檀江濤， 蔣高明， 高 哲， 鄭培曉

(江南大學(xué) 針織技術(shù)教育部工程研究中心， 江蘇 無錫 214122)

交通事故中的猛烈撞擊易導(dǎo)致顱腦損傷，直接威脅生命安全，而頭盔是在發(fā)生交通事故時可有效防止頭部受到猛烈撞擊的重要個體防護裝置。相關(guān)研究表明[1-2]，摩托車頭盔可將交通事故中的死亡率降低42%，將顱腦損傷的風(fēng)險降低70%左右，因此，世界各國的道路交通安全法中均有明確規(guī)定，摩托車駕駛員及乘坐人員均須佩戴安全頭盔。頭盔的2個重要組成部分是頭盔殼體和緩沖層，其中頭盔殼體的主要作用是吸收沖擊能量、分配沖擊載荷并防止尖銳物體的穿透。

當(dāng)前，市場上的摩托車頭盔殼體材料主要包括熱塑性塑料和紡織復(fù)合材料[3]。其中，熱塑性塑料主要包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)塑料和聚碳酸酯(PC)塑料，紡織復(fù)合材料頭盔殼體則主要由玻璃纖維、碳纖維和芳綸等高性能纖維增強復(fù)合材料制成[4]。目前，熱塑性塑料頭盔約占國內(nèi)頭盔市場的75%左右，但其生產(chǎn)工藝簡單、利潤低，主要由國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)。紡織復(fù)合材料頭盔雖然市場占比小，但其生產(chǎn)工藝復(fù)雜、利潤高，由國內(nèi)少數(shù)企業(yè)和國外知名品牌生產(chǎn)。

與熱塑性塑料頭盔殼體相比，紡織復(fù)合材料頭盔殼體具有質(zhì)量輕、耐壓縮、抗低速沖擊以及耐寒耐熱等優(yōu)良性能[5]，但目前多采用裁剪鋪層的方式制備其殼體預(yù)制件，存在生產(chǎn)效率低、人工參與度高以及產(chǎn)品的成型質(zhì)量和尺寸穩(wěn)定性較差等問題，從而限制了紡織復(fù)合材料頭盔的發(fā)展，因此，如何在保證紡織復(fù)合材料頭盔殼體抗低速沖擊性能的基礎(chǔ)上解決上述問題，已成為國內(nèi)外研究人員關(guān)注的重點。本文以紡織復(fù)合材料抗低速沖擊頭盔殼體為研究對象，對該產(chǎn)品的預(yù)制件結(jié)構(gòu)特征及其成型性進行系統(tǒng)分析，對比了目前生產(chǎn)和研究中所采用的3種成型工藝及其產(chǎn)品特點，綜述了國內(nèi)外相關(guān)研究機構(gòu)及學(xué)者對紡織復(fù)合材料頭盔殼體抗低速沖擊性能的研究進展，并提出了未來的研究方向。

1 頭盔殼體預(yù)制件

1.1 二維織物

二維織物是頭盔殼體預(yù)制件中應(yīng)用最早且最為廣泛的織物，主要包括二維機織物和二維針織物。

1.1.1 二維機織物

二維機織物中2個相互垂直排列的紗線系統(tǒng)相互交織，排列緊密，使得織物的面密度較高，可通過提高頭盔殼體的纖維體積含量來降低頭盔質(zhì)量。此外，紡織復(fù)合材料頭盔殼體中多采用玻璃纖維和碳纖維等高性能纖維，而機織物編織過程對高性能纖維的強力損傷小，可最大程度地保持纖維的強度利用率。平紋織物和方平織物是當(dāng)前紡織復(fù)合材料抗低速沖擊頭盔殼體預(yù)制件中應(yīng)用最多的二維機織物[6]，也是當(dāng)前國內(nèi)外摩托車頭盔生產(chǎn)廠商普遍使用的織物結(jié)構(gòu)。Kang等[7]通過測試發(fā)現(xiàn)，與平紋織物相比，方平織物增強復(fù)合材料的抗沖擊性能更優(yōu)，其主要原因是方平織物中的經(jīng)緯紗交織點比平紋織物少，更易于能量的傳播。

二維機織物中的經(jīng)緯紗之間摩擦力較大，利用整塊織物沖壓成型頭盔殼體的球面形狀時，預(yù)制件表面起拱現(xiàn)象嚴重，只能將織物裁剪后進行拼接鋪層。Campbell等[8]發(fā)現(xiàn)鋪層工序耗時約占頭盔殼體總制備工藝時長的60%。除鋪層工藝耗時長外，當(dāng)前主要依靠人工鋪層制備頭盔殼體預(yù)制件，無法保障產(chǎn)品的質(zhì)量均勻性。另外，裁剪過程中勢必會造成價格昂貴的高性能纖維原料的浪費。

1.1.2 二維針織物

借助橫編成形技術(shù)，由線圈組成的二維針織物可輕松實現(xiàn)頭盔殼體球面形狀的一體成形。然而，不同組織結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能也不盡相同，為此研究人員已進行了大量對比實驗。如Alaatt等[9]研究了緯平針、米蘭諾和羅紋組織增強復(fù)合材料層合板的抗沖擊性能及其沖擊后壓縮性能，實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，羅紋組織增強復(fù)合材料在低速沖擊實驗中所需要的穿透能量最高，沖擊后的剩余壓縮強度最高。閻若思等[10]進一步研究了雙羅紋空氣層和瑞士點紋組織增強復(fù)合材料抗沖擊性能和耐穿透性能發(fā)現(xiàn)，雙羅紋空氣層的抗沖擊和耐穿透性能均為最優(yōu)。

二維針織物的編織過程對玻璃纖維和碳纖維等柔韌性差的高性能纖維的強力損傷嚴重，通常選擇柔韌性良好的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維編織頭盔殼體預(yù)制件。由于UHMWPE纖維的柔韌性和耐剪切性能突出，其復(fù)合材料在低速沖擊過程中不易發(fā)生穿透性損傷[11]。同時由于UHMWPE纖維的密度(0.97 g/cm3)較小，有利于制備質(zhì)量較輕的頭盔殼體。此外，利用橫編成形技術(shù)編織的一體成形頭盔殼體預(yù)制件，避免了因鋪層產(chǎn)生的重疊部分織物的質(zhì)量，從而可進一步減輕頭盔殼體質(zhì)量。然而，二維針織物中的紗線以線圈形式存在，排列疏松，織物面密度低且延伸性大，所制備的復(fù)合材料頭盔殼體的剛性差，沖擊后形變量大。

1.2 三維織物

二維織物增強的紡織復(fù)合材料頭盔殼體普遍存在層間結(jié)合強度低和損傷容限不足等問題[12]。針對這一問題，近年來研究人員開始逐漸將具有一定厚度的三維織物應(yīng)用于頭盔殼體預(yù)制件中。

1.2.1 三維機織物

三維機織物包含了經(jīng)紗、緯紗和接結(jié)紗3種紗線系統(tǒng)，其中接結(jié)紗在厚度方向上對織物的層間結(jié)構(gòu)起到了固定作用，增強了織物的層間結(jié)合強度。接結(jié)紗的引入減少了三維機織物中單位面積內(nèi)經(jīng)緯紗線交織點的個數(shù)，使得織物結(jié)構(gòu)松散，變形過程中織物內(nèi)紗線滑移摩擦力小，有利于提高頭盔殼體預(yù)制件的成型性。三維機織物中的角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)具有良好的柔韌性和成型能力，早在2012年，Zahid等[13]發(fā)現(xiàn)在一定的外力作用下可將2.5維等角聯(lián)鎖織物無褶皺地鋪覆在頭盔殼體模具上，并率先制備了單件連續(xù)織物增強復(fù)合材料頭盔殼體。謝婉晨[14]對比了不同層數(shù)的角聯(lián)鎖機織物和平紋織物的抗沖擊性能，并選擇了性能最優(yōu)的5層角聯(lián)鎖織物制備了一體成型頭盔殼體。在角聯(lián)鎖織物成型頭盔殼體球面形狀成型過程中，多數(shù)研究結(jié)果表明[15-16]，在外力作用下織物結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，層內(nèi)和層間均會出現(xiàn)紗線滑移現(xiàn)象，從而導(dǎo)致制備的復(fù)合材料頭盔殼體不同部位的抗沖擊性能存在差異，同時由于紗線殘余應(yīng)力的作用使得頭盔殼體的尺寸穩(wěn)定性較差[17]。

1.2.2 三維針織物

1.2.2.1多軸向針織物 多軸向針織物分為經(jīng)編軸向針織物和緯編軸向針織物。2種織物均由綁縛紗和襯紗系統(tǒng)組成，處于平行順直狀態(tài)下的襯紗系統(tǒng)可在不損傷纖維強力的條件下，編織柔韌性差的玻璃纖維和碳纖維等高性能纖維，此外由于襯緯紗的無屈曲狀態(tài)，使得襯緯紗的紗線潛能利用率在90%以上[18]。2種軸向針織物均可在一定外力的作用下經(jīng)過變形制備頭盔殼體預(yù)制件，其中緯編軸向織物由于捆綁紗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的各向延伸性較好，成型過程中襯紗有很大的活動范圍，使得生成的頭盔殼體預(yù)制件的成型性最為突出。在抗沖擊性能方面，王孟華[19]對比了緯編軸向織物和平紋織物增強復(fù)合材料的抗沖擊性能發(fā)現(xiàn)，前者的損傷區(qū)域和程度均為最小。此外，姜亞明等[20]通過抗沖擊實驗測試發(fā)現(xiàn)，緯編軸向織物增強頭盔相比纖維氈增強頭盔，可使頸部感應(yīng)沖擊力減小30%，且在穿刺實驗中未發(fā)生穿透現(xiàn)象。然而緯編軸向織物的織造設(shè)備復(fù)雜程度高，且多數(shù)是在現(xiàn)有的橫機上改造而成，技術(shù)難度大，編織效率低，無法批量生產(chǎn)，同時生產(chǎn)的頭盔殼體仍存在尺寸穩(wěn)定性差的問題[21]。

1.2.2.2橫編間隔織物 橫編間隔織物是在雙針床橫機上開發(fā)的一種三維針織物。橫編間隔織物不僅可通過改變間隔紗的集圈編織工藝來調(diào)整織物厚度，還可通過襯緯的方式將編織性能較差的高性能纖維以無屈曲狀態(tài)添加到織物結(jié)構(gòu)中，大大提高織物的面密度和力學(xué)性能。在橫機上利用持圈式收放針的方法可將織物編織成一體成形頭盔殼體預(yù)制件，如圖1所示?；诖朔椒?，趙彤[22]利用橫編間隔織物編織了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的半球形曲面殼體織物，探究了間隔紗隔針數(shù)和收放針針數(shù)對半球形殼體織物的弧長、角度和體積的影響。

圖1 橫編間隔織物增強復(fù)合材料頭盔殼體示意圖Fig.1 Schematic diagram of helmet shell made of flat-knitted spacer fabric reinforced composite

利用橫編先進的成形技術(shù)生產(chǎn)橫編間隔織物一體成形頭盔殼體預(yù)制件，無需裁剪、鋪層以及沖壓等工序，可直接進行樹脂成型工藝，減少了高性能纖維的浪費，提高了產(chǎn)品加工效率。更為重要的是，極大地降低了復(fù)合材料頭盔殼體內(nèi)部紗線的殘余應(yīng)力，提高了頭盔殼體的尺寸穩(wěn)定性。

綜上可見，三維織物在頭盔殼體預(yù)制件的成型性及其產(chǎn)品的抗沖擊性能方面均表現(xiàn)突出，但三維機織物和多軸向針織物仍未解決頭盔殼體尺寸穩(wěn)定性差的問題，而橫編間隔織物依托橫編先進的成形技術(shù)有望徹底解決紡織復(fù)合材料頭盔殼體尺寸穩(wěn)定性差的問題，因此，基于橫編成形技術(shù)開發(fā)一體成形頭盔殼體預(yù)制件以及進一步提高橫編間隔織物力學(xué)性能是今后研究的重點。

2 頭盔殼體成型工藝

2.1 模壓法

模壓法是將預(yù)先鋪覆好的頭盔殼體預(yù)制件和樹脂基體放入金屬對模中，在一定溫度、壓力作用下固化成型的一種成型工藝。該方法中的壓力調(diào)節(jié)范圍是目前頭盔殼體成型工藝中最大的。模壓法中的成型壓力、溫度和時間對頭盔殼體的外觀質(zhì)量影響顯著。在此方面，文獻[23-24]指出，成型壓力和溫度主要影響樹脂流動性和織物層間摩擦力，成型時間則主要影響織物層間滑移作用。適宜的成型壓力和溫度可增加樹脂流動性，減小織物層間摩擦力，從而可減少預(yù)制件的褶皺，并提高樹脂對纖維的浸潤性。而合適的成型時間可在既不影響生產(chǎn)效率的同時，使織物層間滑移充分，避免預(yù)制件出現(xiàn)褶皺現(xiàn)象。實際生產(chǎn)中，具體工藝參數(shù)需要針對不同的預(yù)制件結(jié)構(gòu)、樹脂類型以及頭盔殼體形狀等進行反復(fù)實驗確定，這也是各頭盔生產(chǎn)商的核心保密工藝。

模壓法產(chǎn)品尺寸精度高，殼體厚度均勻，厚度公差可控制在±3%～±5%之間。同時由于較高的成型壓力，所生產(chǎn)的頭盔殼體纖維體積含量高，剛性大，具有突出的抗沖擊性能[25-26]。模壓法是國內(nèi)外生產(chǎn)半盔型殼體最主要的方法，但當(dāng)前預(yù)制件仍需人工鋪層制備，因此，大大限制了模壓法的生產(chǎn)效率。

2.2 氣囊加壓法

氣囊加壓法是利用通入壓縮空氣的橡膠氣囊對模具內(nèi)腔中的預(yù)制件實現(xiàn)加壓固化成型的一種軟模成型工藝，其成型壓力范圍為0.25～0.5 MPa，可在加熱條件下對頭盔殼體進行固化成型[27]。為對比該方法與真空袋壓法生產(chǎn)的頭盔殼體的質(zhì)量，洪旭輝等[28]利用2種方法制備了具有相同層數(shù)預(yù)制件的復(fù)合材料頭盔殼體。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，氣囊加壓法制備的頭盔殼體纖維體積含量更高，質(zhì)量和厚度更小，表面孔隙率較低，平滑度好。此外，氣囊加壓法是國際上目前用于加工全盔型殼體的唯一方法，圖2示出氣囊加壓法制備的全盔型殼體。該方法的設(shè)備成本低，操作簡單，但人工用量大，且主要用于預(yù)制件的鋪層過程。

圖2 氣囊加壓法制備的頭盔殼體Fig.2 Helmet shell made by airbag pressurization method

2.3 真空袋壓法

真空袋壓法是利用抽真空產(chǎn)生的大氣壓對預(yù)制件和樹脂基體施加壓力輔助其固化成型的方法，壓力最大為0.1 MPa。該方法成本較低，工藝簡單，無需復(fù)雜設(shè)備，可在常溫或加熱環(huán)境下對產(chǎn)品進行固化成型[29]，半盔和全盔殼體皆可生產(chǎn)，但其操作過程繁瑣，生產(chǎn)效率低，不適用于企業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)，而多用于研究人員開發(fā)新型頭盔殼體產(chǎn)品。文獻[30-31]均使用此方法開發(fā)了芳綸纖維角聯(lián)鎖織物增強復(fù)合材料頭盔殼體。與其他2種成型工藝相比，真空袋壓法的成型壓力較小，因此，生產(chǎn)的頭盔殼體樹脂含量大，抗沖擊性能一般。

如上所述，模壓法和氣囊加壓法是目前國內(nèi)外頭盔生產(chǎn)企業(yè)中廣泛采用的成型工藝，但二者均受限于預(yù)制件的手工鋪層制備，存在人工用量大、生產(chǎn)效率低的問題。此外，目前關(guān)于成型工藝參數(shù)對頭盔殼體抗低速沖擊性能的影響鮮有研究，因此，開展此方面的研究對提升產(chǎn)品的抗低速沖擊性能具有重要價值。

3 頭盔殼體抗沖擊性能

3.1 頭盔殼體抗沖擊性能指標

在各國現(xiàn)行的摩托車頭盔標準中，均將頭部的線性加速度峰值(PLA)作為頭盔抗沖擊性能的重要指標，其中PLA值越低表示頭盔的抗沖擊性能越好。GB 811—2010《摩托車乘員頭盔》中規(guī)定了PLA值需低于300g(g=9.81 m/s2)，且超過150g的作用時間應(yīng)小于4 ms。在國際上的一些現(xiàn)行摩托車頭盔標準中，還采用了應(yīng)用于汽車工業(yè)的頭部損傷標準(HIC)作為評價頭盔抗沖擊性能的重要指標。例如，聯(lián)合國標準ECE 22.05—2002《關(guān)于核準摩托車和輕便摩托車駕駛員和乘客防護頭盔及其護目鏡的統(tǒng)一規(guī)定》中規(guī)定PLA值需低于275g，且 HIC值需低于2 400。

摩托車頭盔標準測試中，均是對完整的頭盔結(jié)構(gòu)(包括頭盔殼體、緩沖層、佩戴裝置等)進行抗沖擊性能測試，因此，其抗沖擊性能指標反映的是整個頭盔結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能。而在多數(shù)研究文獻中，由于制備完整的頭盔結(jié)構(gòu)過程較為復(fù)雜，往往是對單獨的頭盔殼體結(jié)構(gòu)進行抗沖擊性能測試，常用的抗沖擊性能指標主要包括沖擊力、能量吸收值、凹坑深度、損傷面積和沖擊力衰減系數(shù)等。

頭盔殼體的低速沖擊過程中，沖擊器的動能一部分轉(zhuǎn)換為頭盔殼體所吸收的能量，另一部分則轉(zhuǎn)移為頭盔殼體的應(yīng)變能，之后頭盔殼體的應(yīng)變能再全部轉(zhuǎn)移成沖擊器的動能，導(dǎo)致沖擊器回彈，因此，在落錘沖擊實驗測試過程中，可通過初始沖擊能量和最終能量值獲取頭盔殼體的能量吸收值[32]。凹坑深度是指頭盔殼體在沖擊載荷作用下在厚度方向發(fā)生的形變量，可通過數(shù)字千分表或高精度激光位移傳感器等方式進行測量[33-34]。損傷面積往往通過超聲C掃描設(shè)備獲取[35]。沖擊力衰減系數(shù)公式[36]為

式中：f為沖擊力衰減系數(shù)，%；Ft為頭盔殼體下人頭模型內(nèi)部傳感器所收集的沖擊力，N；F為沒有頭盔殼體情況下沖擊器直接作用在人頭模型上的沖擊力，N。

3.2 頭盔殼體抗沖擊性能分析

紡織復(fù)合材料頭盔殼體抗沖擊性能的實驗研究文獻主要分為2類：一類是直接對紡織復(fù)合材料頭盔殼體進行抗沖擊性能測試；另一類是對頭盔殼體用紡織復(fù)合材料板材進行抗沖擊性能測試。

直接對紡織復(fù)合材料頭盔殼體進行抗沖擊性能測試研究的文獻較少：一方面是由于紡織復(fù)合材料頭盔殼體制作過程復(fù)雜，從預(yù)制件的裁剪、鋪層工藝到成型工藝的選擇對技術(shù)人員的操作水平要求較高；另一方面是因為頭盔殼體為球面結(jié)構(gòu)且空間尺寸較大，沖擊測試較為困難。現(xiàn)有的文獻中對頭盔殼體進行抗沖擊性能測試的實驗裝置包括落錘沖擊實驗機和頭盔碰撞實驗臺，其中頭盔碰撞實驗臺為國際頭盔標準測試中通用的實驗裝置，該裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 頭盔碰撞實驗臺結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of helmet impact test bench

Bernd等[37]在參考澳大利亞標準AS/NZS 2512.3.1—2007《防護頭盔的試驗方法》的基礎(chǔ)上，利用此裝置對不同厚度殼體的碳纖維復(fù)合材料頭盔進行了抗沖擊性能測試。對同一頭盔的前面、后面、側(cè)邊和頂部4個部位進行跌落實驗測試，通過對比PLA值發(fā)現(xiàn)，頭盔殼體厚度的增加可提高頭盔的能量吸收性能，且頭盔的前面和頂部的能量吸收性能突出。之后采用高斯曲率和平均曲率的方法測量計算沖擊部位的曲率半徑發(fā)現(xiàn)，頭盔前面和頂部的曲率半徑較小，而后面和側(cè)邊的曲率半徑較大，并依此推斷頭盔殼體的曲率半徑越小，能量吸收性能越好。利用落錘沖擊試驗機對頭盔殼體進行抗沖擊性能測試時，需要單獨開發(fā)頭盔殼體的沖擊夾持裝置。如Zahid等[38]利用真空袋壓法制備了以單層芳綸三維機織角聯(lián)鎖織物為預(yù)制件的復(fù)合材料頭盔殼體，為更加直觀地獲得頭盔殼體的抗沖擊性能，在落錘沖擊實驗機的基礎(chǔ)上自行設(shè)計制造了頭盔殼體夾持裝置。測試時頭盔殼體固定于下面的頭部模型上，頭部模型內(nèi)安裝力傳感器，用于收集透過頭盔殼體后的沖擊力，通過計算可直接獲取頭盔殼體在低速沖擊過程中的沖擊力衰減系數(shù)。利用此裝置對制備的復(fù)合材料頭盔殼體的頂部、側(cè)邊和后面3個位置進行抗沖擊性能測試，通過對比不同部位的沖擊力衰減系數(shù)發(fā)現(xiàn)，頭盔殼體頂部的抗沖擊性能效果最佳，該結(jié)果除與頭盔殼體曲率半徑有關(guān)之外，還與沖擊能量傳播范圍有關(guān)，頭盔殼體頂部距離頭盔外殼邊緣較遠，沖擊能量有更大的傳播范圍。Tinard等[39]對制備的玻璃纖維層合板結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料頭盔殼體進行了2種速度的沖擊性能測試，通過對比2種不同速度的力-中心位移曲線發(fā)現(xiàn)，沖擊速度增加，最大中心位移和殘余中心位移均有明顯增加。

針對頭盔殼體用紡織復(fù)合材料板材進行抗沖擊性能測試的研究文獻較多，且研究較為深入，為紡織復(fù)合材料頭盔殼體的抗沖擊性能研究提供了重要理論指導(dǎo)依據(jù)。此方面的抗沖擊性能測試裝置主要為落錘沖擊實驗機。為探究二維機織物的鋪層角度對復(fù)合材料層合板抗沖擊性能的影響，Zhuang等[40]以碳纖維平紋織物為預(yù)制件，利用模壓法制備了6種不同鋪設(shè)角度的復(fù)合材料板材，并對其進行不同沖擊速度的落錘沖擊實驗測試，通過分析沖擊過程中的沖擊力、沖擊能量和中心位移等測試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，鋪層角度對復(fù)合材料層合板在低速沖擊載荷下的沖擊性能具有至關(guān)重要的影響，其中鋪層角度為45°的層合板在能量吸收、沖擊變形和沖擊力上相比其他鋪設(shè)角度都更好。同時，通過超聲C掃描數(shù)字成像技術(shù)和無損探傷實驗對比觀察了不同鋪層角度層合板沖擊后的損傷行為發(fā)現(xiàn)，鋪層角度為45°的層合板具有最長的斷裂裂紋和最大的損傷面積。

在三維機織復(fù)合材料抗沖擊性能研究方面，王心淼等[41]探討了±45°斜向紗的引入對多軸向三維機織復(fù)合材料的低速沖擊力學(xué)性能和沖擊損傷破壞的影響，利用落錘沖擊裝置對多軸向三維機織復(fù)合材料和三維正交機織復(fù)合材料進行了低速沖擊實驗測試，對比2種復(fù)合材料單位厚度的沖擊力與能量后得出，引入±45°斜向紗的多軸向三維機織復(fù)合材料抗沖擊性能更佳，其主要原因為斜向紗的引入使得三維機織復(fù)合材料面內(nèi)紗線排列的方向增多，復(fù)合材料在沖擊過程中沖擊能量分散在各方向的纖維上，材料內(nèi)部沖擊損傷傳播路徑增多，傳播范圍更大，沖擊損傷的擴展相對均衡，進而使得材料可承受更高的低速沖擊載荷能力，并具有更好的吸能性能。

為探究重復(fù)的低速沖擊對復(fù)合材料板材抗沖擊性能的影響，Liao等[42]研究了雙沖擊位置對碳纖維復(fù)合材料層合板低速沖擊行為和損傷干擾機制。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)2次沖擊為同一位置時，低能量沖擊下的第2次能量消耗小于第1次，但高能量沖擊下第2次能量消耗大于第1次，其主要原因是第2次低能量沖擊的能量消耗模式主要為分層損傷，而第2次的高能量沖擊造成了層合板內(nèi)部的纖維斷裂，隨著2次沖擊位置距離的逐漸增大且仍存在相互干擾時，由第1次沖擊所造成的分層損傷有利于第2次沖擊過程中的能量傳播，使得第2次沖擊過程中的分層起始沖擊力明顯小于第1次。同時，對比實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，低速沖擊條件下的最大中心位移相比剩余中心位移和峰值沖擊力更適用于損傷干擾的表征。為填補多軸向經(jīng)編曲面復(fù)合材料板材抗沖擊性能研究領(lǐng)域的空白，高哲[43]通過實驗分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，首次對具有不同曲率的經(jīng)編多軸向曲面復(fù)合材料板材的低速沖擊性能和損傷機制進行研究發(fā)現(xiàn)，曲率和厚度較大的板材在沖擊核心部位出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，并通過基體開裂、纖維抽拔、層間剪切、層間分層以及紗層脫粘等多種破壞形式來傳遞沖擊應(yīng)力并吸收能量，其中主要通過層間的損傷破壞而非大變形來達到更強的能量吸收能力。

3.3 頭盔殼體抗沖擊性能數(shù)值模擬研究

為更好地研究復(fù)合材料頭盔殼體在碰撞過程中的損傷行為，研究者開發(fā)了多種頭盔有限元模型。最早的紡織復(fù)合材料頭盔有限元模型出現(xiàn)在1997年， 是由Brands等[44]為研究頭盔殼體在碰撞過程中的動態(tài)損傷行為基于彈性定律建立的。該模型通過聯(lián)合國標準ECE 22.04—1994《關(guān)于批準摩托車和輕便摩托車駕駛員和乘客的防護頭盔及其護目鏡的統(tǒng)一規(guī)定》測試方法進行了有效驗證，建模過程中為簡化復(fù)合材料頭盔殼體的模型，未考慮沖擊過程中的殼體分層損傷形式。在隨后的研究中，更多的研究者開始注重頭盔殼體特征參數(shù)對抗沖擊性能的影響。Kostopoulos等[45]利用LS-DYNA3D流體結(jié)構(gòu)力學(xué)有限元程序?qū)ΣＡЮw維、碳纖維和芳綸二維機織物增強復(fù)合材料頭盔殼體的撞擊過程進行了數(shù)值模擬研究。計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與碳纖維相比，芳綸機織物增強復(fù)合材料頭盔殼體抗沖擊性能最佳，這與芳綸較低的剪切強度和剛度有關(guān)。此模型基于復(fù)合材料的實際損傷機制，考慮了復(fù)合材料斷裂損傷過程中的剪切模量。然而該模型中的頭盔殼體結(jié)構(gòu)仍為復(fù)合材料層合板的簡化模型，其力學(xué)性能參數(shù)均來自文獻數(shù)據(jù)，并不是通過實驗測試獲得的。Roedel等[46]利用有限元方法研究了多片式織物增強和單件整體織物增強復(fù)合材料制成的頭盔殼體的抗沖擊性能，并模擬了球、酒瓶以及木棒在相同撞擊能量情況下，紡織復(fù)合頭盔殼體的形變量以及能量吸收情況，實驗結(jié)果表明單件整體織物增強的復(fù)合材料頭盔殼體的抗沖擊性能明顯優(yōu)于多片織物增強的復(fù)合材料頭盔殼體。Tinard等[47]為彌補Kostopoulos模型的不足，通過測試獲取玻璃纖維增強復(fù)合材料層合板的彈性模量和斷裂特征后，利用LS-DYNA軟件建立了一種新的頭盔有限元模型，并模擬了頭盔在路緣石和平面板上的抗沖擊性能。該模型利用Tsai-Wu失效準則對頭盔外殼的能量吸收性能進行模擬，并參考聯(lián)合國標準ECE 22.05—2002計算了頭盔4個不同部位在路緣石和平板砧2種撞擊情況下的HIC值，其中除側(cè)面碰撞外，其他3個部位的HIC值結(jié)果具有較好的一致性，從而驗證了該頭盔有限元模型的有效性。然而該模型并未考慮復(fù)合材料頭盔殼體碰撞過程中分層破壞的吸能模式。Zahid等[48]利用ABAQUS軟件對三維機織角聯(lián)鎖織物增強芳綸復(fù)合材料頭盔殼體的抗沖擊性能進行了數(shù)值模擬研究，采用不同的沖擊能量對頭盔殼體的頂部、后部和側(cè)邊3個位置進行撞擊模擬，模擬結(jié)果與文獻[38]中的實驗研究結(jié)果基本一致，共同驗證了復(fù)合材料頭盔殼體頂部具有更好的能量吸收性能。趙蘭迎等[49]利用逆向工程開發(fā)手段，通過CT掃描、逆向反演建模獲得了頭盔的高精度有限元模型，并模擬了高空墜物、磕碰等情況，模擬結(jié)果顯示頭盔結(jié)構(gòu)可吸收70%的外來沖擊載荷，通過對頭盔殼體的不同部位設(shè)計仿真沖擊測試發(fā)現(xiàn)，頭盔頂部的抗沖擊性能最好，而后部位置的抗沖擊性能有待加強。

目前，對于紡織復(fù)合材料頭盔殼體抗低速沖擊性能的實驗研究仍有不足，現(xiàn)實事故中存在不同角度的碰撞行為，而現(xiàn)有的標準以及測試手段中，均未涉及頭盔殼體不同角度的碰撞。此外數(shù)值模擬研究方面不僅要關(guān)注頭盔殼體的建模，還需基于人體頭部生理結(jié)構(gòu)建立柔性頭部模型，從而更加全面地分析紡織復(fù)合材料頭盔的安全防護性能。

4 結(jié)束語

隨著國家公共安全行業(yè)標準及道路交通安全法律的逐步完善和人們安全意識的逐漸增強，大眾對頭盔需求量逐漸增加的同時對其安全性能要求也越來越高，力學(xué)性能優(yōu)異的紡織復(fù)合材料頭盔具有廣闊的市場前景。然而，目前紡織復(fù)合材料頭盔殼體使用的預(yù)制件仍需裁剪、鋪層或其他外力輔助制備，不僅限制了頭盔殼體的生產(chǎn)效率，更重要的是所生產(chǎn)的頭盔殼體存在尺寸穩(wěn)定性差的問題。此外，受成型工藝和測試設(shè)備的限制，當(dāng)前對紡織復(fù)合材料頭盔殼體的抗低速沖擊性能及其損傷機制缺少實驗和理論研究。

通過回顧總結(jié)前人的研究工作認為，紡織復(fù)合材料頭盔殼體未來的研究方向包括以下幾個方面：1)基于先進的橫編成形技術(shù)，利用橫編間隔織物開發(fā)具有增強紗結(jié)構(gòu)的一體成形頭盔殼體預(yù)制件，減小或消除頭盔殼體生產(chǎn)過程中存在的殘余應(yīng)力，解決頭盔殼體尺寸穩(wěn)定性差的問題，并提高生產(chǎn)效率；2)針對不同預(yù)制件結(jié)構(gòu)，探究成型工藝及其參數(shù)對紡織復(fù)合材料頭盔殼體抗低速沖擊性能的影響，實現(xiàn)對頭盔殼體生產(chǎn)的科學(xué)精準控制；3)基于紡織復(fù)合材料頭盔抗低速沖擊性能的標準測試，深入研究頭盔殼體的抗低速沖擊損傷機制，為頭盔殼體的數(shù)值模擬研究提高更加準確的參數(shù)和模型。