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使用新型塑料材料制成更坚固、更安全的自行车头盔

科技 时间:2021-07-24 17:01:01

随着世界各地城市扩大其自行车道网络,越来越多的骑自行车者走上街头,自行车事故和潜在碰撞的可能性也随之增加,这凸显了在人口稠密的城市地区确保适当的自行车安全的必要性。

根据世界卫生组织 2020 年的一份报告,所报告的与自行车相关的死亡和长期残疾中,60% 以上是头部受伤事故的结果。

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新加坡南洋理工大学(NTU Singapore)的研究人员与法国特种材料领导者阿科玛合作,使用多种材料组合开发了一种更坚固、更安全的自行车头盔。新头盔原型具有更高的能量吸收能力,在发生事故时减少了传递到骑自行车者头部的能量,并降低了严重受伤的机会。

该团队由机械与航空航天工程学院的 Leong Kah Fai 副教授领导,由研究员 Bhudolia Somen Kumar 博士、研究助理 Goram Gohel 和理学硕士生 Elisetty Shanmuga 组成,创造了复合材料头盔,外壳主要由新型丙烯酸热塑性树脂,碳纤维增强。

这种名为 Elium 的新型热塑性树脂由南大的行业合作伙伴之一阿科玛开发。NTU 团队与阿科玛工程师合作,为 Elium 开发了一种成型工艺,以制造更坚固的自行车头盔。

“我们与阿科玛的合作是出于开发一种对骑自行车者来说更坚固、更安全的新型头盔的愿望,”梁副教授说。“头盔已经一次又一次地被证明在减少伤害的严重程度和死亡人数方面发挥着关键作用。我们的原型头盔已经接受了一系列国际基准测试,并证明了相比之下,它能够为骑自行车的人提供更好的保护到传统头盔。”

研究团队的研究结果于 5 月发表在同行评审期刊 Composites Part B: Engineering 上。

更强硬,更硬外壳吸收更多的能量

自行车头盔是由两个部分组成的。第一个是一个外壳,通常从大量生产的塑料状聚碳酸酯制成。在它下面是一层发泡聚苯乙烯泡沫——与产品包装和外卖盒中使用的材料相同。

外壳被设计,以便跨越头盔的整个表面上的冲击开裂耗散能量。泡沫层然后压缩并吸收冲击能量的堆积,使得更少的能量被转移到所述头部。

该球队的复合头盔替换一个使用Elium增强碳纤维的常规聚碳酸酯外壳。

这种加固使外壳比聚碳酸酯外壳更坚固、更坚硬且不易碎。它还增加了头盔的接触时间,即头盔承受冲击载荷的总冲击时间。

这些特性使外壳能够在更长的时间内吸收更多的冲击能量,同时还能将其均匀地分散到整个头盔中。这导致到达头部的整体力更小,从而减少了严重受伤的机会。

安全锻造在南大的铁砧上

研究人员通过在三种不同类型的铁砧(扁平、半球形(圆形)和路缘石(金字塔形))上将头盔高速压下来测试他们的头盔,以模拟不同的路况。

这些测试与美国消费品安全委员会标准 (CPSC 1203) 认证所使用的测试相同,该认证是国际公认的头盔安全标准。该团队的头盔原型符合所有 CPSC 1203 指南。

研究人员特别关注峰值加速力,这是根据头盔在撞击点移动的速度来衡量头盔所承受的力的量度。头盔的峰值加速度必须小于 300G(g-force)才能被认为适合根据 CPSC 1203 使用,较低的 g-force 值更安全。

在两次平砧测试中,研究人员的头盔与对照聚碳酸酯头盔的性能相当,产生的结果分别为 194.7G 和 197.2G,而对照的则为 195.4G 和 198.2G。

然而,对半球形和路边石砧的测试表明,与聚碳酸酯头盔相比,该团队的复合头盔有了实质性的改进。在两次半球砧测试中,复合头盔记录了 100.9G 和 103.1G,而控制头盔的峰值加速度要高得多,分别为 173G 和 178.7G。

在单个路边石砧测试中,研究人员的头盔记录了 111.7G,比产生 128.7G 结果的参考头盔有了显着改进。

研究人员参考了最广泛使用的伤害指标,称为头部伤害标准 (HIC),以计算使用头盔时发生严重伤害和死亡的概率。HIC 值来自峰值加速度值和加速持续时间的组合。

该团队对平砧测试结果和 HIC 的分析表明,与聚碳酸酯头盔相比,复合头盔有可能将危重和致命伤害率分别从 28.7% 和 6% 降低到 16.7% 和 3%。

尽管两种头盔的峰值加速度大致相等,但复合头盔更坚固的外壳导致撞击期间的加速持续时间更长。这使得外壳能够吸收更多的能量,从而产生较低的 HIC,这意味着发生严重和致命伤害的几率较低。

更高效的制造可能会导致更便宜、更坚固的头盔

原型头盔也比传统头盔更容易生产。使用 Elium 代替其他传统的热塑性塑料可以简化复合材料头盔的制造过程。

Elium 在环境温度下是液态的,因此它可以在室温下成型,而不是其他需要更高温度加工的热塑性复合材料壳。

南大研究人员正在与阿科玛合作,将头盔的制造过程商业化,这将使感兴趣的制造商能够生产它们。梁副教授表示,通过他们的方法生产的头盔将提供与当前顶级头盔相同的保护,但价格可能与中级头盔(100-150 美元)相当。

研究人员目前正致力于开发由 Elium 和聚丙烯织物制成的复合头盔,这是另一种热塑性塑料。这是为了克服复合材料头盔目前的一个权衡,即它们比聚碳酸酯头盔重约 20%。

由 Elium 和聚丙烯织物制成的头盔可能会使它们与聚碳酸酯头盔一样轻,但提供更好的保护。

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