[0001] 本发明涉及可用于军事、执法和其它用途的防护头盔。更特别地，该头盔针对高能射弹，包括碎片、手枪子弹和步枪子弹提供防护。

[0002] 相关技术描述防护头盔是公知的。这种头盔已用于军事和非军事用途。后者的实例包括执法用途、运动用途和以安全为首要关注的其它类型的用途。用于军事和执法用途的防护头盔特别需要防弹。

[0003] 典型的头盔是构造成防低能射弹，如手枪子弹。目前最流行的军用头盔例如由芳族聚酰胺纤维形成，通常为与树脂材料，如酚醛树脂一起的几层芳族聚酰胺纤维形成。例如在US 4,199,388、US 4,778,638和US 4,908,877中公开了由芳族聚酰胺纤维形成的代表性头盔。但是，考虑到步枪子弹拥有的明显更高的能量，防步枪子弹要求对这样的头盔作出改进。防步枪子弹的头盔应相对佩戴舒适。想要防御的步枪子弹的实例包括NATO M80 ball、AK 47、AK 74、Russian LPS、European SS 109等。

[0004] 尽管目前使用的军用和警用防弹头盔适合于低速碎片和低能子弹，如手枪子弹，但它们没有提供对高能碎片和步枪子弹的提高的防护。前者的实例包括来自手榴弹的碎片和来自其它爆炸装置的炮弹碎片。例如在2007年2月15日提交的共同待审的美国专利申请序号No. 11/706,719中描述了设计成防炮弹碎片（而非步枪子弹）的头盔。

[0005] 在本领域中需要可以为军事人员和其它使用者提供有效的高能碎片和步枪子弹防护的头盔，由此显著提高他们面对危险和可能威胁生命的状况，如敌人炮火时的安全性。

[0006] 发明概述本发明与发现防高能碎片和步枪子弹的头盔有关。更特别地，已经发现，例如布置在头盔外壳的层中并任选与其它层，如织物层结合的陶瓷的使用有助于提供这种所需防护。有利地，可以以商业上合意的总厚度和重量制造具有所需防护程度的头盔。

[0007] 本发明的实施方案因此涉及有效抵抗或防止高能碎片和子弹穿透的头盔。代表性的头盔包括外壳，其从外到内包含（a）包含陶瓷的外层和（b）包含多个纤维层的内衬材料。根据更具体的实施方案，陶瓷和内衬材料分别以外壳重量的大约30%至大约85%和大约10%至大约50%的量存在。

[0008] 在另一些具体实施方案中，该陶瓷是整料或单连续件的形式，其依循外壳的曲线形状。在另一实施方案中，该陶瓷是依循外壳的曲线形状的多个陶瓷板的形式，例如这些板可以是非平面的并与特定区段或区域（头盔外壳表面在其上分隔）的形状匹配。在陶瓷板的情况下，这些可以相互机械接合或化学粘合（例如使用粘合剂如胶或胶合剂）。

[0009] 通常，内衬材料的纤维层在树脂基质中包含高韧度纤维。根据具体实施方案，可以在衬里材料中并入大约2至大约250个纤维层，通常大约5至大约150个纤维层。该纤维层的代表性的高韧度纤维包含聚烯烃纤维和芳族聚酰胺纤维。可以使用不同类型的纤维和织物的组合。任何类型的高韧度纤维可以在机织、针织或非织造织物形式的网络中。代表性的树脂基质包含热固性和热塑性树脂。热固性树脂包括环氧树脂、尿烷树脂（urethane resin）、聚酯树脂、乙烯基酯树脂和酚醛树脂。热塑性树脂包括异戊二烯-苯乙烯-异戊二烯嵌段共聚物和热塑性聚氨酯。也可以使用包含至少一种热固性树脂和至少一种热塑性树脂的杂化树脂。

[0010] 根据另一些具体实施方案，该头盔外壳可包含附加层，包括减震和/或防潮材料层，它们可置于外层之外，例如作为与包含陶瓷的外层相比更接近头盔外壳的外表面的外部层。这种附加材料层可以是例如闭孔泡沫，如乙烯腈（例如PVC腈）、聚乙烯或乙烯乙酸乙烯酯泡沫。可以分别在（i）减震材料层和包含陶瓷的外层和（ii）这种外层和内衬材料之间设置一个或多个粘合层，例如第一和第二粘合层。

[0011] 在另一些具体实施方案中，该外壳具有大约0.5 lb/ft2 (2.45 kg/m2)至大约102 2 2 2 2 2
lb/ft (48.9 kg/m)，通常大约3 lb/ft (14.7 kg/m)至大约8 lb/ft (39.2 kg/m)，
2 2 2 2
和通常大约3 lb/ft (14.7 kg/m)至大约5 lb/ft (24.5 kg/m)的面密度并抵抗能量为至少大约1600 J (1180 ft-lb)，例如大约1600 J (1180 ft-lb)至大约4000 J (2950 ft-lb)的步枪子弹。

[0012] 本发明的另一些实施方案涉及形成如上论述的头盔的外壳的方法。该方法包括在模具中（例如在模具的相对的配套阳模和阴模部分之间）供应包含陶瓷的外层和包含多个纤维层的内衬材料。通常，将外层置于配套模具中以使其比内衬材料更接近阴模部分的表面。这导致形成包含陶瓷的外层比内衬材料更接近头盔外壳的外表面的头盔外壳。另外，粘合层也可以在外层和内衬材料之间供应到模具中。该方法进一步包括向外层、内衬材料和粘合层（如果使用）供应热和压力以使陶瓷粘合到内衬材料并形成外壳。

[0013] 因此，可以通过将内衬材料的纤维层堆叠到包含陶瓷的外层（例如作为陶瓷整料）的内表面上并施加热和/或压力以固结或固化衬里材料和使其粘合到外层上来形成外壳。可以在配套模具模制或高压釜模制法中实现适用于固结或固化的条件。特定的高压釜固结或固化技术使用如下文更详细描述的任选与粘合剂和其它层一起的外层和内衬材料的叠层的真空袋成型。也可进行在炉中的真空袋成型（即不施加高于大气压的外部压力以用于固结或固化。可以在内衬材料和外层之间使用粘合层如胶合剂粘合这些部件来辅助任何类型的方法。在不存在压力、真空和/或加热的情况下使用粘合剂，如接触胶合剂在一些情况下也是足够的。

[0014] 在另一些实施方案中，使用模制技术的组合。例如，可以在配套模具中单独模制内衬材料，然后在施加或不施加热和/或压力的情况下使用粘合层（例如接触胶合剂）粘合到包含陶瓷的外层（例如成型陶瓷整料或单件形式）上。

[0015] 另一些实施方案涉及根据这些方法制成的模制头盔外壳。

[0016] 从下列详述中可看出本发明的这些和其它实施方案和方面和它们的相关优点。

[0017] 附图简述图1描绘根据本发明的一个示例性实施方案的头盔外壳的代表性的剖视图（cut-out view）。

[0018] 参考图1的头盔外壳的构件不一定按比例绘制并应被理解为给出本发明和/或所涉原理的图解。本发明的其它头盔具有部分由预期用途和它们的使用环境决定的构造。

[0019] 详述如上所述，本发明涉及包含陶瓷的防高能碎片和子弹的头盔，其可以用纤维增强的复合材料层衬里。本发明的代表性的头盔因此包含头盔外壳，其是指划定要保护的（和在使用过程中被使用者的头部占据的）内部空间的圆形头盔部分。该外壳包含外层——是指比内衬材料更接近头盔外壳外表面的层。相反，内衬材料比外层更接近内部——即头盔外壳的面向其内部空间的凹面。该外层包含陶瓷。因此，考虑到高能碎片或步枪子弹朝头盔的运行方向（例如来自敌方战斗人员），包含陶瓷的外层先受到冲击，接着是衬里材料。

[0020] 不受制于理论，但据信，本发明的头盔的效力来自外层中的陶瓷通过使来弹，如步枪子弹，钝化、震碎、变形、剥脱（stripping）和/或翻转（转向）或以其它方式使其破裂和失稳定来挫败其的能力。内衬材料随后充当损坏的陶瓷的载体（例如通过使其保持原位）以及继续阻挡射弹。这种材料可有利地用于捕获或收集来自射弹和破裂陶瓷的碎片，由此防止它们进一步穿透。

[0021] 该头盔外壳可包含其它层，例如减震、防潮和/或阻燃材料层可置于外层之外，或比外层更接近头盔外壳的外表面。提供良好的减震、防潮和/或阻燃性的合适的代表性材料包括闭孔泡沫，其可以是发泡乙烯腈（例如PVC腈）、发泡聚乙烯或发泡EVA。减震、防潮和/或阻燃材料层可以是该外壳的最外或外部层（即最先被子弹或其它射弹攻击的层）。可以在减震、防潮和/或阻燃材料层和外层之间设置一个或多个其它层。或者，可以在减震、防潮和/或阻燃材料层外设置其它层。这样的其它层可包括例如在正常使用或可能误用过程中防止陶瓷破裂的材料。

[0022] 可以在上述任何层之间包括粘合层以改进相邻层的相容性/粘合。例如，可以在包含陶瓷的外层和内衬材料之间包含粘合层。或者，单独地或与这种粘合层结合地，可以在上述减震和/或防潮材料层和包含陶瓷的外层之间设置另一粘合层。设想了在上述任何相邻的成对功能层之间使用粘合层，以及使用多个粘合层。合适的粘合剂包括包含环氧树脂、聚氨酯、有机硅、丙烯酸树脂或聚酰胺以及如厌氧菌和氰基丙烯酸盐之类的特种材料的液体、喷雾或膜粘合剂。这些粘合剂类型各自的单组分和双组分体系可购得。粘合剂可以在室温下或在受热时固化。

[0023] 根据一个实施方案，外层的陶瓷可以是具有与外壳的整体形状相同或大致相同的形状的整料或单件的形式。但是，由于在受到碎片或子弹撞击时陶瓷裂纹向远方扩展的趋势，陶瓷整料可能并非总是最佳的，尤其是对军事人员或有受到多重射击的危险的其它使用者而言。

[0024] 因此，根据另一些实施方案，可以使用一起依循头盔外壳的整体曲线形状的多个陶瓷板或砖（例如2个或更多，一般2至大约100个，通常大约5至大约50个）更好地限定或局限由单次或多次射击对陶瓷造成的破坏。因此，这些板或瓷砖可以在形状上匹配于或对应于整个头盔外壳的各种子区域，一些、所有或基本所有（例如一般至少大约50%，通常至少大约80%）的板或瓷砖具有非平面形状以使它们更好地依循外壳的曲率。

[0025] 一些或所有的这些板或瓷砖可以在物理上相互毗连，例如以使这些板在板边界之间的许多对接头（例如沿一条直线）处机械接合或使用粘合剂（例如液体粘合剂）接合。或者，这些板可以在它们的相邻边界处在一定的搭接下（例如以组装拼图块或使用搭接接头，如指形或燕尾接合的形式）机械接合或配接。对接头或其它类型的接头可以机械（例如用内增强剂，如金属榫）或化学（例如用粘合剂，如胶或胶合剂）增强或可以不增强。

[0026] 板或瓷砖在它们各自边界处的配接因此可以以与上文就陶瓷整料的使用论述的相同方式提供陶瓷围绕外壳的完全覆盖。根据另一些实施方案，可能只需要头盔外壳的部分覆盖，例如在围绕头盔冠的那些区域或头盔的更下方的通常垂直取向的外周表面（在佩戴时）中，这些区域最可能受到冲击。覆盖头盔外壳的仅特定部分根据一些实施方案可降低总头盔重量和/或成本而不显著影响用于大多数用途的所需性能。通常，陶瓷在至少大约50%，通常至少大约80%的头盔外壳表面上提供覆盖。

[0027] 如本文所述，陶瓷板或砖或陶瓷整料是指包含陶瓷的固体材料块或单一固体材料。陶瓷是指包括无机碳化物、氮化物、氧化物和硼化物的耐火材料，以氧化铝、碳化硼、碳化硅、氮化硅和二硼化钛为代表。其中，常常使用氧化铝、碳化硼和碳化硅。这些材料可以增强（例如用内部纤维）或未增强。能使子弹或其它射弹钝化、震碎、变形、剥脱和/或翻转（转向）或以其它方式破裂和/或失稳定的固体非纤维材料也被认为是用于本公开的陶瓷。这样的材料包括陶瓷填充树脂、金属丸粒填充树脂、玻璃珠填充树脂和类似的复合材料。陶瓷板或陶瓷整料可完全或基本完全包含陶瓷。但是，更通常，陶瓷板或陶瓷整料可包含至少大约50重量%，通常至少大约70重量%，通常至少大约85重量%的陶瓷。该板或整料因此可以与不是陶瓷的纤维或非纤维材料复合。例如在US 7,104,177中描述了示例性的富含陶瓷的复合材料。

[0028] 包含陶瓷的板或瓷砖可具有与整个头盔外壳的子区域的形状对应的平面或非平面（例如曲面）。通常，所有或一部分，例如至少50%，通常至少85%的陶瓷板或瓷砖具有依循或匹配头盔外壳的一个区块的非平面形状，特别是曲线形状。板或瓷砖的二维形状（即如果将非平面形状假想压平成平面而假定的大致形状）可以是矩形（例如正方形）、圆形或椭圆形、多边形等。通常，为了简单容易地使相邻板或瓷砖的相邻边界无间隙地匹配由此使覆盖最大化，具有直边界的形状，如多边形（例如正方形或六边形）是优选的。板的宽度或厚度或如上所述的整料形式的陶瓷的宽度或厚度通常为大约2毫米（0.079英寸）至大约12毫米（0.47英寸），通常大约3毫米（0.12英寸）至大约10毫米（0.39英寸），通常大约4毫米（0.16英寸）至大约6毫米（0.24英寸）。整料或多个板形式的陶瓷通常具有在此范围内的基本一致的厚度。但是，在具体实施方案中可能希望在更关键区域（如上所述，头盔的垂直取向的外周表面）中提供更大宽度。这可通过提高这些区域中的陶瓷整料或板的宽度或通过使用在这些区域中具有更大但一致宽度的陶瓷板来实现。

[0029] 因此，根据本发明，由包含不同防弹材料的层，包括包含陶瓷的外层和包含纤维层的内衬材料（或多种材料）形成头盔外壳。内衬材料比外层更靠近头盔外壳的内部。内衬材料的纤维层可包含如本文所述的各种类型的纤维或组合材料。例如，可以使用纺织材料的混合物、无纺材料的混合物、以及纺织和无纺材料的组合。

[0030] 对本发明而言，纤维是长度远大于横向的宽度和厚度的细长体。因此，术语纤维包括具有规则或不规则横截面的单丝、复丝、带、条、短纤维和其它形式的短切、切断或不连续纤维（discontinuous fiber）等。术语“纤维”包括前述任何多个，或它们的组合。纱线是由许多纤维或长丝构成的连续束。

[0031] 本文所用的术语“高韧度纤维”是指具有等于或大于大约7 g/d的韧度的纤维。这些纤维优选具有至少大约150 g/d的初始拉伸模量和至少大约8 J/g的通过ASTM D2256测得的致断能量。本文所用的术语“初始拉伸模量”、“拉伸模量”和“模量”是指纱线的通过ASTM 2256测得的和弹性体或基质材料的通过ASTM D638测得的弹性模量。优选地，高韧度纤维具有等于或大于大约10 g/d，更优选等于或大于大约15 g/d，再更优选等于或大于大约20 g/d，最优选等于或大于大约30 g/d的韧度。对高韧度聚乙烯纤维而言，优选的韧度为大约20至大约55 g/d。所述多个纤维层中优选至少大约50重量%，更优选至少大约75重量%的纤维是高韧度纤维。所述多个纤维层中最优选所有或基本所有纤维是高韧度纤维。

[0032] 本发明中可用的纤维的横截面可千差万别。它们可以是圆形、扁平或长椭圆形横截面。它们也可以是不规则或规则的多叶横截面——具有从长丝的直线或纵向轴伸出的一个或多个规则或不规则的叶。该纤维特别优选具有基本圆形、扁平或长椭圆形的横截面，该纤维最优选具有基本圆形横截面。

[0033] 纤维如本文所用的高韧度纤维的纱线可具有任何合适的旦数，例如大约50至大约5000旦，更优选大约200至大约5000旦，再更优选大约650至大约3000旦，最优选大约800至大约1500旦。

[0034] 高韧度纤维，如聚烯烃纤维或芳族聚酰胺纤维是用在内衬材料的纤维层中的那些的代表。聚烯烃纤维优选是高韧度聚乙烯纤维和/或高韧度聚丙烯纤维。最优选地，聚烯烃纤维是高韧度聚乙烯纤维，也称作伸展链聚乙烯纤维或高度取向的高分子量聚乙烯纤维。本文可用的聚烯烃和芳族聚酰胺纤维是已知的并具有优异的防弹性质。

[0035] US 4,457,985大致论述了高分子量聚乙烯纤维和聚丙烯纤维，此专利的公开内容在不与本文矛盾的情况下经此引用并入本文。在聚乙烯纤维的情况下，合适的纤维是重均分子量为至少大约150,000，优选至少大约1百万，更优选大约2百万至大约5百万的那些。这样的高分子量聚乙烯纤维可以在溶液中纺丝（参见US 4,137,394和US 4,356,138）或由溶液纺成长丝以形成凝胶结构（参见US 4,413,110, German Off. No. 3,004, 699和GB Patent No. 2051667）或可以通过辊轧和拉伸法制造聚乙烯纤维（参见US 5,702,657）。本文所用的术语聚乙烯是指主要线型聚乙烯材料，其可含有不超过大约5个改性单元/100个主链碳原子的少量的链分支或共聚单体，也可含有与其混合的不大于大约50重量%的一种或多种聚合添加剂，如链烯-1-聚合物，特别是低密度聚乙烯、聚丙烯或聚丁烯，含有单烯烃作为主要单体的共聚物、氧化聚烯烃、接枝聚烯烃共聚物和聚甲醛，或常并入的低分子量添加剂，如抗氧化剂、润滑剂、紫外线屏蔽剂、着色剂等。

[0036] 高韧度聚乙烯纤维可购得并由Honeywell International Inc. of Morristown, ®New Jersey, U.S.A以商标SPECTRA 纤维出售。也可以使用来自其它来源的聚乙烯纤维。

[0037] 根据形成技术、拉伸比和温度和其它条件，可赋予这些纤维各种性质。聚乙烯纤维的韧度为至少大约7 g/d，优选至少大约15 g/d，更优选至少大约30 g/d，再更优选至少大约35 g/d，最优选至少大约45 g/d。类似地，通过Instron拉伸试验机测得的该纤维的初始拉伸模量优选为至少大约300 g/d，更优选至少大约500 g/d，再更优选至少大约1,000 g/d，最优选至少大约1,800 g/d。初始拉伸模量和韧度的这些最高值通常只能使用溶液生长（solution grown）或凝胶纺丝法获得。许多长丝的熔点高于用于形成它们的聚合物的熔点。因此，例如，分子量为大约150,000、大约1百万和大约2百万的高分子量聚乙烯通常具有138℃ (280°F)的体熔点。由这些材料制成的高度取向聚乙烯长丝具有大约7℃ (13ºF)至大约13℃ (23ºF)或更高的熔点。因此，熔点的轻微提高反映了结晶完整性和长丝比本体聚合物更高的结晶取向。

[0038] 类似地，可以使用重均分子量为至少大约200,000，优选至少大约1百万，更优选至少大约2百万的高度取向高分子量聚丙烯纤维。可以通过上文提到的各种参考资料中规定的技术，尤其是通过US 4,413,110的技术将这样的伸展链聚丙烯制成合理地良好取向的长丝。由于聚丙烯是结晶度比聚乙烯低得多的材料并含有侧甲基，用聚丙烯可实现的韧度值通常明显低于聚乙烯的相应值。因此，合适的韧度优选为至少大约8 g/d，更优选至少大约11 g/d。聚丙烯的初始拉伸模量优选为至少大约160 g/d，更优选至少大约200 g/d。取向过程通常使聚丙烯的熔点提高几度，以致聚丙烯长丝优选具有至少168℃ (334ºF)，更优选至少170℃ (338ºF)的主熔点。上述参数的特别优选的范围可有利地提供最终制品中的改进的性能。使用具有至少大约200,000的重均分子量以及上述参数（模量和韧度）的优选范围的纤维可有利地提供最终制品中的改进的性能。

[0039] 在芳族聚酰胺纤维的情况下，在不与本文矛盾的情况下经此引用并入本文的US3,671,542中描述了由芳族聚酰胺形成的合适的纤维。优选的芳族聚酰胺纤维具有至少大约20 g/d的韧度、至少大约400 g/d的初始拉伸模量和至少大约8 J/g的致断能量，特别优选的芳族聚酰胺纤维具有至少大约20 g/d的韧度和至少大约20 J/g的致断能量。最优选的芳族聚酰胺纤维具有至少大约28 g/d的韧度、至少大约1000 g/d的模量和至少大约30 J/g的致断能量。例如，具有中等高的模量和韧度值的聚(对苯二甲酰对苯二胺)® ®
长丝特别可用于形成防弹复合材料。实例是DuPont’s Kevlar29、Kevlar129和KM2和Teijin’s Twaron纤维类型1000和2000、Korean Kolon-Heracron纤维和许多Russian纤维，如Rusar、Artec、Armos和SVM，其分别具有大约1250 g/d和32 g/d的初始拉伸模量和®
韧度值。其它实例是以400、640和840旦获自du Pont的Kevlar129和KM2，和具有1000®
旦的来自Teijin的TwaronT2000。在本发明中也可以使用来自其它制造商的芳族聚酰胺纤维。也可以使用聚(对苯二甲酰对苯二胺)的共聚物，如共聚(对苯二甲酰对苯二胺3,4’氧二亚苯基对苯二甲酰胺)（co-poly(p-phenylene terephthalamide 3,4’ oxydiphenylene ®
terephthalamide)）。在本发明的实践中也可以使用du Pont以商品名Nomex 出售的聚(间苯二甲酰间苯二胺)纤维。在本发明中可以使用来自各种供应商的芳族聚酰胺纤维。

[0040] 不是高韧度纤维的玻璃纤维或其它类型的纤维也可以占内衬材料的纤维层中的大部分纤维重量，或占基本全部或全部的这些纤维重量。玻璃纤维包括Types E和S纤维。纺织玻璃纤维织物的实例是可获自Hexcel of Anderson, South Carolina, USA的被称作类型1528、3731、3733、7500、7532、7533、7580、7624、7628和7645的那些。使用玻璃纤维（例如使用玻璃纤维预浸料坯）的益处在于可以降低头盔的成本，因为玻璃纤维的花费仅为其它类型的织物，如聚烯烃织物的一部分。

[0041] 不管所用纤维的类型如何，内衬材料的纤维层中的纤维网络优选为机织、针织或非织造织物形式（例如单向取向纤维的层或以无规取向毡结的纤维），通常使用非织造织物。可以使用任何组织图（weave pattern）的机织物，如平纹组织、方平组织、斜纹、缎纹、三维机织织物和它们的几种变体中的任意种。平纹织物是优选的，更优选的是具有相等的经纱密度和纬纱密度（warp and weft count）的平纹织物。

[0042] 在一个实施方案中，该织物优选在经向和纬向中都具有大约5.9至大约21.6根纱/厘米（大约15至大约55根纱/英寸），更优选大约6.7至大约17.7根纱/厘米（大约17至大约45根纱/英寸）。该纱线优选具有大约375至大约1300的旦数。结果是机织织物2 2
重量优选为大约150克/平方米至大约700克/平方米（大约5 oz/yd 至大约19 oz/yd），
2 2
更优选大约169.5克/平方米至大约373.0克/平方米（大约5 oz/yd 至大约11 oz/yd）。
®
此类织物的实例是被称作SPECTRA 织物类型902、903、904、952、955和960的那些。其它实®
例包括由方平组织形成的织物，如SPECTRA 织物类型912。芳族聚酰胺织物的实例是被称® ®
作Kevlar 织物类型704、705、706、708、710、713、720、745和755和Twaron 织物类型5704、
5716和5931的那些。前述织物例如可获自Hexcel of Anderson, South Carolina, USA。
本领域技术人员会认识到，本文所述的织物构造仅是示例性的且无意限制本发明。

[0043] 如上所述，该织物可以是针织物形式。针织结构是由互相串套的线圈构成的构造，其中四种主要类型是特里科经编织物（tricot）、拉舍尔经编织物（raschel）、网（net）和取向结构。由于线圈结构的性质，前三类的针织物不一定完全利用了纤维的强度。但是，取向针织结构使用由细旦针织线圈组织（fine denier knitted stitches）固定就位的直的嵌花纱（straight inlaid yarns）。纱线是完全直的，没有在机织物中发现的由于纱线上的交织效应造成的卷曲效应。这些铺设纱线（These laid in yarns）可以根据工程要求以单轴、双轴或多轴方向取向。用于铺设承载纱线（laying in the load bearing yarns）的特定针织设备优选使得纱线不被穿透。

[0044] 或者，多个纤维层（例如具有高韧度聚乙烯纤维）的织物可以是非织造织物形式，如多层（plies）单向取向纤维或以无规取向毡结的纤维。在使用单向取向纤维时，它们优选以交叉铺网（in a cross-ply）布置使用，其中一个纤维层以一个方向延伸，第二纤维层以与第一纤维呈90º方向延伸。在各个层是单向取向纤维时，相继层优选相互旋转，例如以0º/90º、0º/90/0º/90或0º/45º/90º/45º/0º的角度或以其它角度。在纤维网络是毡形式时，它们可以是针刺毡。毡是无规取向纤维的非织造网络，优选其中至少一种（at least one of which）是不连续纤维，优选为具有大约0.64厘米（0.25英寸）至大约25厘米（10英寸）的长度的短纤维。这些毡可以通过本领域中已知的几种技术形成，例如通过梳理或流体成网（carding or fluid laying）、熔喷和纺丝成网（spin laying）。纤维网络例如通过针刺、缝编、水刺、空气缠结、纺粘、水刺（spun lace）等机械固结，如用粘合剂化学固结，或以用于点粘合的纤维（fiber to point bond）或具有较低熔点的共混纤维热固结。优选固结方法是仅针刺或在针刺后接着其它方法之一。优选毡是针刺毡。也可以使用针刺到机织物上的毡。

[0045] 纤维层包含在树脂基质中的纤维（例如高韧度聚乙烯纤维或高韧度芳族聚酰胺纤维）。纤维层用的树脂基质可以由多种具有所需性质的弹性体材料和其它材料形成。在一个实施方案中，此类基质中所用的弹性体材料具有等于或小于大约6,000 psi (41.4 MPa)的通过ASTM D638测得的初始拉伸模量（弹性模量）。该弹性体更优选具有等于或小于大约2,400 psi (16.5 MPa)的初始拉伸模量。该弹性体材料最优选具有等于或小于大约1,200 psi (8.23 MPa)的初始拉伸模量。这些树脂材料通常是热塑性的，但热固性材料也可用。

[0046] 可以选择树脂基质以在固化时具有例如通过ASTM D638测得的至少大约1 x 106 psi (6895 MPa)的高拉伸模量。例如在US 6,642,159中公开了此类材料的实例，其公开内容在不与本文矛盾的情况下特此引用并入本文。

[0047] 该纤维层中树脂基质材料相对于纤维的比例可以根据最终用途广为不同。该树脂基质材料优选占内衬材料的纤维和树脂基质总重量的大约0%（即无树脂）至大约98重量%，更优选大约5至大约95重量%，再更优选大约10至大约40重量%，最优选大约15至大约25重量%。上述百分比基于固结织物。

[0048] 在树脂基质中可以使用多种树脂，包括热塑性树脂、热固性树脂、共混树脂和杂化树脂。例如，可以使用任何下列材料：聚丁二烯、聚异戊二烯、天然橡胶、乙烯-丙烯共聚物、乙烯-丙烯-二烯三元共聚物、聚硫化物聚合物、热塑性聚氨酯、聚聚氨酯弹性体、氯磺化聚乙烯、聚氯丁烯、使用邻苯二甲酸二辛酯或本领域中公知的其它增塑剂增塑的聚氯乙烯、丁二烯丙烯腈弹性体、聚(异丁烯-共聚-异戊二烯)、聚丙烯酸酯、聚酯、聚醚、含氟弹性体、有机硅弹性体、热塑性弹性体和乙烯共聚物。热固性树脂的实例包括可溶于碳-碳饱和溶剂，如甲乙酮、丙酮、乙醇、甲醇、异丙醇、环己烷、乙基丙酮及其组合中的那些。热固性树脂包括乙烯基酯、苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物、邻苯二甲酸二烯丙酯、酚醛树脂如苯酚甲醛树脂（phenol formaldehyde）、聚乙烯醇缩丁醛、环氧树脂、聚酯树脂、聚氨酯树脂和它们的混合物等。包括在上述US 6,642,159中公开的那些树脂。优选的热固性树脂包括环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基酯树脂、尿烷树脂和聚酯树脂和它们的混合物。用于聚乙烯纤维织物的优选热固性树脂包括至少一种乙烯基酯、邻苯二甲酸二烯丙酯和任选用于固化乙烯基酯树脂的催化剂。

[0049] 优选的一类树脂是热塑性聚氨酯树脂。用于树脂基质的优选的一类弹性体材料包括共轭二烯和乙烯基芳族共聚物的嵌段共聚物。丁二烯和异戊二烯是优选的共轭二烯弹性体。苯乙烯、乙烯基甲苯和叔丁基苯乙烯是优选的共轭芳族单体。包含聚异戊二烯的嵌段共聚物可氢化产生具有饱和烃弹性体链段的热塑性弹性体。该聚合物可以是R-(BA)x (x=3-150)类型的简单三嵌段共聚物；其中A是来自聚乙烯基芳族单体的嵌段，B是来自共轭二烯弹性体的嵌段。优选的树脂基质是异戊二烯-苯乙烯-异戊二烯嵌段共聚物，如可获®自Kraton Polymer LLC的 Kraton D1107异戊二烯-苯乙烯-异戊二烯嵌段共聚物。此处可用的另一树脂基质是热塑性聚氨酯，如聚氨酯树脂在水中的共聚物混合物。

[0050] 该树脂材料可以与填料，如炭黑、二氧化硅等配混并可以用油增量和使用橡胶技术人员公知的方法通过硫、过氧化物、金属氧化物或辐射固化体系硫化。也可以使用不同树脂的共混物。

[0051] 优选地，所述多个纤维层各自在模制之前用树脂基质涂布或浸渍，以形成预浸料织物。通常，优选通过先构造纤维网络（例如以机织物层开始）和随后用基质组合物涂布该网络来形成本发明的纤维层。本文所用的术语“涂布”以广义使用以描述这样的纤维网络——其中各纤维具有包围该纤维的基质组合物连续层或在纤维表面上的基质组合物不连续层。在前一情况下，可以说纤维完全嵌在基质组合物中。术语涂布和浸渍在此可互换使用。尽管可以在模具中的同时将树脂基质施加到无树脂的纤维层上，但这较不合意，因为难以控制树脂涂层的均匀性。

[0052] 该基质树脂组合物可以以任何合适的方式（例如溶液、分散体或乳状液）施加到纤维层上。然后干燥该基质涂布的纤维网络。可以将基质树脂的溶液、分散体或乳状液喷到长丝上。或者，可以用水溶液、分散体或乳状液通过浸渍或借助辊涂机等涂布纤维层结构。在涂布后，可随后使涂布的纤维层经过干燥炉，在此对涂布的纤维网络层施以足够的热以蒸发基质组合物中的水或其它液体。涂布的纤维网络可随后置于载体网幅（其可以是纸或膜基底）上，或可以在用基质树脂涂布之前将织物先置于载体网幅上。该基底和含有织物层的树脂基质可随后以已知方式卷绕成连续卷。

[0053] 可以通过各种方法构造纤维网络。在单向对齐的纤维网络的情况下，在用基质材料涂布之前，可以从筒子架供应高韧度长丝的纱束并经由导纱器和一个或多个舒展杆（spreader bars）引导到准直梳机（comb）中。准直梳机共面地和以基本单向方式排顺长丝。

[0054] 在用树脂基质涂布织物层后，这些层优选以已知方式固结以形成预浸料坯。“固结”是指基质材料和纤维网络层结合成单整体层。可通过干燥、冷却、加热、压力或它们的组合实现固结。

[0055] 内衬材料的纤维层数可广为不同，取决于所需的头盔类型、所需性能和所需重量。例如，层数可以为大约2至大约250层，更优选大约5至大约150层，最优选大约10至大约
100层。这些层可具有任何合适的厚度。例如，所述多个纤维层的各层可具有大约25微米至大约1016微米（大约1密尔至大约40密尔），更优选大约76微米至762微米（大约3至大约30密尔），最优选大约127微米至508微米（大约5至大约20密尔）的厚度。所述多个纤维层的各层的厚度可以相同或不同。

[0056] 同样地，内衬材料的所述多个纤维层的各层的重量可广为不同，但通常选择这些以使头盔的总重量在对佩戴者的舒适和保护而言都可接受的范围内。例如，各层的重量可以为大约5至大约200克，更优选大约10至大约100克，最优选大约20至大约75克。类似地，所述多个纤维层中各层的面密度可广为不同，但通常也选择其以获得重量、舒适性和保护品质的合意组合。例如，各层的面密度优选为大约33.9克/平方米至大约3051克/2 2
平方米（大约1 oz/yd 至大约90 oz/yd）、大约169.5克/平方米至大约2203.5克/平方
2 2
米（大约5 oz/yd 至大约65 oz/yd），更优选大约169.5克/平方米至大约847.5克/平
2 2
方米（大约5 oz/yd 至大约25 oz/yd）。内衬材料的各纤维层的厚度和面密度可以相同或不同。

[0057] 包含陶瓷的外层和内衬材料的重量比可以按需要改变。含陶瓷的外层可以以头盔外壳总重量的大约20%至大约90重量%，更优选大约30%至大约85重量%，最优选大约45%至大约70重量%的量存在。相应地，内衬材料可以以头盔外壳总重量的大约5%至大约80重量%，更优选大约10%至大约50重量%，最优选大约35%至大约45重量%的量存在。

[0058] 外壳的总面密度也可以根据特定预期用途广为不同。但是，通常，外壳面密度小于2 2 2 2 2
大约48.9 kg/m (10 lb/ft)并可以为大约14.7 kg/m (3 lb/ft)至大约48.9 kg/m (10
2 2 2 2
lb/ft)。优选地，头盔外壳的总面密度为大约14.7 kg/m (3 lb/ft)至大约24.4 kg/m
2
(5 lb/ft)。

[0059] 在军事用途中已广泛使用的一些USA军用头盔以首字母缩略词PASGT (Personnel Armor System for Ground Troops)、MICH (Mission Integrated Combat helmet)、ACH (Advanced Combat Helmet)和ECH (Enhanced Combat Helmet)为人所知。优选的头盔形状随国家而变。例如，欧洲、亚洲和南美洲的国家往往有不同的优选形状。合意地，这样的中型头盔具有大约750至大约1500克，更优选大约800至大约1100克的重量。

[0060] 为了形成本发明的头盔外壳，将外层的陶瓷（整料形式或多个片或瓷砖形式）与内衬材料的两种或更多种类型的纤维层的预浸料坯一起施加到模具上。例如，在将包含陶瓷的外层供应到合适的模具中后，随后将在树脂基质中的内衬材料的所需数量的独立纤维层（例如包含聚烯烃或芳族聚酰胺纤维）放入模具中以形成内衬材料。该模具可具有任何所需形状，如具有相对的阳模和阴模部分的配套模具，由此最先使包含陶瓷的外层与配套阴模部分接触，接着放入内衬材料的纤维层。可以根据头盔外壳部件的所需相对位置颠倒放置次序。合意地，选择树脂基质的树脂以使其在放入模具中时不粘。这允许各层在彼此上滑动以完全填满模具和形成所需头盔形状。在各纤维层之间不要求使用粘合剂，因为各层的树脂通常提供所需的层间粘合。但是，如果需要，也可以使用单独的粘合层或多层。

[0061] 应小心地完全和均匀地填充模具并以适当取向放置所有头盔外壳部件。这确保头盔外壳各处的一致性能。如果部件的总体积大于头盔模具可处理的体积，该模具将无法关闭，因此不能模制头盔。如果总体积小于模具体积，尽管模具关闭，但由于缺乏模制压力，不能模制材料。

[0062] 一旦在模具中适当加载所需量的陶瓷、内材料层的所需数量和类型的纤维层和树脂基质和任选其它部件，可以在所需模制条件下模制头盔外壳。代表性的模制温度可以为大约65℃ (149ºF)至大约250℃ (482 ºF)，更优选大约90℃ (194ºF)至大约330℃ (626ºF)，最优选大约120℃ (248ºF)至大约320℃ (608ºF)。合模压力（clamp molding pressure）可以为例如大约10.2公吨至大约1020公吨（大约10吨至大约1000吨），优选大约50.8公吨至大约356公吨（大约50吨至大约350吨），最优选大约102公吨至大约306公吨（大约100吨至大约300吨）。模制时间可以为大约5至大约60分钟，更优选大约10至大约35分钟，最优选大约15至大约25分钟。

[0063] 在所需模制条件下，纤维网络中存在的树脂在热塑性树脂的情况下固结，在热固性树脂的情况下固化。这导致各层和层组以整体单片模制品形式强粘合成所需头盔形状。据信，各组织物的热固性树脂通过树脂交联在它们的界面处粘合。对热塑性树脂而言，将头盔冷却至树脂软化温度以下，然后从模具中脱出。在热和压力下，热塑性树脂在织物层之间流动，也产生整体单片模制品。在冷却过程中，保持模制压力。此后从模具中取出模制品，如果必要，修剪该部件。

[0064] 在另一模制法中，可以将包含陶瓷的外层和衬里材料的纤维层的叠层，任选与如本文所述的粘合剂和/或其它材料层一起，置于高压釜中。热和/或压力可伴随着高压釜模制，代表性的温度在如上文对模具模制所述的范围内，代表性的绝对压力通常在大约5巴（73 psi）至大约30巴（435 psi）的范围内。例如使用一种或多种惰性气体，如氦气或氮气加压通常促进更高的密度。可以通过层的真空袋成型供应最多1大气压的附加外部加压。使用这种技术，通常使用放气组装件调节袋内的真空压力和使用防粘布或涂层防止该叠层粘合到工具表面上。任选与真空袋成型结合的外部压力的使用可提供许多有益的功能，包括引发柔韧性以减轻表面缺陷、除去挥发性材料、消除层间截留空气、压实纤维层以实现纤维束之间的有效力传递、防止固化或固结过程中纤维取向的改变和/或降低湿度。

[0065] 因此，在代表性的高压釜模制法中，首先将衬里材料的纤维层置于包含陶瓷的外层内，后者可以是具有头盔外壳形状的整料形式。纤维层的小心装配有助于使层间搭接最小化。将该陶瓷和衬里材料置于真空袋中并部分或几乎完全抽空该叠层周围的环境。在该袋内创建和保持充足真空时，将其与真空泵断开并转移到高压釜中以如上所述固结或固化。当陶瓷为如本文所述机械和/或化学（例如用粘合剂）粘合的多个板或砖（tile）形式时，可以使用所述相同技术。

[0066] 根据制造本文所述的头盔外壳的其它方法，可以仅使用升高的温度（例如在炉中）将包含陶瓷的外层与内衬材料粘合。炉加热可以与真空袋成型一起使用以与最多1大气压的外部压力一起提供热。或者，在或不在外部加热下，粘合剂，如接触胶合剂可提供用于形成头盔外壳的充足粘合。也可以使用方法的组合。例如，根据代表性的方法，可以如上论述最先在配套模具中固结或固化衬里材料的纤维层。这种衬里材料，现在具有头盔外壳的形状，可随后在其外表面上用粘合层涂布，接着将内衬材料与包含陶瓷的外层组装。可以将该叠层如上所述转移到真空袋中，接着在炉中施热或在高压釜中施加热和附加压力，由此实现（例如热固性树脂基质的）固结或固化。

[0067] 内衬材料的各纤维层中所用的织物通常相对较薄但非常强韧。各层的优选厚度为大约25微米至大约911微米（大约1至大约36密尔），更优选大约127微米至大约711微米（大约5至大约28密尔），最优选大约254微米至584微米（大约10至大约23密尔）。

[0068] 如上所述，本文所述的头盔外壳抵抗或能够防止高能碎片和子弹如步枪子弹穿透。这样的碎片和子弹具有极高能级。本发明的头盔能够防止具有至少大约1600焦耳（1180 ft-lb），更优选大约1600（1180 ft-lb）至大约4000焦耳（2950 ft-lb），最优选大约1700焦耳（1250 ft-lb）至大约3000焦耳（2200 ft-lb）的能级的碎片和子弹穿透。因此，本发明的方面与下述发现有关——即可以在头盔中使用陶瓷以使用商业可行的总头盔厚度和重量提供这种水平的抗穿透性。例如，可以如上论述用厚度为大约4毫米（0.16英寸）至大约6毫米（0.24英寸）的陶瓷（无论以整料形式还是多片形式使用）为头盔提供有效防护。总头盔外壳厚度有利地小于大约18毫米（0.71英寸）（例如大约6毫米（0.24英寸）至大约18毫米（0.71英寸）），通常小于大约14毫米（0.55英寸）（例如大约8毫米（0.31英寸）至大约14毫米（0.55英寸）），通常小于大约12毫米（例如大约10毫米（0.39英寸）2
至大约12毫米（0.47英寸））。头盔外壳的总面密度有利地小于大约8 lb/ft (39.2 kg/
2 2 2 2 2
m) （例如如上论述大约3 lb/ft (14.7 kg/m)至大约8 lb/ft (39.2 kg/m)）和通常小
2 2 2 2
于大约5 lb/ft (24.5 kg/m) （例如如上论述大约3 lb/ft (14.7 kg/m)至大约5 lb/
2 2
ft (24.5 kg/m)）。

[0069] 下面是各种子弹及其能级以及在枪口测得的速度和能量的列表。可以看出，步枪子弹的能级比手枪子弹高得多，因此更难阻止其穿透头盔。

[0070] 表1 –子弹的动能子弹 质量,格林(g) 速度,mps 能量,焦耳
9MMFMJ 124(g) 373±10 537
357 158(9.5g) 440±10 958
44Mag 240(15g) 441±10 1510
AK47 128(8g) 900±10 1960
NATO(M80) (9.5g) 810±10 3000
AK74 (3.4g) 750±10 1700
LPS 179(11.6g) 804±10 3814

[0071] 包含如本文所述的头盔外壳的头盔结构适合按需要接合各种附件。例如，该头盔可以形成凹槽或内置通道以利于附接所需齿轮。

[0072] 代表性的头盔外壳描绘在图1中。如这种实施方案中所示，头盔外壳100包含六种材料。内部层和外部层2，12可以是减震材料层（例如包含闭孔泡沫）或提供其它防护功能，如防潮和/或防火性（单独或与耐震性一起）的材料层。包含陶瓷的外层8（例如整料形式或许多分立板形式）比包含多个纤维层的内衬材料4更接近头盔外壳外部。粘合层6，10显示在内衬材料4和外层8之间以及在这种外层8和外部层12之间。

[0073] 本发明的整体方面涉及包含含陶瓷的外层和含纤维层的内衬材料的防高能碎片和子弹的头盔。本领域技术人员借助从本公开中获得的知识会认识到，可以在不背离本公开的范围的情况下对这些头盔和它们的制造方法作出各种改动。本文所述的主题因此是本发明及其相关优点的代表，不应被解释为限制如所附权利要求书中所述的发明范围。

[0074] 阐述下列实施例作为本发明的代表。这些实施例不应被解释为限制本发明的范围，因为根据本公开和所附权利要求书容易看出这些和其它同等实施方案。

[0075] 实施例1使用设计成模制7.87毫米（0.310英寸）壁厚度的中型ACH头盔形部件的配套金属模®
具模制头盔外壳。从1.6米（63英寸）宽的卷上切下Spectra Shield II SR-3124材料层。
使用针轮型式（pin-wheel pattern）。设计各针轮型式以使其完全覆盖阳模。在无底桶中预形成总共28层针轮，同时开始模具加热。一旦模具达到125±5℃ (257±9ºF)的温度，®
在模具的阳模和阴模部分上施加脱模涂层。然后将预形成的Spectra Shield II SR-3124层转移到该模具上。小心注意在转移到模具上的过程中在该预形成品上不产生折叠或折皱。施加190 Ton表压20分钟。在20分钟后，启动冷却周期。在冷却周期过程中，不移除模制压力。一旦模具冷却至大约35℃ (77ºF)，打开模具并取出模制的外壳。

[0076] 在模制后24小时，用粘合剂膜覆盖该模制的头盔并投入与模制的头盔外壳的外形匹配的整料ACH形陶瓷头盔外壳内。将该陶瓷与粘合层和预模制的头盔外壳一起转移到仅在一侧具有开口的高压釜用袋（autoclave bag）中。最后密封开口侧并使用便携式真空泵在袋内生成真空。一旦真空泵停止，证实实现全真空，就将该袋转移到高压釜中。关闭高压釜的门并在袋上施加10 bar (145 psi)的模制压力。在施加压力后立即启动高压釜热以达到125±5℃ (257±9ºF)的温度。这一温度保持45分钟以使粘合剂完全固化。在45分钟后，开始冷却周期。一旦高压釜温度指示35℃ (77ºF)，释放压力并打开高压釜的门。取出装有带有衬里材料的陶瓷头盔的袋。取出头盔并移至弹道实验室以在测试前调节至少
24小时。

[0077] 实验程序：在从两个耳朵部位夹住头盔的夹具中夹紧总厚度大约12毫米（0.47英寸）的头盔后，根据MIL-STD-662F使用重量为62 格林的M-855 NATO子弹进行测试。在陶瓷饰面头盔的四个相等象限处（正面、背面和两侧）射击四颗子弹。改变子弹速度以实现2 X 2（两颗子弹穿透，两个颗弹停在头盔上），在重量5.05 lb的ACH陶瓷饰面头盔上实现905米/秒（2968英尺/秒）的V50。

[0078] 实施例2以与实施例1中所述类似的方式制造另一陶瓷头盔并用AK 47子弹进行测试。在重量
5.36 lb的中型ACH陶瓷饰面头盔上实现614米/秒（2013英尺/秒）的V50。