壳体的制作方法，所述制作方法包括以下步骤：
15.步骤1：在头盔制作模具内铺设单层碳纤维布，并利用树脂进行固定，形成所述碳纤维层；
16.步骤2：在所述碳纤维层的内侧布设所述缓冲层，并利用粘合剂将两者粘合压制固化；
17.步骤3：待粘合剂成型后脱模得到所述头盔壳体。
18.在一些实施例中，步骤2具体包括：在所述碳纤维层的内侧铺设一层剑麻纤维，并利用混合有空心微珠的粘合剂进行固定。
19.在一些实施例中，步骤2具体包括：将剑麻纤维与空心微珠按照一定比例掺混并铺设在所述碳纤维层的内侧，然后利用粘合剂固定。
20.本发明另一方面实施例提供了一种矿井用安全头盔，包括：头盔壳体，所述头盔壳体为根据上述任一项实施例所述的头盔壳体；电子设备，所述电子设备安装在所述头盔壳体上，所述电子设备至少包括通讯设备、监测设备、定位设备中的一者。
附图说明
21.图1是本发明实施例提供的头盔壳体的截面图。
22.附图标记：
23.头盔壳体100、碳纤维层110、缓冲层120。
具体实施方式
24.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
25.下面根据图1描述本发明实施例提供的头盔壳体100。头盔壳体100包括碳纤维层110、缓冲层120和粘合剂。粘合剂用于将碳纤维层110和缓冲层120粘合。
26.其中，碳纤维层110包括单层碳纤维布，缓冲层120包括剑麻纤维与空心微珠的复合材料，缓冲层120位于碳纤维层110的内侧并与其贴合。剑麻纤维的长度为3.0mm-4.0mm，空心微珠的外径为250μm-300μm。
27.本发明实施例提供的头盔壳体针对矿用安全帽的力学性能设计，满足煤矿场景使用，在仅使用单层碳纤维布的条件下，加入由剑麻纤维和空心微珠的复合材料制备的缓冲层。剑麻纤维具有无污染、易加工、纤维较长、质地坚韧、富于弹性、拉力强的特点，且抗撕裂、耐磨、耐腐蚀、耐低温，吸湿、放湿快，可在很大程度上发挥缓冲作用和结构增强作用，并且还可以在一定程度上改善头盔内部湿热环境。空心微珠除了密度低、重量轻外，还具有隔音、隔热、绝缘的特性，还作为增强材料增加头盔壳体的强度。
28.因此，本发明实施例提供的头盔壳体具有重量轻、强度高的优点。此外，剑麻纤维和空心微珠的成本均较低，因此本发明实施例提供的头盔壳体还具有制造成本低的优势。
29.具体地，使剑麻纤维的长度为3.0-4.0mm的目的是增强剑麻纤维之间以及剑麻纤维与空心微珠之间的力学性能。若剑麻纤维的长度小于3.0mm，则其不能很好地起到剑麻纤维间以及剑麻纤维与空心微珠之间的粘连作用。若剑麻限位的长度大于4mm，则会导致材料较高的单向连续性，降低粘连性、造成各向力学性能不均衡。
30.使空心微珠的外径为250-300μm的目的是填充剑麻纤维之间的空隙，增强所制缓冲层的力学性能和平衡头盔壳体各点的各向力学性能。若空心微珠的外径小于250μm，易因尺寸过小不能很好地起到填充增固的作用。若空心微珠的外径大于300μm，则会导致剑麻纤维间出现更多、更大空隙，影响缓冲层的稳定性和力学性能。
31.在一些可选实施例中，剑麻纤维的直径为200-300μm。
32.在一些优选实施例中，碳纤维层110中的碳纤维布为双向编织的碳纤维布，双向编织的碳纤维布具有更优异的结构强度。
33.可选地，缓冲层120中的空心微珠为空心玻璃微珠。可选地，空心玻璃微珠为粉煤灰基空心玻璃微珠，即所使用的空心玻璃微珠来自于粉煤灰，重量轻、成本较低。
34.可选地，粘合剂为树脂胶黏剂，例如环氧树脂胶黏剂。环氧树脂具有良好的物理机械和电绝缘性能，与所述材料发生浸润、粘附和固化等反应，固化时基本无低分子挥发物产生，具有较小的胶层体积收缩率和尺寸稳定性。
35.在一些实施例中，碳纤维层110与缓冲层120的厚度之比为0.1-0.5。使碳纤维层110与缓冲层120的厚度之比在上述范围内，一是满足矿用安全头盔的力学防护性能，二是实现头盔壳体的轻量化，三是降低成本。
36.若碳纤维层110与缓冲层120的厚度之比大于0.5，则会导致由于碳纤维层110厚度较大(例如大于1mm)，碳纤维材料的较多使用在未能显著提高头盔壳体力学性能的时候会提高头盔壳体制作成本；
37.若碳纤维层110与缓冲层120的厚度之比小于0.1，则会导致由于缓冲层120厚度较大(例如大于5mm)，虽然剑麻纤维与空心微珠复合材料制备头盔壳体力学性能远大于国标要求参数，但较厚的缓冲层会增加头盔壳体重量。
38.在一些优选实施例中，碳纤维层110的厚度为0.5mm-1mm。当碳纤维层110的厚度在该范围内，可同时兼顾对头盔壳体力学性能与轻量化的需求，并且尽可能降低使用碳纤维层的成本。
39.在一些优选实施例中，缓冲层120的厚度为2mm-5mm。当缓冲层120的厚度在该范围内，可同时兼顾对头盔壳体力学性能与轻量化的需求。
40.更优选地，使碳纤维层110的厚度为0.8mm。缓冲层120的厚度为3.2mm。
41.在一些实施例中，在缓冲层120中，剑麻纤维与空心微珠的质量之比为4:1-5:1。使缓冲层120中剑麻纤维与空心微珠的质量之比为4:1-5:1，可以满足剑麻纤维空隙的充填以及控制头盔壳体的重量。
42.若剑麻纤维与空心微珠的质量之比大于5:1，则会导致由于剑麻纤维所占比例过大，空心微珠不能均匀混合于剑麻纤维空隙中，造成剑麻纤维空心微珠复合材料力学性能降低；
43.若剑麻纤维与空心微珠的质量之比小于4:1，则会导致由于剑麻纤维所占比例过小，根据头盔壳体尺寸，剑麻纤维铺层密度较低，导致头盔壳体的力学性能降低。
44.本发明实施例还提出了一种头盔壳体的制作方法，所述头盔壳体100为上述任一项实施例中的头盔壳体100，制作方法包括以下步骤：
45.步骤1：在头盔制作模具内铺设单层碳纤维布，并利用树脂进行固定，形成碳纤维层110；
46.步骤2：在碳纤维层的内侧布设缓冲层120，并利用粘合剂将两者粘合；
47.步骤3：待粘合剂成型后脱模得到头盔壳体100。
48.其中，在一些可选实施例中，步骤2具体包括：在碳纤维层110的内侧铺设一层剑麻纤维，并利用混合有空心微珠的粘合剂进行固定。
49.在另一些可选实施例中，步骤2具体包括：将剑麻纤维与空心微珠按照一定比例掺混并铺设在碳纤维层110的内侧，然后利用粘合剂固定。
50.本发明实施例还提出了一种矿井用安全头盔，安全头盔包括头盔壳体100和电子设备。其中，头盔壳体100为上述任一项实施例中的头盔壳体100，电子设备安装在头盔壳体100上，电子设备至少包括通讯设备、监测设备、定位设备中的一者。
51.下面详细描述本发明提供的若干具体实施例中的头盔壳体100及其制备方法，并对制备的头盔壳体100的安全性能进行测试。
52.实施例一：
53.本实施例提供的头盔壳体中，选用平均长度为3.5mm的剑麻纤维，平均外径为270μm的空心微珠作为缓冲层120的制备原料。粘合剂为环氧树脂胶黏剂。碳纤维层110的厚度为0.6mm，缓冲层120的厚度为3mm。所述缓冲层120中，剑麻纤维与空心微珠的质量之比为4:1。本实施例头盔壳体100的制备方法包括如下步骤：
54.步骤1：在头盔制作模具内铺设单层、双向编织的碳纤维布，并利用环氧树脂胶黏剂进行固定，形成碳纤维层110，碳纤维层110的厚度为0.6mm；
55.步骤2：在碳纤维层110的内侧铺设剑麻纤维，并利用混合有空心微珠的粘合剂环氧树脂胶黏剂进行固定，剑麻纤维与空心微珠的质量之比为4:1，缓冲层120的厚度为3mm；
56.步骤3：待粘合剂成型后脱模得到头盔壳体100。
57.对制备成型的头盔壳体100进行性能测试，包括质量测试、耐刺穿性和侧向刚性检测实验，头盔壳体质量0.5kg，冲击吸收性能测试头模接受压力5000n，帽壳被穿刺，侧向刚性测试最大变形42mm，残余变形量13mm。
58.实施例二：
59.本实施例提供的头盔壳体中，选用平均长度为3.5mm的剑麻纤维，平均外径为270μm的空心微珠作为缓冲层120的制备原料。粘合剂为环氧树脂胶黏剂。碳纤维层110的厚度为0.8mm，缓冲层120的厚度为3.2mm。所述缓冲层120中，剑麻纤维与空心微珠的质量之比为4:1。本实施例头盔壳体100的制备方法包括如下步骤：
60.步骤1：在头盔制作模具内铺设单层、双向编织的碳纤维布，并利用环氧树脂胶黏剂进行固定，形成碳纤维层110，碳纤维层110的厚度为0.8mm；
61.步骤2：在碳纤维层110的内侧铺设剑麻纤维，并利用混合有空心微珠的环氧树脂胶黏剂进行固定，剑麻纤维与空心微珠的质量之比为4:1，缓冲层120的厚度为3.2mm；
62.步骤3：待粘合剂成型后脱模得到头盔壳体100。
63.对制备成型的头盔壳体100进行性能测试，包括质量测试、耐刺穿性和侧向刚性检测实验，头盔壳体质量0.65kg，冲击吸收性能测试头模接受压力4800n，帽壳被穿刺，侧向刚性测试最大变形38mm，残余变形量12mm。
64.对比例一：
65.本实施例提供的头盔壳体中，选用平均长度为3.5mm的剑麻纤维，平均外径为270μm的空心微珠作为缓冲层120的制备原料。粘合剂为环氧树脂胶黏剂。碳纤维层110的厚度为0.5mm，缓冲层120的厚度为6mm。所述缓冲层120中，剑麻纤维与空心微珠的质量之比为4:1。本实施例头盔壳体100的制备方法包括如下步骤：
66.步骤1：在头盔制作模具内铺设单层、双向编织的碳纤维布，并利用环氧树脂胶黏剂进行固定，形成碳纤维层110，碳纤维层110的厚度为0.5mm；
67.步骤2：在碳纤维层110的内侧铺设剑麻纤维，并利用混合有空心微珠的环氧树脂胶黏剂进行固定，剑麻纤维与空心微珠的质量之比为4:1，缓冲层120的厚度为6mm；
68.步骤3：待粘合剂成型后脱模得到头盔壳体100。
69.对制备成型的头盔壳体100进行性能测试，包括质量测试、耐刺穿性和侧向刚性检测实验，头盔壳体质量0.92kg，冲击吸收性能测试头模接受压力5000n，帽壳被穿刺，侧向刚性测试最大变形49mm，残余变形量11mm。
70.对比例二：
71.本实施例提供的头盔壳体中，选用平均长度为3.5mm的剑麻纤维，平均外径为270μm的空心微珠作为缓冲层120的制备原料。粘合剂为环氧树脂胶黏剂。碳纤维层110的厚度为0.6mm，缓冲层120的厚度为3mm。所述缓冲层120中，剑麻纤维与空心微珠的质量之比为3:1。本实施例头盔壳体100的制备方法包括如下步骤：
72.步骤1：在头盔制作模具内铺设单层、双向编织的碳纤维布，并利用环氧树脂胶黏剂进行固定，形成碳纤维层110，碳纤维层110的厚度为0.6mm；
73.步骤2：在碳纤维层110的内侧铺设剑麻纤维，并利用混合有空心微珠的粘合剂环氧树脂胶黏剂进行固定，剑麻纤维与空心微珠的质量之比为3:1，缓冲层120的厚度为3mm；
74.步骤3：待粘合剂成型后脱模得到头盔壳体100。
75.对制备成型的头盔壳体100进行性能测试，包括质量测试、耐刺穿性和侧向刚性检测实验，头盔壳体质量0.74kg，冲击吸收性能测试头模接受压力5000n，帽壳被穿刺，侧向刚性测试最大变形56mm，残余变形量15mm。
76.测试结果见表1：
77.表1
[0078][0079]
如表1所示，根据实施例一和实施例二的试验结果证明，当碳纤维层的厚度为0.8mm，缓冲层厚度为3.2m，头盔壳体具有较强的力学性能，并且同时还满足头盔壳体轻量化的需求。
[0080]
根据实施例二和对比例一的试验结果证明，碳纤维层110与缓冲层120的厚度之比小于0.1，则会导致由于缓冲层120厚度较大，虽然剑麻纤维与空心微珠复合材料制备头盔壳体力学性能远大于国标要求参数，但较厚的缓冲层会大大增加头盔壳体重量，无法满足头盔壳体轻量化的需求。
[0081]
根据实施例一和对比例二的试验结果证明，缓冲层120中剑麻纤维与空心微珠的质量之比小于4:1，则会导致由于剑麻纤维所占比例过小，根据头盔壳体尺寸，剑麻纤维铺层密度较低，导致头盔壳体的力学性能降低。
[0082]
综上所述，本发明实施例提供的头盔壳体针对矿用安全帽的力学性能设计，满足煤矿场景使用，在仅使用单层碳纤维布的条件下，加入由剑麻纤维和空心微珠的复合材料制备的缓冲层，可在很大程度上发挥缓冲作用和结构增强作用，并且还可以在一定程度上改善头盔内部湿热环境。本发明实施例提供的头盔壳体具有重量轻、强度高、制造成本低的优点。
[0083]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0084]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0085]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0086]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在
第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0087]
在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0088]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

技术特征：
1.一种头盔壳体，其特征在于，包括碳纤维层，所述碳纤维层包括单层碳纤维布；缓冲层，所述缓冲层包括剑麻纤维与空心微珠的复合材料，所述缓冲层位于碳纤维层的内侧并与其贴合，所述剑麻纤维的长度为3.0mm-4.0mm，所述空心微珠的外径为250μm-300μm；粘合剂，所述粘合剂用于将所述碳纤维层和缓冲层粘合。2.根据权利要求1所述的头盔壳体，其特征在于，所述碳纤维布为双向编织的碳纤维布；和/或，所述空心微珠为粉煤灰基空心玻璃微珠；和/或，所述粘合剂为树脂。3.根据权利要求1所述的头盔壳体，其特征在于，所述碳纤维层与所述缓冲层的厚度之比为0.1-0.5。4.根据权利要求1或3所述的头盔壳体，其特征在于，所述碳纤维层的厚度为0.5mm-1mm；和/或，所述缓冲层厚度为2mm-5mm。5.根据权利要求4所述的头盔壳体，其特征在于，所述碳纤维层的厚度为0.8mm；和/或，所述缓冲层厚度为3.2m。6.根据权利要求1所述的头盔壳体，其特征在于，所述缓冲层中，剑麻纤维与空心微珠的质量之比为4:1-5:1。7.一种头盔壳体的制作方法，其特征在于，所述头盔壳体为权利要求1-6中任一项所述的头盔壳体，所述制作方法包括以下步骤：步骤1：在头盔制作模具内铺设单层碳纤维布，并利用树脂进行固定，形成所述碳纤维层；步骤2：在所述碳纤维层的内侧布设所述缓冲层，并利用粘合剂将两者粘合压制固化；步骤3：待粘合剂成型后脱模得到所述头盔壳体。8.根据权利要求7所述的头盔壳体的制作方法，其特征在于，步骤2具体包括：在所述碳纤维层的内侧铺设一层剑麻纤维，并利用混合有空心微珠的粘合剂进行固定。9.根据权利要求7所述的头盔壳体的制作方法，其特征在于，步骤2具体包括：将剑麻纤维与空心微珠按照一定比例掺混并铺设在所述碳纤维层的内侧，然后利用粘合剂固定。10.一种矿井用安全头盔，其特征在于，包括：头盔壳体，所述头盔壳体为根据权利要求1-6中任一项所述的头盔壳体；电子设备，所述电子设备安装在所述头盔壳体上，所述电子设备至少包括通讯设备、监测设备、定位设备中的一者。

技术总结
本发明公开了一种头盔壳体及其制作方法、矿井用安全头盔，头盔壳体包括碳纤维层、缓冲层和粘合剂，碳纤维层包括单层碳纤维布，缓冲层包括剑麻纤维与空心微珠的复合材料，缓冲层位于碳纤维层的内侧并与其贴合，剑麻纤维的长度为3.0mm-4.0mm，空心微珠的外径为250μm-300μm，粘合剂用于将碳纤维层和缓冲层粘合。本发明提供的头盔壳体针对矿用安全帽的力学性能设计，满足煤矿场景使用，在仅使用单层碳纤维布的条件下，加入由剑麻纤维和空心微珠的复合材料制备的缓冲层，具有重量轻、强度高、成本低的优点。本低的优点。本低的优点。


技术研发人员：郭鑫 张亦凡 刘霄 杨鑫 石林鑫
受保护的技术使用者：煤炭科学研究总院有限公司
技术研发日：2023.05.29
技术公布日：2023/9/23