納米吸能材料在安全帽上的應(yīng)用

黨文龍，衛(wèi)琛浩，李盟潔，馬 嘯，景欣瑞，李茂慶

(陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710000)

0 引言

作為最重要的能源之一，煤炭在中國一次能源消費結(jié)構(gòu)中占比接近70%[1]，而煤炭在開采過程中面臨的安全問題卻日益嚴(yán)重，影響礦工生產(chǎn)安全的因素也越來越復(fù)雜[2]。據(jù)不完全統(tǒng)計，在2010—2019年，全國煤礦共發(fā)生事故118起，死亡人數(shù)高達941人[3]。目前在煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場也存在類似尖銳物體墜落的安全生產(chǎn)隱患[4]。安全帽是最常見的頭部防護裝備，在事故發(fā)生時能夠有效地降低頭部的瞬時沖擊力，從而起到保護作業(yè)人員的目的，因此安全帽在事故中具有十分重要的作用[5 -7]。近年來，由于安全帽質(zhì)量而引發(fā)的事故日益增多[8]，國家質(zhì)檢總局對于安全帽的質(zhì)量檢查數(shù)據(jù)表明，僅有50%～80%的安全帽是合格的[9]，許多安全帽的抗沖擊性能很差，對于礦井下的安全生產(chǎn)來說是一種重大的安全隱患。針對這一問題，許多學(xué)者和研究人員對安全帽的抗沖擊性能進行了研究。馬舒淇等[10]研究沖擊力峰值對安全帽抗沖擊性能的影響；鞠欣亮[11]將熱塑性塑料顆粒引入安全帽中，得到一種抗沖擊性能較高的新型安全帽；劉西文等[12]利用玻璃鋼制備出一種高強度夜光安全帽，經(jīng)檢測其性能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

隨著納米科技的迅速發(fā)展，研究人員將納米多孔材料與液體相結(jié)合，研制出一種納米吸能材料[13]。這種材料的工作原理與傳統(tǒng)液壓緩沖器類似[14]，當(dāng)外界應(yīng)力施加在納米吸能材料表面時，材料內(nèi)部液體進入納米孔洞，將表面的機械能轉(zhuǎn)化為液體表面能，納米孔洞超高的比表面積能夠?qū)崿F(xiàn)較高的能量耗散密度，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)于安全帽抗沖擊性能的相關(guān)研究已較為成熟。將納米吸能材料與傳統(tǒng)安全帽相結(jié)合，得到一種防護性較高的新型安全帽，并通過模擬計算和沖擊試驗，進一步對此類新型安全帽的性能作出評估。

1 安全帽沖擊性能模擬

為了研究納米吸能材料在安全帽受到?jīng)_擊過程中的作用，利用Solid works分別建立負載納米吸能材料和未負載納米吸能材料的安全帽模型，并使用相同質(zhì)量的小球模擬安全帽受到?jīng)_擊的過程，對比納米吸能材料的抗沖擊性能。

1.1 模型建立

利用三維軟件Solid works中的Abaqus數(shù)據(jù)模塊建立安全帽頭盔及頭部的三維模型，根據(jù)常用的安全帽材料確定模擬中安全帽的材料為ABS塑料，并將納米吸能材料置于頭盔中組成裝配體。按照成人頭部大小建立頭部模型，與裝配體組合后得到的三維模型如圖1所示。

圖1 沖擊性能模擬三維模型Fig.1 Three-dimensional model of impact performance simulation

在建模過程中，根據(jù)實際應(yīng)用中的材料性能對安全帽、安全帽內(nèi)繃帶和納米吸能材料進行設(shè)置。具體性能參數(shù)見表1。根據(jù)《GB/T 2812—2006安全帽測試方法》中對沖擊性能測試實驗要求，在模擬中設(shè)置了質(zhì)量為5 kg的小球來代替落錘，由于模擬僅研究頭部受到的最大沖擊力值，小球只是提供沖擊能量，與頭部均不參與分析，故將小球和頭部定義為剛體。納米吸能材料是一種較為復(fù)雜的功能流體，通過活塞試驗數(shù)據(jù)，以及幾種樣品的落錘沖擊實驗，通過CAE對標(biāo)，擬合得到納米吸能材料的近似本構(gòu)。

1.2 模擬結(jié)果

將建立好的三維模型導(dǎo)入Solid works進行沖擊性能模擬，模擬結(jié)果見表2。數(shù)據(jù)顯示未放置納米吸能材料的安全帽在模擬過程中受到的應(yīng)力峰值為514.2 kg，而放置了納米吸能材料的安全帽應(yīng)力峰值為441.3 kg，相比而言應(yīng)力下降了大約14.2%。這說明納米吸能材料能夠有效地降低安全帽受到的沖擊應(yīng)力，提高安全帽的抗沖擊性能。

表1 三維模型中各材料性能參數(shù)

表2 沖擊性能模擬結(jié)果

2 安全帽沖擊性能試驗

為了進一步檢測納米吸能材料在安全帽中的應(yīng)用效果，將納米吸能材料置于安全帽中進行落錘沖擊試驗，通過設(shè)置不同的高度改變沖擊力，在不同沖擊力下研究納米吸能材料的沖擊吸收效果。

2.1 實驗設(shè)計

沖擊性能試驗根據(jù)《GB 2811—2007安全帽》及《GB/T 2812—2006安全帽測試方法》中的沖擊吸收性能測試的要求進行試驗。標(biāo)準(zhǔn)要求沖擊測試傳遞到頭部上的力不超過4 900 N，且帽殼不能有碎片脫落。實驗中采用XJL-300A沖擊落錘試驗機(泰安安泰檢測設(shè)備有限公司)，該設(shè)備基座為鋼結(jié)構(gòu)底板，放置于混凝土地面上；臺架能夠控制提升、懸掛和釋放沖擊落錘，落錘質(zhì)量為5 kg，錘頭為平板正方形，寬度為100 mm。

2.2 實驗方案

實驗中根據(jù)《GB/T 2812—2006安全帽測試方法》中的測試要求，選擇合適的頭模，在安全帽中安置填充有納米吸能材料的結(jié)構(gòu)后，按照標(biāo)準(zhǔn)要求將安全帽正確佩戴在頭模上。保證帽箍與頭模的接觸為自然佩戴狀態(tài)且穩(wěn)定。實驗中納米吸能材料均裁剪成十字形(共28顆)，用雙面膠帶固定在安全帽內(nèi)襯帶上，并系在頭模上進行實驗，安置方式如圖2所示。所有實驗均在落錘沖擊臺上完成，鋼錘重心運動軌跡與頭模中心線重合，通過應(yīng)變測量系統(tǒng)記錄不同實驗情況下對頭模的沖擊應(yīng)力。

為了評定納米吸能材料的性能，研究設(shè)計了3種不同的對比試驗。通過調(diào)整不同的落錘高度，對比不同高度下放置納米吸能材料的安全帽與裸安全帽的吸收沖擊性能；通過改變納米吸能材料在安全帽內(nèi)的放置層數(shù)，對比同種高度下單層納米吸能材料與多層納米吸能材料的安全帽的吸收沖擊性能；最后在50 ℃的環(huán)境下，對比放置納米吸能材料的安全帽與裸安全帽的吸收沖擊性能。

圖2 納米吸能材料安置方式Fig.2 Placement of nano-energy absorbing materials

3 試驗結(jié)果

3.1 高度對比試驗

《GB/T 2812—2006安全帽測試方法》中要求落錘的高度為1 000 mm，實驗中根據(jù)對比需要，選用0.5 m、0.75 m、1.00 m、1.25 m、1.50 m、2.00 m等幾個不同的高度下沖擊力數(shù)值，對比放置納米吸能材料結(jié)構(gòu)的安全帽與裸安全帽在不同高度下沖擊力的數(shù)值。實驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同高度下沖擊力峰值對比試驗數(shù)據(jù)Fig.3 Comparison test data of peak impact force at different heights

由圖3可知，隨著落錘高度的升高，落錘對安全帽的沖擊力也越來越大。與放置納米吸能材料的安全帽相對比，未放置納米吸能材料的安全帽受到的沖擊力相對較大，在高度為1.25 m時沖擊力差值達到峰值137.87 kg。這是由于放置于安全帽內(nèi)部的納米吸能材料減緩了落錘對安全帽的沖擊力，由圖3也可以看出，隨著小球?qū)Π踩睕_擊力的增大，納米吸能材料對安全帽沖擊力吸收百分比總體呈現(xiàn)出上升趨勢。在高度為1.25 m時，應(yīng)力下降百分比達到最大值27.22%。

3.2 排列方式對比試驗

為了研究納米吸能模塊在安全帽中不同的排列方式對安全帽沖擊性能的影響，固定小球高度為1 000 mm，并設(shè)計了4種不同的納米吸能模塊在安全帽中的排列方式，分別置于安全帽中進行落錘沖擊試驗。模塊排列方式如圖4所示，實驗結(jié)果如圖5所示。

圖4 4種納米吸能材料排列方式Fig.4 Arrangement of four kinds of nano-energy absorbing materials

由圖5可以看出，納米吸能模塊能夠有效地減緩安全帽受到的沖擊力。且隨著納米吸能模塊層數(shù)的增加，安全帽所受到的應(yīng)力下降百分比總體呈現(xiàn)出上升趨勢，在4層時應(yīng)力下降百分比達到峰值37.58%；相對于雙層交錯擺放方式，雙層頂對頂?shù)臄[放方式的沖擊力峰值較低，這說明雙層頂對頂?shù)臄[放方式能夠吸收更多的沖擊力。

3.3 高溫對比試驗

為了研究溫度對納米吸能材料性能的影響，實驗前將放置納米吸能材料的安全帽加熱至50 ℃，調(diào)整落錘高度為1 000 mm進行了8次落錘沖擊試驗，研究在高溫狀態(tài)下納米吸能材料對安全帽的沖擊力吸收性能，并與常溫下的性能進行對比。實驗結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，高溫環(huán)境對納米吸能材料的影響較小。計算得到，常溫下安全帽表面應(yīng)力下降百分比為23.79%，高溫環(huán)境下應(yīng)力下降百分比為22.91%，兩者差距僅為0.87%，幾乎可以忽略不計。這說明溫度對納米吸能材料的吸能效果幾乎不會產(chǎn)生影響，在礦井下溫度較高的特殊環(huán)境下具有很好的應(yīng)用。

圖5 不同排列方式下的沖擊力峰值Fig.5 Peak impact force under different arrangement modes

圖6 常溫和高溫對比試驗Fig.6 Comparison test at room temperature and high temperature

4 結(jié)論

(1)利用Solid works軟件模擬安全帽的落錘沖擊實驗，發(fā)現(xiàn)納米吸能材料使安全帽受到的沖擊作用減少了14.2%。通過不同高度的落錘沖擊試驗也證明，納米吸能材料能夠有效地緩解安全帽受到的沖擊力，應(yīng)力下降峰值為27.22%。

(2)納米吸能材料的不同放置方式對安全帽的防沖擊性能也有影響。實驗結(jié)果表明，放置了4層納米吸能材料的安全帽受到的沖擊力最小，沖擊力下降了37.58%。

(3)高溫對比試驗結(jié)果表明，溫度的上升對納米吸能材料性能的影響較小，幾乎可以忽略不計。說明納米吸能材料能夠有效地提高安全帽的抗沖擊性能，能夠更好地保護井下作業(yè)人員的頭部安全，且不會因井下特殊的高溫環(huán)境而導(dǎo)致安全帽的抗沖擊性能下降，減小礦井下事故的發(fā)生概率，提高礦井作業(yè)人員的個人安全，對煤炭安全開采有促進作用。