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编辑|云莳一

前言

多年来，防护头盔制造商采用了不同的材料来生产便宜、坚固和有效的头盔 。这些材料包括钢、皮革、铝、塑料和贝克莱特，直到玻璃纤维头盔的生产被证明是一项有价值的技术。

具有经济重要性，其产品在安全工程应用中具有益处。玻璃纤维生产出具有上升、基本和经济效益的产品，广泛用于工业领域，无论是作为加固的一种类型，还是作为声学、电气和热隔离的织物或其他产品，或者最近用于快速隔热。原材料几乎无限供应，可以从通常易于获取的无机土著矿物中经济地获得。世界上大部分的玻璃纤维都用于强化塑料。不同类型的玻璃纤维以及它们的各种商业产品具有广泛的应用，玻璃纤维类型可以通过它们的化学成分、物理性质以及各种类型的ASTM标准进行区分。

在船舶、游艇和渡轮等船舶应用中，最常用的增强材料仍然是E玻璃纤维，它具有很好的最大拉伸强度，约为2200 MPa，以及约为2.5％的极限拉伸应变，同时具有出色的抗潮湿和化学侵蚀性能。由于其化学成分，E玻璃纤维具有优异的电气绝缘性能。 具有高强度玻璃的玻璃纤维通常在美国被称为S玻璃，在欧洲被称为R玻璃。 S玻璃中SiO2、Al2O3和MgO的含量比E玻璃高。当温度从70˚F（室温）升高到1000˚F（约540˚C）时，无论是E玻璃还是S玻璃，都会失去其拉伸强度的一半，尽管这两种纤维类型仍然具有良好的耐腐蚀性。

一、与金属相比

纤维增强聚合物复合材料可以提供更好的强度重量比，有时高达15%。更轻的重量导致燃油消耗和排放降低、增强气动效率、降低制造成本。航空业最早意识到这些优势，最初是军机制造商利用复合材料的特性来改善产品的速度和灵活性。在小型客机零部件、雷达罩和火箭发动机壳等部位，主要采用E玻璃纤维， 而S玻璃纤维则用于高载荷区域，因为它具有较高的比强度、疲劳和耐腐蚀性 。

纤维复合材料也存在一些缺点：一些相应的层板显示出较弱的界面粘附力，导致对于平面外拉载荷的抵抗力较弱；易受冲击损伤和可能出现未被察觉的内部损伤；吸湿和随之而来的降解；可能出现制造缺陷。

二、材料和方法

所制备的玻璃纤维复合材料包含环氧树脂基质和E型玻璃纤维增强材料，选择环氧树脂的原因是其具有高化学和溶剂抵抗性、高强度和良好的抗弯强度、低成本和低毒性、对各种基材的优异粘附性、低收缩率和有效的电绝缘性能。树脂的拉伸强度范围为90-120 MPa，模量范围为3100-3800 MPa。其玻璃转化温度范围为150℃-220℃，粘接强度约为2000 psi。

机械测试采用了万能试验机，孟山都硬度和剪切测试机以及伊佐德冲击测试机对试样进行测试。

三、研究方法

采用手工制层技术，根据ASTM标准，制备了三种不同组合的复合材料试件，其尺寸为200×30平方毫米，经常温固化处理后。

模具使用光滑表面的玻璃纤维和胶合板按照所需规格制备，在模具表面喷涂防粘剂，以防止聚合物基材附着在模具表面上。 在模具板的顶部和底部使用薄的塑料（Perspex）片以获得产品的好表面光洁度。 将增强材料制成碎片状，以适合模具，并将液态环氧树脂与固化剂按2:1的比例混合。将混合物在模具中涂抹，并重复此过程以制作每一层聚合物和增强材料。

在试验中，对样本进行了拉伸强度测试、冲击剪切测试、冲击测试、弯曲测试和硬度测试。拉伸性能是通过使用通用Instron机器获得的。冲击测试则研究了复合材料在动态负荷下吸收冲击和能量的能力。

在弯曲试验中，研究了不同纤维含量和取向下复合材料的弯曲刚度。随着纤维含量的增加，复合材料的弯曲刚度也相应增加，而在纤维含量较高时，纤维取向对复合材料的弯曲刚度的影响较小。

在冲击试验中，研究了不同纤维含量下复合材料的抗冲击性能。 由于树脂的脆性本质，复合材料的抗冲击性能较低。 但通过添加玻璃纤维来增强复合材料的性能，可以提高其抗冲击性能。

硬度测试能够研究复合材料的抗压痕、耐磨和抗刮擦性能以及玻璃纤维的刚度。冲击剪切试验可以通过施加应力于试件，来研究材料的滑移失效性能。弯曲试验通过使用通用试验机，按照ASTM标准D-790（65毫米×31.21毫米）的要求，在1000千牛的满载能力下，以5毫米/分钟的横向移动速度进行，暴露出所制备的复合材料试件的弯曲强度。复合材料的厚度为5.2毫米，得到复合材料的弯曲强度。

该机械测试揭示了材料的屈服强度、极限抗拉强度和断裂强度。 各变体玻璃纤维所承受的最大拉伸应力，对于9％的纤维增强，记录到40.5773 Mpa的拉伸强度，并随着纤维取向角度的增加（15°，45°和90°），分别增加到40.5981 Mpa，47.0023 Mpa和48.9894 Mpa。对于后续的纤维增强水平（13％和25％），观察到同样的趋势，即纤维取向角度的增加会提高复合材料的拉伸强度。

对于0°，15°和45°的相同纤维取向角度， 纤维增强量的增加可以增加拉伸强度，在90°的纤维取向方向上有一个例外，当纤维增强量为13％时强度增加到62.2472 Mpa， 而在25％的纤维增强量下记录到较低的强度。

与玻璃纤维复合材料的挠曲刚度有关的属性，随着纤维含量的增加，复合材料的挠曲强度也增加。纤维取向的影响在13%纤维含量的复合材料（C21-C24）中更加显著。 在更高的纤维含量下，纤维在复合材料中的取向对挠曲强度的影响较小。推荐在C24和C34之间选择合适的复合材料制造头盔。

展示了玻璃纤维增强聚合物复合材料的冲击韧性随着玻璃纤维含量的变化情况，复合材料的抗冲击性能随纤维增强含量的增加而提高， 由于树脂具有脆性，因此其抗冲击性能较低 。用玻璃纤维增强可以提高复合材料的抗冲击性能。

四、在制备防护头盔的复合材料

显示了基于制作头盔所需机械性能的复合材料排名，排名为1表示复合材料具有最适合的性能，而排名为12表示复合材料具有最不适合的性能。具有最高的冲击韧性、最高的断裂能量和最高的抗弯强度。它是制作头盔的最佳选择。

值得注意的因素是材料的耐用性 ，由于头盔经常暴露在恶劣的环境中，因此其耐用性至关重要。测试了玻璃纤维增强复合材料的耐久性。使用了紫外线老化实验来模拟头盔在日光下暴露的情况。使用25%重量纤维增强剂制成的C34复合材料比其他材料具有更高的耐久性。这也证实了C34是用于头盔制造的最佳选择。

五、与玻璃纤维含量相比，

随着纤维含量的增加，复合材料的拉伸强度、屈服强度、断裂强度、弯曲强度和冲击韧性均有所提高。特别是对于具有90度纤维取向的复合材料，增加纤维含量可以显著提高其弯曲强度和冲击韧性。通过对材料进行全面测试和分析，得出了最优的复合材料配方，其力学性能最适合用于头盔制造。

纤维定向对复合材料的机械性能影响更大，对于纤维含量较低的复合材料（C21 - C24），纤维定向对复合材料的机械性能影响非常明显。 对于纤维含量较高的复合材料（C31 - C34），纤维定向对机械性能的影响相对较小 。

不同玻璃纤维含量和方向对复合材料力学性能的影响，在不同的纤维含量和方向下，复合材料的力学性能有显著的变化。 随着纤维含量的增加，复合材料的力学性能得到了提高。 在相同的纤维含量下，改变纤维方向也会影响复合材料的力学性能。通过评估各种复合材料的力学性能，确定了最佳材料，即C34复合材料（25%重量纤维增强，90度纤维方向），该材料在制造头盔方面具有最优的力学性能，可用于制造头盔。

结论

玻璃纤维增强复合材料的结构完整性，以确定它是否适合用于当地生产头盔。了各种复合材料的机械特性，包括玻璃纤维在复合材料中的百分比和方向，并确保机械特性不会受到影响。样本被暴露在各种力学测试中，来研究它们的机械特性。纤维方向和纤维含量百分比对复合材料的强度和断裂能量都有显著影响。纤维方向对复合材料的强度影响更大（79.74%），而纤维含量百分比对复合材料的拉伸强度影响较小（20.26%）。纤维方向对复合材料的断裂能量影响较小（24.54%），而纤维含量百分比对复合材料的断裂能量影响较大（75.46%）， 增加纤维含量可以提高玻璃纤维增强复合材料的抗弯强度和冲击韧性。

参考文献

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