熱塑性復合材料改良新型高強度自行車頭盔
更新時間：2021-09-07 11:51:50
編輯：秘書處
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隨著世界各大城市擴大其自行車道網絡，街頭上涌現出越來越多的自行車手，自行車事故和潛在碰撞幾率也隨之增加。如何提高自行車手的安全保護，尤其在車輛密集的城市地區，需要擺在突出的位置。據世界衛生組織2020年的一份報告顯示，在與自行車有關的死亡和長期殘疾案例中，頭部受傷占比超過60%。新加坡南洋理工大學（Nanyang TechnologicalUniversity, NTU）的研究人員與法國特種材料領導企業阿科瑪（Arkema）合作，利用復合材料開發了一種更堅固、更安全的自行車頭盔。新頭盔的原型具有更高的能量吸收能力，在發生事故時可減少轉移到騎車人頭部的能量，降低嚴重受傷的幾率。在機械與航空航天工程學院副教授梁家輝（Leong Kah Fai ）的領導下，研究員團隊創造了外殼由新型丙烯酸熱塑樹脂制成，并用碳纖維加固的新型復合材料頭盔。在以真空輔助樹脂灌注工藝制造復合材料頭盔時，使用了單件鋁制模具。用三層0.4毫米厚、±45?編織的碳纖維進行預成型，切割成為450×420平方毫米的大小后，放入模具。自行車頭盔是由兩部分組成的。第一部分是外殼，通常由聚碳酸酯這樣的大規模生產塑料制成。它包裹著一層發泡聚苯乙烯，就是產品包裝和外賣盒使用的材料。外殼能夠在撞擊時破裂，從而在頭盔的整個表面消散能量。然后，泡沫層壓縮并吸收大部分沖擊能量，進一步減少了傳遞到頭部的能量。該團隊的復合材料頭盔使用碳纖維加固的Elium?外殼，取代了傳統的聚碳酸酯外殼。這種加固外殼相比聚碳酸酯外殼，堅韌程度和硬度都更高，但易碎性反而降低。它也增加了頭盔的接觸時間，也就是頭盔承受沖擊負荷的總時間。Elium?復合材料頭盔的成型（a）和生產（b），一個完整的復合材料頭盔外殼（c）梁副教授希望與阿科瑪公司合作開發一種新型頭盔，這種頭盔對騎自行車的人來說更堅固、更安全。事實一再證明，頭盔在減少傷害的嚴重程度和死亡人數方面發揮著關鍵作用。南陽理工大學的頭盔原型已經接受了一系列國際基準測試，與傳統頭盔相比，能夠為騎車人提供更大的保護。諸多特性使外殼能夠在更長的時間內吸收更多的沖擊能量，同時也將能量均勻地分散到整個頭盔中，緩沖到達頭部的整體沖擊力，從而降低了嚴重損傷的機會。研究團隊的索門博士補充道，當頭盔高速撞擊表面時，隨著復合材料外殼的破碎，泡沫出現了型變量更小，這意味著外殼承擔了更多的負荷，吸收了更多的能量。到達泡沫的沖擊力越小，將直接減少對頭部的整體沖擊力。研究團隊發現，在現有的聚碳酸酯頭盔中，大約75%的能量被泡沫吸收了。這并不理想，因為泡沫與人的頭部直接接觸。相比之下，該團隊的復合材料頭盔外殼吸收了50%以上的沖擊能量，而泡沫吸收的能量要少得多，約為35%。研究人員操控高速移動的頭盔撞擊鐵砧，來測試頭盔的性能。鐵砧有平面、半球形和金字塔形，三種不同類型，來模擬不同的道路狀況。這些測試與美國消費者產品安全委員會標準（CPSC 1203）認證所用的測試相同，是國際公認的頭盔安全標準。最終，研究團隊的頭盔原型符合CPSC1203的所有準則。在兩次平面鐵砧測試中，研究人員的頭盔與對照的聚碳酸酯頭盔表現相當，結果是194.7G和197.2G，而對照組是195.4G和198.2G。然而，對半球形和金字塔型鐵砧的測試表明，該復合材料頭盔與聚碳酸酯頭盔相比有很大的改進。在兩次半球形砧板測試中，復合材料頭盔記錄了100.9G和103.1G，而對照頭盔的峰值加速度則高得多，分別為173G和178.7G。在金字塔型砧測試中，研究人員的頭盔記錄了111.7G，與參考頭盔產生的128.7G的結果相比，有明顯的改進。頭盔原型被連接到一個沖擊器臂（a）上，該沖擊器臂以高速驅動它落在各種不同的砧板上，來測試其耐久性。試驗(b)和(c)顯示了平面砧板表面，(d)和(e)顯示了半球形的砧板，(f)是一個金字塔型砧板試驗研究人員參考了當前最為廣泛使用的傷害指標，即頭部傷害標準（HIC）來計算使用頭盔時發生嚴重傷害和死亡的概率。HIC值是由峰值加速度值和加速度持續時間的組合得出的。研究小組對平面鐵砧試驗結果和HIC的分析表明，與聚碳酸酯頭盔相比，復合材料頭盔有可能將危急傷害率由28.7%降至16.7%，致命傷害率分別從6%降至3%。盡管兩種類型的頭盔的峰值加速度大致相同，但復合材料頭盔更堅硬的外殼導致了沖擊過程中加速度的持續時間更長，允許外殼吸收更多的能量。因此產生較低的HIC，意味著較低的關鍵和致命傷害概率。Elium?材料在環境溫度下是液態的，它在室溫下便可成型，而其他基于熱塑性塑料的復合材料外殼需要更高的溫度來加工。因此，通過使用Elium?材料而不是其他傳統的熱塑性塑料，簡化了復合材料頭盔的制造過程，使原型頭盔比傳統頭盔更容易生產。南洋理工大學的研究人員與阿科瑪公司合作，實現頭盔的制造工藝商業化轉變，任何感興趣的制造商都能夠生產它們。梁副教授表示，通過他們的生產方式，頭盔能提供與目前頂級頭盔相同的保護，但價格與中級頭盔相當（100-150美元）。南洋理工大學研究人員目前還致力于開發另一款由Elium?材料和另一種熱塑性塑料--聚丙烯織物制成的復合材料頭盔。該頭盔克服了原先復合材料質量略重（比聚碳酸酯頭盔重約20%）的缺點，將有可能使其與聚碳酸酯頭盔一樣輕，但提供更好的保護。 南洋理工大學的研究人員與阿科瑪公司合作，引領頭盔的制造工藝商業化轉變，任何感興趣的制造商都能夠生產它們該團隊的研究得到了新加坡科學、技術和研究機構（A*STAR）在國家研究創新企業2020計劃下的支持。同時，研究小組的研究結果發表在同行評議的雜志《復合材料》B部分。本文由中國復合材料工業協會編譯，文章不用于商業目的，僅供行業人士交流。轉載請注明來自中國復合材料工業協會。
