NTU 科学家利用复合材料研发更安全的自行车头盔

越来越多的自行车爱好者走上城市街头，这也增加了自行车车祸的风险。NTU机械与航空航天工程学院的研究人员与法国特殊材料公司Arkema合作，开发了一种使用复合材料的、更坚固安全的自行车头盔。

新型头盔开发人员， 图片来源：NTU官网

随着世界各地城市选择加强自行车道建设，越来越多的自行车爱好者走上街头，自行车事故和潜在碰撞的可能性也随之增加。在人口稠密的城市地区，确保自行车行驶安全至关重要。

南大研究人员正在针对这个课题贡献属于自己的力量。NTU机械与航空航天工程学院的研究人员与法国特殊材料公司Arkema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。新头盔具有更高的能量吸收能力，降低了事故时严重受伤的可能性。

已发表文章，来源：NTU官网

新头盔更好地保护骑行者

根据世界卫生组织 2020 年的一份报告，与自行车有关的死亡和长期残疾中，有 60% 以上是头部受伤事故造成的。

在机械与航空航天工程学院Leong Kah Fai副教授的带领下，该团队由研究员 Bhudolia Somen Kumar 博士、研究员 Goram Gohel 和理学硕士生 Elisetty Shanmuga 组成，设计了一种复合材料头盔。外壳主要由新材料制成，这种材料是一种丙烯酸热塑性树脂，并利用碳纤维增强。

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Arkema开发。NTU团队与Arkema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。

新型头盔， 图片来源：NTU官网

“我们与Arkema的合作，希望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，”Leong 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。我们的头盔经过了一系列国际基准测试，并证明了与传统头盔相比，它能够为骑自行车的人提供更好的保护。”

未来，更高效的制造能够推动这种头盔批量化生产。Elium 在环境温度下是液体，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外壳。

NTU研究人员正在与Arkema合作，将头盔的制造过程商业化。Leong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。

更坚固，更安全

这个更坚固、更安全的自行车头盔由两个部分组成。

首先是外壳，通常由大量生产的塑料制成，如聚碳酸酯。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。外壳的设计，帮助整个头盔在破裂时更好的消散能量。

接着，是泡沫层压缩，并吸收大部分冲击能量，从而减少传递到头部的能量。

该团队的复合材料头盔用碳纤维增强的 Elium 头盔取代了传统的聚碳酸酯外壳。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。

头盔硬度测试，图源：Twitter

“当头盔高速撞击表面时，我们注意到随着复合材料外壳的扩展破坏而发生变形，这意味着外壳承受更多的负载并吸收更多的能量，” Somen 博士说。“这是我们希望的结果——外壳吸收的冲击力越大，到达泡沫的冲击力就越少，因此对头部的整体冲击力就越小。我们发现，在现有的聚碳酸酯头盔中，大约 75% 的能量被泡沫吸收。这并不理想，因为泡沫与人的头部直接接触。”

相比之下，该团队的复合头盔外壳吸收了 50% 以上的冲击能量，而泡沫吸收的能量则少得多，约为 35%。

研究人员参考了最广泛使用的伤害指标，即头部伤害标准 (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，但复合材料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。

参考文献：

1. NTU Singapore scientists develop tougher, safer bicycle helmets using new plastic material.

2. Paper titled “Development and impact characterization of acrylic thermoplastic composite bicycle helmet shell with improved safety and performance”, published in Composites Part B: Engineering, 25 May 2021.