李强, 范浩南, 谭长生, 李峰, 秦文娜, 朱露, 张国君
针对碳纤维头盔和超高分子量聚乙烯(PE)头盔,采用坠落式冲击试验台和基于冲击加速度及头部损伤指数(HIC)评价方法,系统研究了材料种类、缓冲垫密度和服役环境温度对头盔吸收碰撞能量的影响。结果表明:随着缓冲垫密度的增加,两种头盔在低温(-20℃)条件下的冲击加速度幅值均表现出增加趋势,在常温(20℃)及高温(50℃)下,碳纤维和PE头盔壳体的冲击加速度幅值均表现出明显的降低趋势。升高温度有利于降低头盔的加速度幅值,对于80g/L和90g/L的缓冲垫,两种头盔的冲击加速度幅值随温度升高都表现出降低趋势。缓冲垫密度和温度显著影响头部损伤指数,随着温度从-20℃升高至50℃,PE头盔的头部损伤指数均表现出增加趋势,然而,碳纤维头盔在50℃表现出与常温和低温相反的趋势,即随着缓冲垫密度增加,其头部损伤指数逐渐降低,但PE头盔的头部损伤指数数值低于碳纤维头盔。两种材料在冲击载荷下的损伤形貌不同:PE头盔有明显的基体凹陷形变特征但均无裂纹形成,而碳纤维头盔均表现出明显的基体开裂及纤维断裂。碳纤维由于其高刚度,在冲击力大于破坏强度后容易产生裂纹,无法通过结构系统塑性形变吸收冲击能量,是导致其在不同缓冲垫密度和不同温度条件下,头部损伤指数以及加速度幅值均高于PE的主要原因。PE具有较高的缓冲作用和吸收冲击能量能力,因此,虽然均表现出较大基体凹陷,但均无裂纹形成,采用PE头盔,头部损伤指数和加速度幅值都低于同等条件下的碳纤维头盔。
