专利名称：身体保护装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种身体保护装置。特别地，但非排他性地，本发明涉及一种能量吸收材料和形成这些材料的方法，这些材料用于具有相对较大的曲率的装置，如安全帽、护肘、护膝、护肩或者其类似物。
背景技术：
许多身体保护装置具有较大的曲率κ，该曲率被定义为所述装置的弯曲半径(ρ)的倒数。诸如安全帽那样的装置可能需要永久性的弯曲形状。其他的装置如肘、膝和肩的护垫，可需要足够的柔韧性以便于自如地变化成合适的弯曲形状，以适应身体运动。必须使用适合的材料和成型方法用于这样的装置。
安全帽通常包括一个基本上呈球形的硬质塑料材质的外层和诸如硬质泡沫之类的弹性材料制成的内层。刚性的外层更均匀地将冲击负荷传递给内层，内层吸收冲击负荷给予的能量。头盔在阴模中成型，或者围绕阳模成型。所述材料必须承受明显的弯曲以形成球形的外形。而且，外层和内层也必须分别地放入模具。否则，在弯曲过程中，两种材料之间的粘接会阻碍外层(外层受拉)相对于内层(内层受压)的必要的滑移，否则在外表面和内表面将会产生较大的平面应力。
降低头盔的总物料量会是令人期望的。同样，头盔的成型方法通常包括手糊，该方法趋于复杂而昂贵。较好的方法是能够将内层和外层作为一个整体材料插入模具中。
在相当长的一段时间内，人们采用具有不同横截面形状的轴向负荷柱用于改善汽车、路边设备或者其类似物的结构的防撞性能。这些已知系统中的柱状物通常互不相连，并且独立起作用。无论这些柱状物由何种材料成型而得，都需要去避免全局性的屈曲破环模式(或者导致整个柱的破坏的局部破坏)，因为该方法不能有效地吸收冲击能量。
值得高兴的是，金属柱具有多种局部屈曲破坏模式和弯折破坏模式，弯折破坏模式能有效地吸收冲击能量。塑料柱和复合材料柱具有很多可有效吸收冲击能量的破坏模式，但是，所有模式通常都包括柱子一端的渐进破坏。
塑料柱和复合材料柱的性能和破坏模式依赖于许多不同参数之间的复杂的相互作用，所述参数包括所用的材料、几何尺寸(形状和厚度)、复合材料中纤维的排列、触发器的使用和加载条件。然而，仔细选择这些参数能够得到胜过金属等同物的安全设备。
不管所用的材料如何，通常发现平行于负荷方向设置的独立柱状物的阵列可提高能量吸收的性能，并且可改善安全装置的稳定性。当柱状物渐进地屈曲破坏时，柱状物趋向产生相对恒定水平的能量吸收。轴向负荷的锥形物被发现可产生能量吸收的更为线性化的增加速率，这在破坏情形中往往更受人欢迎。然而，由于柱状物是独立的，局部化的负荷会引起不希望的柱状物的全局性破坏，所述柱状物的轴向偏离所施加的负荷的轴向。同样，由于柱状物是独立的，柱状物被制成相对较厚以避免荷重过程中的不稳定性。
夹芯板由两个坚硬的外层组成，这两个外层被硬度较低的芯部材料隔开，夹芯板已应用于许多方面，如建筑构件以及用于公路机车和飞机的结构板。常见的芯部由蜂窝结构组成，该蜂窝结构为单元阵列，每个单元具有六边形横截面积。然而，所述单元或其它横截面形状的单元不能被认为是相连接的柱，因为其每一侧壁都是与相邻单元共享的。如果一个单元承受局部的破坏或不稳定，将影响其相邻的单元。
每个纵向构件的轴垂直于内层和外层的平面，每个纵向构件的每一端通常粘合到相应的表层。因此，蜂窝结构代表平行于负荷方向排布的单元阵列，所述负荷撞击所述外层之一的平面上。
WO 94/00031公开了一种安全帽，该安全帽包括一个蜂窝状夹芯结构。通常采用手糊的方法。EP 0881064公开了一种保护构件，该构件也具有蜂窝状夹芯结构，该文献叙述了所述构件可以合并到许多种保护性衣物中，所述保护性衣物包括头盔。
US 3877076公开了一种具有管状物的阵列结构的头盔。所述每个管状物与其它管状物相互隔开，并且相互独立。
US 4534068也公开了一种管状物的阵列，所述管状物相互隔开。其中描述了局部的断裂破坏(crippling failure)。
蜂窝结构适用于包括具有相对较小的弯曲度的结构或者平板的应用。然而，当所述材料用于具有较大弯曲度的物品时，就会出现问题。
每个蜂窝结构的六边形单元具有n·60°旋转对称角度，所述单元因此没有约90°的旋转对称角度。因此，所述单元不是正交各向异性的，即，与从第一角度施加的负荷相比，六边形单元对来自与第一角度成90°夹角的第二角度施加的负荷表现出不同的反应。当成型安全帽时，所述材料围绕模具绕两个正交轴弯曲以形成球形。因此，当试图得到所需要的大弯曲度时，六边形结构就会产生困难。
而且，六边形结构本身是互反曲的，因为绕一个轴的正曲率将导致绕正交轴的负曲率(马鞍的形状解释了这一现象)。这再次导致成型工艺的困难。
此外，使用蜂窝结构用于诸如护垫之类的装置是有缺点的，这些装置必须弹性地变形到大曲率。这些缺点包括这些结构的相对较硬的特性。六边形构件可以被认为是六块平板，每块平板刚性地固定在每个纵向边上。从理论上和经验上可以知道，这些构件以及由这些构件制成的结构相对不易弯曲。由这种材料制成的护垫会趋于感觉僵硬且不太舒服。令人期望的是在不牺牲所述装置的能量吸收能力的情况下，改善其舒适性。
发明内容
根据本发明第一个方面，提供了一种供使用者穿戴的身体保护装置，所述装置包括能量吸收单元的阵列，其中每个单元包括一个管状物，基本上每个管状物具有与至少一个其它管状物的侧壁相靠近或者相毗邻的侧壁，并且，其中基本上每个管状物是这样设置的当平行于所述管状物的轴向施加负荷时，所述管状物的取向基本上保持不变。
术语“管状物”用于表示具有规则或不规则的几何形状的中空结构。所述管状物优选具有柱形或锥形结构，所述管状物最为优选具有圆柱形或圆锥形结构。所述圆形管状物的阵列导致材料基本上各向同性，并且基本上为非互反曲。
优选地，所述身体保护装置包括安全帽，可选地，所述身体保护装置包括安全护垫。
优选地，基本上每个管状物具有与至少一个其它管状物的侧壁相毗邻的侧壁。优选地，基本上每个管状物具有与至少一个其它管状物的侧壁相连接的侧壁。
优选地，基本上每个管状物具有通过粘结剂与至少一个其它管状物的侧壁相连接的侧壁。优选地，基本上每个管状物具有基本上沿所述管状物的长度方向与至少一个其它管状物的侧壁相连接的侧壁。
可选地，基本上每个管状物具有与至少一个其它管状物的侧壁相焊接或者相熔合的侧壁。
一个或一个以上的管状物可以由包括第一材料的内芯和包括第二材料的外芯组成。优选地，第一材料和第二材料都是聚合物，优选地，第二材料具有比第一材料更低的熔化温度。优选地，第一材料是聚醚酰亚胺。优选地，第二材料包括聚醚酰亚胺和PET(polyethyleneterephthlate)的混合物。
优选地，基本上每个管状物靠近或毗邻至少三个其它管状物。优选地，基本上每个管状物靠近或毗邻六个其它的管状物。
优选地，每个管状物的直径在2mm到8mm之间。优选地，每个管状物的直径为大约6mm。
优选地，每个管状物的侧壁的厚度少于0.5mm。优选地，每个管状物的侧壁的厚度在0.1mm至0.3mm之间。
优选地，每个管状物的长度小于50mm。优选地，每个管状物的长度在30mm至40mm之间。
优选地，所述能量吸收单元的阵列作为一个整体材料被提供，优选地，所述整体材料具有大曲率或者能够变形至大曲率。
优选地，所述整体材料包括聚碳酸酯、聚丙烯、聚醚酰亚胺、聚醚砜或聚苯砜。优选地，所述材料包括Tubus HeneycombsTM。
根据本发明的第二个方面，提供一种用于供使用者穿戴的身体保护装置的衬垫，所述衬垫包括具有能量吸收单元的阵列的第一材料，其中，每个单元包括一个管状物，并且，其中基本上每个管状物具有与至少一个其它管状物的侧壁相靠近或者相毗邻的侧壁，并且，其中基本上每个管状物是这样设置的当平行于所述管状物的轴向施加负荷时，所述管状物的取向基本上保持不变。
优选地，所述身体保护装置包括安全帽。可选地，所述身体保护装置包括安全护垫。
根据本发明的第三个方面，提供了一种身体保护装置，该装置包括用粘合剂粘合到第二材料上的第一材料，其中粘合剂具有比第一材料和第二材料更低的熔化温度。
优选地，所述身体保护装置包括安全帽。可选地，所述身体保护装置包括安全护垫。
优选地，在粘合剂的熔化温度，第一材料和第二材料处于软化状态。这样能使安全帽在粘合剂的熔化温度下进行热成型，因为熔化的粘结剂可允许第一材料和第二材料之间的相对移动。
优选地，所述第一材料是聚碳酸酯、聚丙烯、聚醚酰亚胺、聚醚砜或聚苯砜材料中的一种。
优选地，第二材料是塑料材料，例如聚醚酰亚胺。优选地，第二材料是纤维增强塑料材料。优选地，所述纤维由玻璃或碳制成。
优选地，所述粘合剂是热塑性的。优选地，所述粘合剂是聚酯基材料。
优选地，所述粘合剂的熔化温度低于180℃。优选地，粘合剂的熔化温度在120℃至140℃之间。
优选地，在身体保护装置的成型过程中，身体保护装置被加热到155℃至160℃之间。
优选地，所述的身体保护装置进一步包括第三材料，且第一材料介于第二材料和第三材料之间，优选地，采用粘合剂将第一材料粘合到第三材料上。
优选地，第一材料具有能量吸收单元的阵列，每个单元包括一个管状物。
根据本发明的第四个方面，提供了一种制备身体保护装置的方法，该方法包括使用粘合剂将第一材料与第二材料粘合，其中粘合剂的熔化温度低于第一材料和第二材料的熔化温度。
优选地，所述身体保护装置包括安全帽。可选地，所述身体保护装置包括安全护垫。
优选地，所述方法包括选择第一材料和第二材料，所述第二材料在第一材料的熔化温度下处于软化状态。
优选地，所述方法包括在身体保护装置的制造过程中，其被加热到155℃至160℃之间。
优选地，所述方法包括使用粘合剂将第一材料与第三材料粘合。
优选地，第一材料具有能量吸收单元的阵列，每个单元包括一个管状物。
本发明仅以实施例的方式结合附图对本发明的具体实施方式
进行描述。其中图1是根据本发明的安全帽的透视图；图2是用于制成如图1所示的安全帽的夹芯板的侧视图；图3是图2中的夹芯板处于弯曲状态的侧视图；图4是用于夹芯板芯部的已知的单元排布的平面图；图5是用于图2夹芯板的管状单元阵列的平面图；图6是处于弯曲状态的图5的管状阵列的截面侧视图；图7a、7b和7c是图6中的管状阵列的各个位置的放大平面图，分别表示受压状态、正常状态和受拉状态；图8是用于图2所示的夹芯板的加热处理的侧视图；图9是与图2所示的夹芯板一起使用的模具的横截面侧视图；图10是图2所示的夹芯板的模压后的状态。
具体实施例方式
参见图1至图3，其中显示了以安全帽10的形式出现的身体保护装置。安全帽10使用板12制成，其中板12包括第一材料或芯部20，所述第一材料或芯部20被夹在第二材料或外层30与第三材料或内层50之间。外层30和内层50通过粘结剂40粘合到所述的芯部上。
图3显示处于弯曲状态的夹芯板12。在这种状态下，从中性轴14的零压力状态(就板12的主平面而言)到外层30的外表面的最大拉应力状态和内层50的内表面的最大压应力状态，所述材料呈现线性变化。这些拉应力和压应力分别导致拉伸应变和压缩应变。因此，外层30与芯部20之间以及内层50与芯部20之间存在滑移，除非所述滑移被粘合剂40阻止。
已知的芯部结构是如图4所示的蜂窝状或六边形排布。每个六边形单元60具有60°的旋转对称角62、120°的旋转对称角64等，或者换句话说具有旋转对称角n·60°，其中n为整数。因此，所述单元不具有90°的旋转对称角度，因此整个材料不是正交各向异性的，而且，所述材料是互反曲的。
此外，由于每个蜂窝结构单元60的六个侧面与相邻的单元共享，该蜂窝结构单元60就不能被认为是相连接的柱。
图5显示了根据本发明的用于芯部材料20的单元阵列。每个单元包括管状物22。管状物22以一种紧密堆积阵列的方式进行排布，使得毗邻的管状物之间的间隙最小。每个管状物具有6mm的直径，厚度在0.1mm和0.3mm之间，长度大约35mm。这导致长度直径比(长度与直径之比)在100到350之间，外观比为20到60之间(直径与厚度之比)。可以看出，这些数值比现有技术中的排布大1或2个数量级。
这些几何数值的使用，特别是较小的厚度，导致期望的渐进式的屈曲破坏模式得以实现，即便是在管状物采用聚合物材料制成的情况下。由于管状物与毗邻的管状物相连接并且受其支撑，可避免导致全局性屈曲破坏模式的不稳定性。所述管状物与沿其四周排布的六个其它的管状物相连接，在垂直于所述管状物的轴向的任何方向上提供了这样的支撑。因此，在所施加的负荷导致渐进性的局部屈曲的过程中，每个管状物的取向(通常平行于所施加负荷的轴线方向)基本上保持不变。
管状物可以使用粘合剂粘合在一起。另一个合适的方法是由第一材料的内芯和第二材料的外芯构成管状物，这些芯部被共挤压。可选择比第一材料具有更低熔化温度的第二材料。通常，可采用具有15摄氏度到20摄氏度的温度差。在成型过程中，可将管状物加热到第一材料的熔化温度和第二材料的熔化温度之间，这将导致管状物的侧壁被焊接或熔合在一起。该方法可以使成型简单，而且在成型过程中具有更好的一致性。
可以理解，只要管状物紧密地靠近，使得它们在少量的变形后能够相接触，管状物并不需要互相连接或者甚至相毗邻来提供互相支撑。
根据经验可知，根据本发明的装置能够提供大于80％的能量吸收效率，该效率是对现有技术中的装置的显著改进。
由于每个管状物22具有无限的旋转对称角，全部管状物的阵列导致得到基本上具有各向同性和非互反曲的材料。然而，假定每个管状物具有与其它管状物侧壁相靠近的侧壁，管状物可以具有不同于圆形的横截面，并且仍然可提供较高的能量吸收。
图6表示处于弯曲状态的管状阵列。如前所述，在中性轴14处的平面应力和应变为零，因此，每个管状物22保持如图7a所示的圆形。在内表面24，管状物22沿弯曲方向受压，在图7b中以放大形式显示了在该位置的管状物的外形。在外表面26，管状物沿弯曲方向受拉伸，在图7c中显示了在该位置的管状物的外形。
应该注意到，尽管管状物22既受拉又受压，穿过所述材料20的厚度对管状物22的外形取平均值时，与在中性轴14处所发现的外形相同。同样，如果存在一个围绕正交轴的弯曲，就会在正交方向上产生压缩和拉伸，也就导致管状物22在沿厚度的任何一点上的外形与中性轴14处所发现的外形相同。虽然管状物22的直径在内表面24会被减小，在外表面26会被增大。管状物有效地变成锥形，该锥形甚至还可提高所述结构的能量吸收能力。
安全帽使用合适的热成型方法制备。如图8所示，采用加热器70将夹芯板12加热到155℃到160℃之间，该温度高于粘合剂40的熔化温度。
夹芯板12随后被转移到图9所示的模具中。模具的阳模部分72通常具有橡胶接触面，而阴模部分74通常由铝制成。所述模具处于室温，板12的转移必须迅速进行，优选为少于6秒，以使板22的冷却最小化。然后，阳模72迅速推向阴模74使得板12呈现模具的形状。
因为板12被加热到高于粘合剂的熔化温度，在外层30与芯部20之间以及在内层50与芯部20之间可发生滑移。将板12冷却到低于50℃以确保所述板呈现弯曲形状，并且使粘合剂再一次将表面层30、50粘合到芯部20上。此时，模具的两个部分可以分离，弯曲板12如图10所示。
在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种修改和改进。例如，管状物阵列可以是锥形，并且可以具有任意角度的锥角。
权利要求
1.一种供使用者穿戴的身体保护装置，包括能量吸收单元的阵列，其中，每个单元包括一个管状物；其中，基本上所述每个管状物具有与至少一个其它管状物的侧壁相靠近或者相毗邻的侧壁；其中，基本上所述每个管状物是这样设置的当平行于所述管状物的轴向施加负荷时，所述管状物的取向基本上保持不变。
2.根据权利要求1所述的身体保护装置，其中，所述管状物具有圆柱形或圆锥形结构。
3.根据权利要求1或2所述的身体保护装置，其中，所述的身体保护装置包括安全帽。
4.根据前述权利要求中的任意一项所述的身体保护装置，其中，基本上每个管状物具有与至少一个其它管状物的侧壁相毗邻的侧壁。
5.根据前述权利要求中的任意一项所述的身体保护装置，其中，基本上每个管状物具有与至少一个其它管状物的侧壁相连接的侧壁。
6.根据权利要求5所述的身体保护装置，其中，基本上每个管状物具有通过粘结剂与至少一个其它管状物的侧壁相连接的侧壁。
7.根据权利要求5或6所述的身体保护装置，其中，基本上每个管状物具有基本上沿长度方向与至少一个其它管状物的侧壁相连接的侧壁。
8.根据权利要求5所述的身体保护装置，其中，基本上每个管状物具有与至少一个其它管状物的侧壁相焊接或者相熔合的侧壁。
9.根据权利要求8所述的身体保护装置，其中，一个或一个以上的管状物由包括第一材料的内芯和包括第二材料的外芯组成。
10.根据权利要求9所述的身体保护装置，其中，第二材料具有比第一材料更低的熔化温度。
11.根据前述权利要求中的任意一项所述的身体保护装置，其中，基本上每个管状物靠近或毗邻至少三个其它管状物。
12.根据前述权利要求中的任意一项所述的身体保护装置，其中，基本上每个管状物靠近或毗邻六个其它的管状物。
13.根据前述权利要求中的任意一项所述的身体保护装置，其中，每个管状物的直径在2mm至8mm之间。
14.根据前述权利要求中的任意一项所述的身体保护装置，其中，每个管状物的直径为大约6mm。
15.根据前述权利要求中的任意一项所述的身体保护装置，其中，每个管状物的侧壁的厚度少于0.5mm。
16.根据前述权利要求中的任意一项所述的身体保护装置，其中，每个管状物的侧壁的厚度在0.1mm至0.3mm之间。
17.根据前述权利要求中的任意一项所述的身体保护装置，其中，每个管状物的长度小于50mm。
18.根据前述权利要求中的任意一项所述的身体保护装置，其中，每个管状物的长度在30mm至40mm之间。
19.根据前述权利要求中的任意一项所述的身体保护装置，其中，所述能量吸收单元的阵列作为一个整体材料被提供。
20.一种用于供使用者穿戴的身体保护装置的衬垫，所述衬垫包括具有能量吸收单元的阵列的第一材料，其中，每个单元包括一个管状物，基本上每个管状物具有与至少一个其它管状物的侧壁相靠近或者相毗邻的侧壁，基本上每个管状物是这样设置的当平行于管状物的轴向施加负荷时，所述管状物的取向基本上保持不变。
21.根据权利要求20所述的衬垫，其中，所述的身体保护装置包括安全帽。
22.根据本发明的第三个方面，提供了一种身体保护装置，该装置包括采用粘合剂粘合到第二材料上的第一材料，其中，粘合剂具有比第一材料和第二材料更低的熔化温度。
23.根据权利要求22所述的身体保护装置，其中，在粘合剂的熔化温度下，第一材料和第二材料处于软化状态。
24.根据权利要求22或23所述的身体保护装置，其中，第一材料是聚碳酸酯、聚丙烯、聚醚酰亚胺、聚醚砜或聚苯砜材料中的一种。
25.根据权利要求22至24中任意一项所述的身体保护装置，其中，第二材料是塑料材料。
26.根据权利要求25所述的身体保护装置，其中，第二材料是纤维增强塑料材料。
27.根据权利要求22至26中任意一项所述的身体保护装置，其中，粘合剂是热塑性的。
28.根据权利要求27所述的身体保护装置，其中，粘合剂是聚酯基材料。
29.根据权利要求22至28中任意一项所述的身体保护装置，其中，粘合剂的熔化温度低于180℃。
30.根据权利要求29所述的身体保护装置，其中，粘合剂的熔化温度在120至140℃之间。
31.根据权利要求30所述的身体保护装置，其中，在身体保护装置的成型过程中，身体保护装置被加热到155℃至160℃之间。
32.根据权利要求22至31中任意一项所述的身体保护装置，进一步包括第三材料，其中，第一材料介于第二材料和第三材料之间，并且，第一材料采用粘合剂粘合到第三材料上。
33.根据权利要求22至32中任意一项所述的身体保护装置，其中，第一材料具有能量吸收单元的阵列，每个单元包括一个管状物。
34.一种形成身体保护装置的方法，包括采用粘合剂将第一材料与第二材料粘合，其中，粘合剂的熔化温度低于第一材料和第二材料的熔化温度。
35.根据权利要求34所述的方法，包括选择第一和第二材料，所述第二材料在第一材料的熔化温度下处于软化状态。
36.根据权利要求34或35所述的方法，包括在身体保护装置的成型过程中，加热身体保护装置到155℃至160℃之间。
37.根据权利要求34至36中任意一项所述的方法，包括采用粘合剂将第一材料与第三材料粘合。
38.根据权利要求34至37中任意一项所述的方法，其中，第一材料具有能量吸收单元的阵列，每个单元包括一个管状物。
全文摘要
一种供使用者穿戴的身体保护装置，该装置包括能量吸收单元的阵列，其中，每个单元包括一个管状物，基本上每个管状物具有与至少一个其它管状物的侧壁相靠近或者相毗邻的侧壁，基本上每个管状物是这样设置的当平行于所述管状物的轴向施加负荷时，所述管状物的取向基本上保持不变。
文档编号A42B3/06GK1897836SQ200480038167
公开日2007年1月17日 申请日期2004年12月7日 优先权日2003年12月20日
发明者彼得萨伊奇 申请人:劳埃德(苏格兰)有限公司