探讨混杂纤维复合材料头盔的设计与制备

李炎锋

摘要：当前使用混杂纤维（Kevlar/碳）进行头盔制定时，利用有限元分析其多种铺层方式后的固化与变形，并按照头盔的变形发生位置，以及小变形量的相关要求，确认在CF/KF以及GF混杂方式下头盔[02c/904k/02c]的铺层方式，从而保障头盔和外部设备在进行安装时，不会受到影响。使用VARI工艺进行头盔制备，并且对C/K混杂纤维以及碳纤维复合材料进行冲击性实验。就实验结果可知，相比碳纤维复合材料，C/K混杂纤维耐冲击性能显著较优。

关键词：混杂纤维;复合材料;头盔;设计与制备

引言：当前使用先进的复合材料，因为存在耐腐蚀、高温以及具备高模量等特点，在极限运动以及航空等领域使用较为广泛[1]。当前无论是通用的GFRP、还是具有高性能的AFRP、CFRP，其均存在各自的不足以及优势[2]。若将2类或多纤维进行联合使用，可以有效发挥其各自的特征，从而发挥复合材料性能，降低制作成本。且能够使混杂纤维复合材料性能得到有效提升。

1、头盔热变形的有限元分析

1.1 头盔工况

当前所设计，头盔的厚度在2.0mm，共10层，每层厚度在0.2mm。目前在制作头盔时，其所使用增强材料并不一致，即碳/Kevlar混杂纤维以及碳纤维。当前头盔出现变形的温差在△T=165℃，在模拟时，对头盔两侧圆孔实施固定[3]。

1.2 CF/LF/CF夹芯混杂头盔的热变形

在进行夹芯混杂时，Kevlar纤维中芯层分为2层与3层。当设计为2层时，其最大变形发生位置在顶部，产生较大威胁。芯部位4层时，头盔变形结果见表1。

在对比4中铺层方法后，可知[02C/904K/02C]与[0C/90C/04k/90C/0C]头盔的变形量相对较小;[0C/90C/±452k/90C/0C]和[±45C/±45K]S的变形量则会逐步增大。分析其中存在的问题，主要是由于[0C/90C/±452k/90C/0C]和[±45C/±45K]的头盔变形主要是在头盔顶部集中，而其他位置变形较小[4]。而[02C/904K/02C]与[0C/90C/04k/90C/0C]其最大的变形量主要是在下册，从而减小变形量，使顶部的变形量较小。依据头盔变形的发生位置，以及小变量的需求，CF/LF/CF夹芯混杂头盔选择使用[02C/904K/02C]铺层方式。分析原因，主要是因为碳纤维以及Kevlar纤维相比纵向，横向热膨胀系数显著较大。加之两侧碳纤维的铺层角度为0°，Kevlar纤维铺层为90°，因此在高温固化的形势下，Kevlar纤维的热膨胀会有所削弱，减小变形量。

1.3 KF/CF/KF夹芯混杂头盔的热变形

所谓 KF/CF/KF夹芯混杂头盔。即在进行夹芯混杂头盔设计时，在外侧两层铺放Kevlar纤维，其夹芯则为碳纤维[5]。在实施有限元变形预测后，该种铺层方式之下，头盔出现变形的位置，均为顶部位置，并且具有较大的变形量。因此目前C/K混杂纤维头盔不采取KF/CF/KF铺层。

综上所述，当前CF/KF混杂头盔进行铺层时，[0C/90K]4、[02C/904K/02C]以及[0C/90C/04k/90C/0C]三种铺层方式最大变形量的发生位置与头盔使用要求相符合，且其中[02C/904K/02C]铺层方式，在固化时，头盔出现热变形量最小。

2、头盔的制备与性能测试

在进行头盔制备时，利用真空管柱VARI工艺效果具有较佳效果。当期VARI属于一种新型的低成本大型构件成型技术。其主要是利用真空条件下，将纤维增强体之中的气体进行排除，随后利用树脂的流动、渗透，保障其对纤维与其织物的浸渍。在该工艺之中，进行头盔制备的磨具属于组合式2片阴模，可以保障头盔成型之后外表处于光滑的状态。在进行制作时，应先对模具进行清理，保障头盔中心对称轴在90°方向。随后依据[02C/904K/02C]方式，进行纤维增强体铺放，首先进行倒流布铺放，随后进行密封胶带粘贴，最后真空袋封固。工作人员在头盔的顶部位置设置注胶口，头盔的边沿应设置出料口，进行重模，时间在10min。在固化后全脱模后，头盔表面光滑，未存在干点，且尺寸测试的结果与设计要求一致，则为制作完成。

3、结束语

在探究头盔铺层设计对变形影响时，实施有限元软件分析后可知C/K混杂纤维头盔的铺层方式[02c/904k/02c]效果最佳。究其原因，是其使头盔固化之中的变形在底部集中，因此变形量较小，能够保障头盔与外部设备处于稳定状态。其次，在进行头盔制备时，利用真空管柱VARI工艺效果显著，在使头盔处于外表光滑的基础上，降低孔隙率，提高性能，满足用户的使用需求。

参考文献

[1] 张国利， 童亞敏， 徐靖， 等. 铺层角度对头盔壳体用碳/芳纶混杂纤维复合材料力学性能的影响[J]. 天津工业大学学报， 2021， 40（4）：7.

[2] 王晓宏， 刘长喜， 毕凤阳，等. 非等厚碳纤维复合材料弹性膜盘结构的设计及制作[J]. 昆明理工大学学报：自然科学版， 2021， 46（1）：10.

[3] 李长春， 董超， 高志勇，等. 基于碳纤维复合材料的再入飞行器弹翼结构设计与研究[J]. 导弹与航天运载技术， 2019（5）：5.

[4] 叶斌斌， 韩建国， 潘鹏，等. 芳纶纤维和超高分子量聚乙烯纤维制备工程用纤维/水泥复合材料的适用性[J]. 复合材料学报， 2019，36（1）： 245-253.

[5] 钱伯章. 德国开发碳纤维复合材料与铝材料连接的新技术[J]. 合成纤维， 2019， 48（2）：1.